Введение
Формирование фанерозойских орогенных поясов Земли обусловлено глубинными геодинамическими процессами. Конвективные течения в мантии, структура и интенсивность которых контролируется разноглубинными мантийными плюмами, вызывают движения литосферных плит и закономерную смену геодинамических обстановок в подвижных областях. Пульсационность функционирования мантийных плюмов отражается в периодической активизации геологических процессов (Добрецов и др., 1993). Повторяемость во времени отдельных седиментационных, магматических и метаморфических событий отмечается в различных геодинамических обстановках, но традиционно интерпретируется как свидетельство полицикличности развития орогенических поясов. Такая трактовка вызывает дискуссии, так как обоснование ранних (неопротерозойских) орогенических циклов или циклов Уилсона, из-за проблематичности нахождения важнейших материальных свидетельств их проявления (офиолитов, островодужных комплексов и др.), в таких орогенных поясах как Урал, Аппалачи, Скандинавия и др. во многом гипотетично. Часто основным, а иногда и единственным аргументом полицикличности фанерозойских областей является метаморфизм позднедокембрийских толщ. Обоснование его континентальной рифтовой природы, в совокупности с другими данными, приводит к новому пониманию предыстории коллизионных орогенов и ™ общей эволюционной направленности развития литосферы фанерозойских подвижных
областей в полном крупном цикле, продолжительность которого может значительно превышать современные оценки, предполагаемые для циклов Уилсона (Хаин, 2000).
АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ. Метаморфические породы содержат важнейшую информацию о термодинамических условиях глубинного петрогенезиса. Они присутствуют практически во всем вертикальном разрезе литосферы подвижных областей и формируются во всех возможных геодинамических обстановках. В этом плане метаморфизм является одним из основных индикаторных эндогенных процессов, дополняющим данные магматизма и тектоники. Выяснение общей последовательности событий в развитии литосферы подвижных областей не может быть полным без специального анализа метаморфических процессов. Благоприятным объектом для такого анализа является Урал - типичный коллизионный покровно-складчатый пояс, история геологического развития которого охватывает интервал времени более 1 млрд. * лет и отражает полный крупный цикл эволюции литосферы. Разрыв континентальной
Евро-Азиатской плиты и образование океанического бассейна, связанные с тектоническим режимом растяжения, а также островодужный и коллизионный орогенез в режиме сжатия, обусловливающий формирование новой континентальной коры, на всех этапах сопровождаются метаморфическими процессами. Выяснение их роли и значения в последовательно сменяющихся геодинамических обстановках представляет не только общенаучный интерес, затрагивающий фундаментальные основы
геологических знаний, но и практическую ценность, так как раскрывает новые перспективы обнаружения месторождений метаморфогенного класса.
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Главная цель - выяснение общей последовательности метаморфических событий в полном крупном цикле развития литосферы фанерозойских подвижных областей. Разработка этой проблемы предусматривает проведение теоретических исследований по обоснованию связей метаморфизма и тектоники с мобилистских позиций, палеореконструкций геодинамических обстановок проявления метаморфизма и типизации метаморфических комплексов, а также решение конкретных задач: 1 - изучение блоков эпикарельского кристаллического фундамента и выделение в них метаморфических преобразований, связанных с разрывом плит и орогенными процессами, 2 - изучение типовых метаморфических комплексов различных геодинамических обстановок, 3 - выяснение особенностей метаморфических преобразований в вертикальном разрезе растягивающейся литосферы, 4 - выделение главных черт и обоснование природы доорогенного (континентального рифтового) и орогенного (коллизионного) метаморфизма складчатых областей.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ. Проявления метаморфизма в различных структурно-формационных зонах Урала изучались традиционными методами метаморфической петрологии, включающими метаморфическое картирование, анализ парагенезисов, количественные оценки пространственных РТ-параметров метаморфизма. Исследование комплексов бластомилонитов - особого класса метамофических пород, формирующихся в условиях хрупко-пластичного течения материала, проводилось с учетом экспериментальных данных по реологии пород и минералов и только на основе микрозондовых анализов. Для блоков раннего докембрия были использованы методики, применяемые при изучении высокометаморфизованных регионов с широко проявленными ультраметаморфическими процессами. При геодинамических реконструкциях методической основой служил формационный анализ, учитывающий современные достижения тектоники литосферных плит.
ФАКТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ. В основу работы положены исследования автора по тематическим планам Института геологических наук АНКаз.ССР (1965-1973 гг.) и Института геологии и геохимии Уральского отделения РАН (1974-2001 гг.). Главными объектами исследования являлись метаморфические комплексы Мугоджар, Южного, Среднего, Северного и Полярного Урала. В различные годы автором проводилось тематическое изучение докембрия и метаморфических образований Северного Тянь-Шаня (Киргизский хребет, хр. Бол. Каратау), Чу-Илийских гор и Кокчетавского массива. При разработке геолого-петрологических критериев выделения раннедокембрийских образований на Урале важное значение имели наблюдения, полученные при геологических экскурсиях на Украинском и Балтийском щитах, а также Шарыжалгайском выступе Сибирской платформы. Наглядные подтверждения уральских данных о природе метаморфических преобразований дорифейского
кристаллического фундамента при литосферном растяжении и коллизионных процессах дали полевые работы в Западной Норвегии, проведенные совместно со скандинавскими геологами (H.Austrheim, M.Beckholmen), а также полевая экскурсия на Иберийском массиве в Испании. Полезным для автора было участие до начала тематических исследований в геолого-съемочных работах масштаба 1:200000 (Центральный Памир) и 1:50000 (В.Саян), во многом определивших интерес к проблемам метаморфизма и геологии докембрия.
При подготовке работы был использован огромный аналитический материал, включающий тысячи химических и рентгено-спектральных анализов пород, в т.ч. данные раздельного опробования субстратов и мобилизатов мигматитов, а также определения РЗЭ (30), рубидия и стронция (800). Анализ парагенезисов во всех метаморфических комплексах проводился на основе петрографического изучения шлифов и данных химического и микрозондового исследования составов сосуществующих минералов. Подавляющее большинство из нескольких тысяч анализов минералов оригинальны. Для диагностики составов слюд дополнительно привлекались физические методы (ЯГР, оптической спектроскопии, рентген). Много усилий было затрачено для получения новых радиологических датировок. Осмыслен и использован общирный литературный материал.
ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ.
1. В фанерозойских подвижных областях постоянно присутствуют массивы (глыбы, тектонические клинья) метаморфических пород, представляющие собой фрагменты кристаллического фундамента прилегающих платформ. Они пассивно участвуют в развитии подвижных областей и поэтому часто сохраняют признаки метаморфических событий, связанных с раннедокембрийскими этапами формирования земной коры.
2. В геологической истории подвижных областей основные метаморфические события происходят не только в условиях тектонического сжатия, но и растяжения литосферы. Процессы доорогенного (рифтового) метаморфизма, связанного с тектоникой растяжения, отражают реакцию литосферных плит на развитие термальных явлений в подлитосферной мантии. Вещественным выражением этих процессов являются комплексы рифтогенных бластомилонитов, отмечающие зоны хрупко-пластичного (пластичного) течения материала нижней - средней коры и литосферной мантии и устанавливаемые во многих раннедокембрийских блоках и габбро-гипербазитовых массивах. В рифтогенно-депрессионных формациях верхней коры синхронно с развитием рифтогенных бластомилонитов проявляется низкотемпературный однородный "метаморфизм погружения" и зональный метаморфизм умеренных и низких давлений, а после разрыва континентальных плит в океанических формациях - однородный зеленокаменный метаморфизм или "метаморфизм океанического дна".
3. Орогенный метаморфизм сопряжен с развитием гранитоидного магматизма и коллизионными процессами, что обусловливает его контрастность и закономерную смену натриевого геохимического фона калиевым. Индикаторными для коллизионных орогенов являются высоко- и сверхвысокобарические комплексы метаморфических пород, а также комплексы гранитоидных бластомилонитов региональных сдвиго-надвиговых зон. Пояса зонального метаморфизма умеренных и низких давлений полихронны, формируются в различных геодинамических обстановках и непосредственно не связаны с фазами тангециалъного сжатия.
4. Развитие метаморфизма в полном цикле формирования подвижных областей (разрыв континентальных плит - образование океанической структуры - схождение океанических и континентальных плит - орогенез и новообразование континентальной коры) имеет эволюционную направленность и контролируется закономерной сменой геодинамических обстановок.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА.
1. Разработаны основные положения новой концепции континентального рифтового метаморфизма. Впервые в мировой науке показано, что континентальный рифтовый метаморфизм является обязательным и важнейшим элементом в предыстории фанерозойских складчатых областей. Он проявляется не только в верхней, но и в нижней коре и в литосферной мантии, способствует реализации процессов утонения и разрыва континентальных плит, обусловливающих появление океанических бассейнов.
2. Установлено, что дорифейские блоки в складчатых областях сохраняют признаки ранних преобразований, фрагментарно отражающие историю формирования фундамента прилегающих платформ, и более поздних, связанных с его деструкцией. Предложен новый механизм обособления блоков фундамента и включения их в структуру складчатых поясов, основанный на различиях реологических свойств верхней и нижней коры.
2. На примере Урала установлена контрастность термодинамических режимов орогенного метаморфизма, выражающаяся в развитии комплексов повышенных давлений, с отчетливо проявленной сменой натриевого геохимического фона калиевым, и зональных комплексов умеренных и низких давлений, сменяющихся по простиранию метаморфических поясов.
