Метаморфические породы, рожденные теплом и давлением

Породы, возникшие в результате термального метаморфизма, поясами окружают бывшие внедрения раскаленной магмы и не занимают сколько-нибудь больших площадей. С точки зрения масштабности процесса термальный метаморфизм можно назвать локальным.

Значительно шире распространены метаморфические породы, возникшие при преобразовании горных пород в опущенных участках земной коры под влиянием тепла и давления. Такие породы распространяются на сотни, а то и на тысячи километров, охватывая большие площади или регионы. Поэтому изменения горных пород, вызванные одновременным влиянием тепла и давления, называют региональным метаморфизмом.

Проследим этот процесс на примере осадочных пород. Отложившийся на дне моря илистый осадок состоит из мельчайших частичек глинистых минералов (каолинита, монтмориллонита, гидрослюды и др.), пропитанных водой. Слеживаясь и уплотняясь, он переходит в глину. Предположим, что глина окажется на глубине одного километра. Условия здесь иные. Прежде всего усилится давление, достигнув 300 кг на 1 см²; увеличится и температура, примерно на 30°. Этих изменений уже достаточно для того, чтобы из глины стала уходить вода. Начинается превращение глинистых минералов в маловодные алюмосиликаты - гидрослюды, хлориты и др. Пластичная глина переходит в аргиллит - окаменевшую глину.

Давление, под влиянием которого ил уплотнился и перешел в глину и аргиллит, обусловлено весом вышележащих пород. В местах, где пласты смяты в складки, к нему еще добавляется боковое давление. Оно всегда направлено в определенную сторону, поэтому его также называют ориентированным давлением. В подвижных участках земной коры, где сильнее всего проявляется метаморфизм, «работают» оба давления. Глины превращаются в такие широко распространенные горные породы, как глинистые сланцы. Ими сложены, например, хребты Центрального Кавказа и Горного Крыма.

Превращение в глинистый сланец - только первый этап метаморфизма глинистых пород. Следующий ряд изменений наступит тогда, когда глинистые сланцы опустятся еще глубже, скажем, на 5-10 км, а окружающая температура повысится на несколько сот градусов. В новой обстановке глинистые сланцы испытают коренные изменения; они перекристаллизуются в твердом состоянии при участии растворов, пропитывающих породу. Химические элементы, входящие в глинистый сланец,- кремний, алюминий, железо, кальций, магний, натрий и калий,- группируясь в новых условиях, образуют вместо первоначальных низкотемпературных минералов высокотемпературные. Сначала возникают белая и черная слюда, кордиерит, затем полевые шпаты, амфиболы, пироксены и др.

Так образуются метаморфические породы, в которых, как правило, не сохраняются следы их прошлого. В бесполевошпатовых породах хорошо выражена способность при ударе раскалываться на пластинки и плиточки