4. Впервые выделены на Урале и охарактеризованы как самостоятельные типы метаморфических комплексов рифтогенные и ор'огенные бластомилониты. Комплексы рифтогенных бластомилонитов отождествлены с продуктами хрупко-пластичного течения материала нижней коры и литосферной мантии при эндогенном утонении и раздвижении плит. Орогенные гранитоидные бластомилониты контролируют региональные сдвиго-надвиговые структуры, формирующиеся на завершающих стадиях коллизионного процесса и фиксирующие растяжение орогенных поясов по простиранию. На основе детальных микрозондовых исследований выявлены некоторые
новые особенности развития метаморфических реакций при хрупко-пластичной деформации и, в частности, возрастание давления до 10-13 кбар в рекристаллизованном матриксе гранитоидных бластомилонитов.
5. Предложена новая типизация мигматитов метаморфических комплексов Урала, обосновывающая преимущественно инъекционную природу мигматитов орогенных комплексов, что свидетельствует об относительно невысокой эрозии этого герцинского сооружения и невскрытости уровней генерации гранитоидных раплавов.
6. Огромный объем оригинальных аналитических данных по составам сосуществующих минералов впервые для большинства типовых метаморфических комплексов Урала позволил обосновать фациальные условия их метаморфизма и дать количественные оценки РТ-параметров.
7. На основе анализа высокоточных внутренних минеральных Rb/Sr и Sm/Nd изохрон удалось установить возраст проградной кристаллизации эклогитов максютовского комплекса на Южном Урале (375±2 млн. лет) и марункеуского комплекса на Полярном Урале (355±1,4 млн. лет). Изохронные датировки отмечают время активности (поступления) свободного флюида, отсутствие или дефицит которого создает кинетические барьеры для реакций эклогитизации и обусловливает сохранность реликтовых парагенезисов и изотопных отношений. Фишн-трековые возрасты цирконов и апатитов, перекрывающиеся в области около 250 млн. лет, показывают, что постметаморфическое верхнекоровое охлаждение (эксгумация) эклогитовых комплексов происходило в начале мезозоя и было одновременным на Южном и Полярном Урале.
8. Участие в разработке общей модели развития линейных складчатых поясов на материках (Ivanov, Rusin, 1986) позволило создать тектоническую основу новой концепции развития метаморфических событий в полном крупном цикле формирования фанерозойских подвижных областей.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. Рекострукция
последовательности метаморфических событий в истории фанерозойских складчатых областей затрагивает фундаментальные основы геологических знаний и может способствовать совершенствованию металлогенических исследований. Так, обоснование обязательности проявления континентального рифтового метаморфизма в предыстории складчатых областей не только указывает на возможность обнаружения метаморфогенных месторождений, связанных с этими событиями, но и в целом позволяет дать более широкий прогноз на обнаружение месторождений рифтогенного класса. В такой трактовке обширная область к западу от Главного уральского надвига перспективна для постановки поисковых работ на полезные ископаемые, которые до последнего времени считались не типичными для Урала. Выявляются новые закономерности в локализации метаморфогенных месторождений, связанных с орогенным метаморфизмом. Приуроченность месторождений гранулированного кварца к эклогит-сланцевым комплексам (Кыштымская группа) и связь с калиевыми
гранитоидными бластомилонитами редкометально-редкоземельной камнесамоцветной минерализации открывают новые перспективы поисков и подчеркивают важность выделения бластомилонитов и для металлогенического анализа. В практических целях могут быть использованы и результаты метаморфического картирования, намечающие конкретные площади с повышенными концентрациями полезных метаморфических минералов, например, ставролита, который может быть успешно использован в качестве заменителя традиционных флюсов в металлургическом производстве.
АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на 27-й (Москва, 1984) и 28-й (Вашингтон, 1989) сессиях МГК, III и IV Международных симпозиумах по тектонике литосферных плит (Звенигород, 1987,1993), Международном совещании "Пермская система земного шара" (Пермь, 1991), Международной коференции EUG-10 (Страсбург, 1999), рабочих совещаниях международной программы ЕВРОПРОБА (Потсдам, 1995; Гранада, 1996; Москва, 1998; Мюнхен, 1999; С.-Петербург, 2000), Международной конференции "Закономерности эволюции земной коры" (С.-Петербург, 1996), V-VII Всесоюзных и I, II Всероссийских петрографических совещаниях (Алма-Ата, 1976; Ленинград, 1981; Новосибирск, 1986; Уфа, 1995; Сыктывкар, 2000), II-V Всесоюзных симпозиумах по метаморфизму (Ленинград, 1974; Свердловск, 1977; Апатиты, 1979; Винница, 1982), XII Всесоюзном металлогеническом совещании (Киев, 1990), I и II Всесоюзных совещаниях по металлогении докембрия (Ленинград, 1975; Иркутск, 1981), Совещании "Тектоника и некоторые проблемы металлогении раннего докембрия" (Москва, 1984), I и II Всесоюзных совещаниях "Докембрий в фанерозойских складчатых областях" (Новосибирск, 1980; Фрунзе, 1989), Всесоюзном совещании "Эволюция докембрийской литосферы" (Ленинград, 1991), Всесоюзных совещаниях по литологии и осадочной геологии докембрия (Москва, 1973; Алма-Ата, 1981), II Симпозиуме по проблеме "серых гнейсов" (Ленининград, 1982), Всесоюзных и Всероссийских совещаниях: Транитогнейсовые купола" (Иркутск, 1983), "Специфика докембрийского магматизма" (Ленинград, 1972), "Ультраосновные магмы и их металлогения" (Владивосток, 1983), "Тектоника и метаморфизм" (Москва, 1994), "Тектоника осадочных бассейнов Северной Евразии" (Москва, 1995), "Общие проблемы стратиграфии и геологической истории рифея Северной Евразии" (Екатеринбург, 1995), "Тектоника и геодинамика: общие и региональные аспекты" (Москва, 1998), "Докембрийско-раннепалеозойская история развития Урала" (Миасс, 1980), "Метаморфогенная металлогения Урала" (Миасс, 1988), "Тектоника, геодинамика и металлогения Урало-Тяныпанской складчатой системы (Свердловск, 1989), XII сессии Комиссии по определению абсолютного возраста геологических формаций (Москва, 1971), III-V Уральских (Свердловск, 1974,1981,1986) и II Казахстанском (Балхаш, 1974) петрографических совещаниях, многих региональных совещаниях по Уралу (Уфа, 1972; Актюбинск, 1974; Свердловск, 1984,1987; Миасс, 1990) и кристаллическому фундаменту Восточно-Европейской платформы (Минск, 1976; Киев, 1978,1979; Петрозаводск, 1978). По теме
диссертации опубликована одна коллективная монография ("Формирование земной коры Урала", 1986) и более 160 статей и тезисов, в том числе и в международных изданиях. Часть материалов изложена в рукописных отчетах по завершенным темам.
ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, заключения и 14 глав, объединенных в 4 части. Она включает 393 стр. текста с 34 таблицами, 140 рисунков и список литературы из 929 наименований. Аналитические данные по составам пород и минералов из различных типов метаморфических комплексов выделены в отдельный том "Приложений" объемом 169 стр.
БЛАГОДАРНОСТИ. Работа представляет .собой результат многолетних целенаправленных исследований автора, проведение которых было возможно только при постоянном понимании и поддержке академика В.А.Коротеева, членов-корреспондентов АН А.М.Дымкина и С.Н.Иванова, академиков КазССР А.А.Абдулина и Р.А.Борукаева, в различные годы бывших директорами Институтов. С благодарностью автор вспоминает своих казахстанских коллег: А.В.Авдеева, М.А.Касымова, В.Г.Кориневского, В.Н.Матвиенко, О.А.Рийконен, Н.СЯрославцеву, с которыми проводились совместные исследования в Мугоджарах. Полезными в те годы были полевые дискуссии по геологии докембрия, в которых принимали участие Г.И.Водорезов, A.B.Мидовский, Р.В.Гетлинг, И.Е. и Г.А.Костик, Р.А.Сегедин, В.И.Фонарев и другие знатоки геологии Мугоджар. Именно в полевых условиях в беседах и дискуссиях с А.В.Пейве, Н.А.Штрейсом, С.Н.Ивановым, А.С.Перфильевым проявился у автора в начале 70-х годов интерес к идеям мобилизма, переросший затем в убеждение. Этому способствовали как исследования в различных районах Урала и анализ достижений мировой науки, так и обсуждение результатов работ с коллегами по Институту: В.Н.Анфилоговым, А.А.Ефимовым, А.А.Краснобаевым, В.И.Ленных, В.А.Марксом, В.М.Нечеухиным, В.Н.Пучковым, Б.И.Чувашовым, Д.С.Штейнбергом, Г.Б.Ферштатером и др., которым автор весьма признателен, в том числе и за острую критику. В последние годы очень плодотворным было сотрудничество в рамках международной программы ЕВРОПРОБА с иностранными коллегами - H.Austrheim, J.Glodny, M.Beckholmen, J.F.Molina, B.Bingen, V.Pease, P.Montero, D.Seward. Особую благодарность автор испытывает к своему старшему коллеге по лаборатории С.Н.Иванову, исследования которого во многом определили современные представления об истории геологического развития Урала, генератору новых идей и наиболее близкому единомышленнику по пониманию природы метаморфизма в складчатых областях. Автор принателен О.В.Никифорову, А.Г.Носкову, Ю.П.Павлову, Д.В.Ворощуку, П.С.Козлову, С.Л.Неверовой, МЛ.Мальчуковой, О.М.Яковлевой и другим сотрудникам лаборатории метаморфизма, принимавшим в различные годы участие в организации, проведении и обработке результатов исследований, а также многим сотрудникам аналитических лабораторий ИГН АН КазССР и ИГГ УрО РАН.
10
Условные сокращения
- альбит и его номер Akt - актинолит Alm - альмандин Andl - андалузит Ank - анкерит Amf - амфибол Ваг - барруазит Bt - биотит Сс - кальцит СЫ - хлорит Chid- хлоритоид Cord- кордиерит Срх - клинопироксен Cros- кроссит Cum - куммингтонит Czo - клиноцоизит Di - диопсид East- истонит En - энстатит Ер - эпидот fPhn- феррифенгит G1 - глаукофан Gr - гранат Gros - гроссуляр НЬ - роговая обманка Нет - гематит Hyp - гиперстен Um - ильменит Jd - жадеит Kfsp - калишпат Ку - кианит
Mgst - магнезит
Mi - микроклин
Ми20 - мусковит и сод. Prg
Mt - магнетит
01 - оливин
Орх -ортопироксен
Ort - ортоклаз
РЫ - флогопит
Phn - фенгит
Pli5 - плагиоклаз и его номер
Рг - пренит
Prf - пирофиллит
Prg - парагонит
Pum - пумпеллиит
Руг - пироп
Q - кварц
Rib - рибекит
Rt - рутил
Sea - скаполит
Ser - серицит
Serp - серпентин
Sf-сфен
Sid - сидерит
Sill - силлиманит
Spes - спессартин
Spi - шпинель
St - ставролит
Stp - стильпномелан
Та - тальк
Zo - цоизит
Wn- винчит
F=FexlOO/(Fe+Mg), ат.% - общая железистость f=Fe3+ xl00/(Fe3++Al), ат.% - железистость эпидота fo=Fe3+xl00/(Fe3++Fe2+) - коэффициент окисления железа A1VV(A1VI+Fe3+) - глаукофановый компонент
11
Часть I. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ
Г л а в а 1 . Развитие взглядов на природу метаморфизма в подвижных областях и
вопросы типизации метаморфизма
Принято считать (Елисеев, 1963; Миясиро,1976; и др.), что концепция метаморфизма начала свое развитие с труда Джеймса Хеттона "Теория Земли" (1795 г.), подводящего итог великого спора нептунистов и плутонистов (Хеллем, 1985). По мнению Хеттона, кристаллические сланцы Шотландских нагорий могли возникнуть за счет осадочных пород при погружении в глубины Земли под воздействием высоких температур и давлений. Термины "метаморфизм" и "метаморфические породы" появились в первой половине XIX века и стали популярными после издания "Основ геологии" Чарлза Лайеля в 1833 году. На приуроченность регионально метаморфизованных пород к орогенным поясам обратили внимание Дж.Холл и Дж.Д.Дена, выдвинувшие по материалам исследования западных Аппалачей концепцию геосинклиналей. В качестве причин метаморфизма геосинклинальных толщ ими рассматривались высокие температуры и давления, а также глубинные деформации. Таким образом, уже к началу XX века сформировалось представление о том, что метаморфизм отражает прежде всего физические условия существования горных пород и обусловлен как температурой и давлением (глубинностью), так и механическими движениями горных масс. Стало общепринятым подразделение метаморфизма на контактовый, связанный с термальным воздействием интрузивов на вмещающие породы, и региональный, причины проявления которого на долгие годы стали предметом оживленных дискуссий, не завершенных и в настоящее время.
В качестве самостоятельного раздела геологических знаний учение о метаморфизме оформилось в первой половине нашего столетия (Добрецов и др., 1970; Миясиро, 1976; и др.). Этому предшествовали установление большого разнообразия регионально метаморфизованных пород, открытие прогрессивной метаморфической зональности, выделение и разработка концепции метаморфических фаций, микроструктурный анализ и структурные исследования метаморфических комплексов, постоянно пополняющиеся объемы экспериментальных и эмпирических данных. Все это в той или иной степени учитывалось при обсуждении природы метаморфизма в складчатых областях и приводилось в соответствие с господствовавшей в этот период геосинклинальной концепцией (Тернер, 1951). В зависимости от того, какому из процессов и (или) факторов метаморфизма отводилась ведущая роль, формировались отдельные школы исследователей, развивавшие различные направления. Автор не ставит своей целью анализ хронологии и оценку вклада отдельных исследователей в развитие учения о метаморфизме, что уже сделано в цитированных выше и других работах, и в дальнейшем попытается сосредоточить внимание на том, какое влияние достижения этого периода оказывали на понимание природы метаморфизма.
12
Связь «регионального метаморфизма» с орогенным этапом развития складчатых областей практически никогда не ставилась под сомнение и только из-за широкого распространения этого термина он не был переименован в "орогенный метаморфизм" (Судовиков, 1964). В понимании же причин его проявления мнения сильно различались. Одни исследователи подчеркивали ведущую роль высокой температуры на глубине и часто связывали ее с внедрением интрузивных масс, другие - выделяли главенствующее значение всестороннего и (или) направленного давления и деформационных движений. Так, первооткрыватель метаморфической зональности в далрэдской серии Шотландских нагорий, получившей в последующем его имя, Дж.Барроу связывал прогрессивные изменения минерального состава при метаморфизме с древними гранитами, т.е. как процесс аналогичный контактовому метаморфизму, но происходящий на очень большой глубине. Первая же "барическая" классификация регионально метаморфизованных пород, вошедшая во все учебники под названием зон глубинности Бекке - Грубенмана или Грубенмана - Ниггли, рассматривала температуру, давление и деформации как функции глубинности. Для наименее глубинной эпизоны предполагались низкие Р и Т, но интенсивная деформация, а для самой глубинной катазоны - высокие Р и Т и слабая деформация. Мезозона характеризовалась промежуточными условиями. Результаты этих пионерских исследований, наглядно продемонстрировавших зависимость минеральных парагенезисов от РТ-условий, предопределили развитие одного из важнейших направлений метаморфической петрологии - учения о фациях.
Фациальный анализ метаморфических пород, основы которого были заложены В.М.Голдшмидтом и П.Эскола, развитый в работах крупнейших петрологов первой половины нашего столетия (С.Е.Тилли, Т.Фогта, Т.Ф.Барта, Г.Рамберга, Ф.Дж.Тернера и др.) и получивший в то время строгое научное обоснование в трудах Д.С.Коржинского и Дж.Б.Томпсона, стал главным методом, позволившим доказать неразрывную связь изменения физических условий существования горных пород с химическими преобразованиями их минерального состава (Добрецов и др. 1970; Миясиро, 1976; и др.). Возможность количественной оценки Р и Т параметров, на основе парагенетического анализа минеральных равновесий, экспериментальных данных и термодинамических расчетов, обусловила появление фациальных классификаций метаморфических пород, непрерывно совершенствующихся по мере накопления новых данных. Общая тенденция - более обоснованная оценка роли давления, точнее соотношений Р и Т, а также границ фаций и субфаций. В большинстве классификаций этого периода (Eskola, 1939; Ramberg, 1952; Тернер, 1951; Файф и др., 1962) дается трехчленное деление метаморфических пород по давлению. На петрогенетических РТ-диаграммах контактовому метаморфизму отводится поле низких давлений, а регионально метаморфизованные породы занимают области высоких (эклогиты и глаукофановые слацы) и умеренных Р. Таким образом утверждается мнение о непрерывности перехода от контактового к региональному метаморфизму, что как будто бы оправдывает употребление очень неопределенного термина
13
"регионально-контактовый". Структурная изотропность контактовых роговиков и непременное развитие кристаллизационной сланцеватости в регионально метаморфизованных породах, т.е. признаки, несомненно связанные с физическими условиями метаморфизма, для целей фациального анализа значения не имеют. Главными факторами метаморфизма считались температура и общее давление, хотя давлению часто отводилась второстепенная роль (Тернер, 1951). Выработке такого представления предшествовала длительная дискуссия.
Причины сланцеватости регионально метаморфизованных пород обсуждались с разных позиций. Одни исследователи, вслед за Ван-Хейзом, отводили ведущую роль ориентированному давлению ("стрессу"), что наиболее выразительно проявилось в некогда популярной концепции "стресс-минералов" А.Харкера (1937). Другие -связывали разнообразные текстурные особенности метаморфических пород с механическими деформациями при разных температурах. Основным методом исследования деформаций стал микроструктурный анализ, разработанный Б.Зандером и В.Шмидтом (Елисеев, 1963). Учение о деформациях горных пород развивалось независимо от физико-химического направления, но оказывало влияние на общегеологические классификации регионального метаморфизма. Выделялись наряду с "термическим", "геотермическим", "статическим" или "метаморфизмом нагрузки", в которых деформации связывались с направленным давлением, такие типы как "динамотермический", "динамический", "дислокационный", "катакластический" и другие, прямо указывающие на связь с механическими деформациями или сдвигом при стрессе. Иногда предполагалось, что теплота возникает из механической энергии во время деформации, в том числе и при орогенном тангенциальном сжатии. Использование микроструктурного и структурного методов исследования регионально метаморфизованных пород выявило, что многие комплексы испытали неоднократные деформации, на что указывали различные ориентировки реконструируемых полей напряжений. Предполагалась в таких случаях многоэтапность метаморфизма и связь его с какими-то из фаз деформаций, обусловленных орогенным сжатием. Часто это порождало дискуссии, даже для такого изученного региона как Шотландские нагорья. Возможность деформаций в связи с процессами растяжения не обсуждалась.
В понимании природы метаморфизма складчатых областей к середине прошлого столетия господствовало представление, описываемое формулой Г.Штилле: орогенное тангенциальное сжатие - складчатость - гранитный плутонизм - метаморфизм. Иногда предполагалось, что и накопление геосинклинальных толщ может сопровождаться метаморфическими преобразованиями пород на глубине, которые при дальнейших событиях как правило не сохраняются. В качестве источников тепловой энергии указывались глубокие недра Земли, радиактивный распад, интрузии горячей магмы и деформации. Последним двум источникам отводилась второстепенная роль. Причины сланцеватости регионально метаморфизованных пород связывались с вертикальной нагрузкой ("раздавливанием"), что обосновывалось отсутствием очевидной связи степени метаморфизма и деформированности пород, определяемой складчатостью,
14
либо с горизонтальным сжатием при складчатости. Утвердилось мнение, что деформация оказывает важное каталитическое влияние, способствуя химическому приспособлению пород к конкретным РТ-условиям. Усиление эндогенной активности связывалось с центральными зонами орогенов и с глубиной (Тернер, 1951). Глубина рассматривалась как главный фактор, определяющий температуру и давление при метаморфизме. Допускалось, что поднятие магмы вдоль осей орогенных поясов могло способствовать перемещению изотермических поверхностей и проявлению высокотемпературного метаморфизма на меньшей глубине, чем в краевых областях. При интенсивной магматической деятельности температура метаморфизма может контролироваться не глубиной, а интрузиями. Выделение орогенического и плутонического типов метаморфизма Г.Ридом (Read, 1952) как раз и предусматривало именно такую последовательность событий.
Особенно интенсивное развитие различных направлений учения о метаморфизме началось с 60-х годов прошлого столетия. Предложенная А.Миясиро (Miyashiro, 1961) концепция фациальных серий, вводящая понятие "метаморфические пояса", впервые поставила вопрос о причинах различия термодинамических режимов метаморфизма в крупных структурах земной коры. Выделенные им три основных (андалузит-силлиманитовая, кианит-силлиманитовая и жадеит-глаукофановая) и две промежуточные серии фаций показьшали закономерность изменения РТ-параметров и связывались с колебаниями геотермических градиентов в различных геоструктурах. Сделана первая попытка проследить эволюцию проявления разноградиентного метаморфизма в истории формирования земной коры. Концепция фациальных серий очень быстро завоевала популярность и получила дальнейшее развитие в трудах многих исследователей (Hietanen, 1967; Винклер, 1969; Добрецов и др., 1970; Глебовицкий, 1973; Кориковский, 1979; и др.). Понятие "фациальная серия" стало использоваться во всех классификациях метаморфических и минеральных фаций, однако содержание его у различных авторов имело неодинаковый смысл.
А.Хиетанен (Hietanen, 1967), развивая представление А.Миясиро, о том что каждый регион прогрессивного метаморфизма имеет свою собственную фациальную серию, выделила девять барических типов метаморфизма (контактовый, японский, бучанский, пиренейский, мичиганский, айдахский, барровианский, саксонский, альпийский), каждый из которых характеризовался своей последовательностью метаморфических фаций и мог быть диагносцирован типовыми парагенезисами, а также закономерными изменениями составов сосуществующих минералов. Переходы одного типа метаморфизма в другой и более крутые положительные или отрицательные линии РТ-градиентов, по мнению А.Хиетанен, могут свидетельствовать о наложении нескольких эпизодов метаморфизма.
ВА.Глебовицкий (1973) рассматривал фациальные серии как понятие классификационное. Выделенные им серии А 1-3 , АБ, Б 1,2 представляют на петрогенетической решетке прямые линии, положение которых определяется различными отношениями Т/Р. Они не отражают естественных ассоциаций фаций, но
15
принадлежность зональных комплексов к одной из серий может указывать на постоянство термодинамического режима метаморфизма в конкретном регионе.
В схеме фаций Н.Л.Добрецова и др. (1970) выделяются 4 группы: А - фации низких давлений, примерно соответствующих контактовому метаморфизму; В - фации средних давлений, соответствующих "обычному" региональному метаморфизму; С -фации высоких давлений, определяемых как "локальный" метаморфизм тектонических зон или зон "глубинных разломов"; D - фации сверхвысоких давлений (в мантии). Граница между группами ("сериями") фаций А и В расплывчатая, допускающая постепенный переход от контактового к региональному метаморфизму, а для группы С - очерчена некоторыми твердофазными реакцими (Sill - Ку, Ab+Ne=2Jd и др.). В этой схеме вводится значительное ограничение в понятие регионального метаморфизма, к которому относится по сути лишь андалузит-силлиманитовая серия А.Миясиро, обосновывается отказ о связи давления только с глубинностью и приводится абсолютная градуировка Р, в два раза превышающая значения, принятые в других классификациях. В качестве возможных причин надлитостатических нагрузок указываются тектоническое и флюидное сверхдавление или "автоклавный эффект".
Концепция фациальных серий А.Миясиро, обосновавшая принципиальную возможность существования природных ассоциаций метаморфических пород, сформированных при различных РТ-градиентах и закономерно связанных с определенными структурами земной коры, явилась основанием для новой дискуссии по проблемам фациального расчленения метаморфических пород. В петрогенетических схемах, наряду с традиционными наименованиями, предложенными еще П.Эскола, появляются новые подразделения по давлению амфиболитовой и гранулитовой фаций (Винклер,1969; Глебовицкий, 1973; Hietanen, 1967; и др.), водятся некоторые новые наименования фаций повышенных давлений (Добрецов и др., 1970) и контактового метаморфизма (Ревердатто, 1970), расширяется область низкотемпературного метаморфизма за счет выделения пренит-пумпеллиитовой и цеолитовой фаций (Кумбс,1963). Получает распространение метод выделения минеральных фаций (Маракушев, 1965), учитывающий не только физические (Р,Т), но и геохимические условия минеральных равновесий метаморфических и метасоматических пород. Названия минеральных фаций и субфаций по важнейшим парагенезисам переходят и в унифицированные фациальные схемы (Глебовицкий, 1973; и др.) и иногда почти полностью вытесняют традиционные наименования (Кориковский, 1979). В крайнем случае (Винклер, 1979) предлагается выделять не фации и субфации, а ступени метаморфизма от очень низкой до высокотемпературной в условиях различных Р. Последняя точка зрения аргументируется тем, что очень трудно увязать минеральные ассоциации, при очень большом разнообразии их составов, с определенными температурами и давлениями.
Разработка унифицированных фациальных схем действительно представляет собой очень сложную проблему. Классификация фаций П.Эскола основывалась на анализе парагенезисов богатых кальцием метабазитов, степень изученности которых
16
несравненно ниже, чем парагенезисов метапелитов (Кориковский, 1979). Многие минеральные реакции в метапелитах изучены экспериментально и разработанные на основе экспериментов и термодинамических расчетов геологические термобарометры (Перчук, 1970; Перчук, Рябчиков, 1976; Глебовицкий и др., 1977; Авченко, 1990; и др.) казалось бы должны были привести к сходной топографии границ на петрогенетической решетке, хотя бы для бедных кальцием пород, но этого не произошло. Зависимость минеральных равновесий не только от исходного состава субстрата, но и от флюидного режима метаморфизма, основные параметры которого (соотношение давлений на флюид и твердые фазы, состав флюида и парциальные давления основных его компонентов - воды, углекислоты и др.) определяются гипотетически, не позволяет однозначно интерпретировать результаты экспериментов. Температуры реакций дегидратации, составляющих основу практически всех фациальных схем, в значительной степени зависят от парциального давления НгО во флюиде. Используя модели постоянного давления НгО (Маракушев, 1968), закономерного уменьшения его по мере возрастания давления и (или) температуры (Добрецов и др., 1970; Глебовицкий, 1973), изменения с экстремумом (Перчук, 1973; Кориковский, 1979), можно получать на РТ-диаграммах несовпадающие конфигурации линий мономинеральных равновесий для одних и тех же реакций. Причины же изменения содержания НгО во флюиде могут быть различны. Иногда предполагается привнос в глубинные зоны из мантии СОг и других мобильных компонентов, избирательное поглащение воды расплавами при ультраметаморфиме либо обогащение флюида углекислотой в результате реакций декарбонатизации при наличии карбонатных прослоев, а также окисления углистого материала. Такие причины позволяют делать лишь грубо приближенными оценки состава флюидов.
Несомненно прогрессивным представляется опыт разработки схем фаций для отдельных типов пород (Кориковский, 1979) и введение понятия "истинная изограда", характеризующего наиболее раннюю реакцию возникновения индекс-минералов и отвечающего самым низким температурам их устойчивости. Такой подход открывает перспективу количественной оценки температурных интервалов границ фаций, а также корреляции их в породах различного состава. Пока же проблема сопоставления объемов и границ фаций метапелитов и метабазитов решается очень приближенно. Выделяя сегодня зеленосланцевую или эпидот-амфиболитовую фации исследователь должен обязательно указать, что она выделяется в соответствии с такой-то из опубликованных схем, либо на основе таких-то моновариантных реакций. Так, высокотемпературная граница эпидот-амфиболитовой фации может соответствовать устойчивости парагенезисов со ставролитом (Hietanen, 1967) либо мусковита с кварцем (Добрецов и др., 1970), проводиться по появлению ромбических амфиболов (Глебовицкий, 1973), а нижняя - по изограде альмандина либо роговой обманки. В схемах же, где эпидот-амфиболитовая фация не выделяется обычно зона граната относится к зеленосланцевой фации (Винклер, 1969; Кориковский, 1979). Вызывает дискуссии проведение низкотемпературной границы гранулитовой фации в
17 |
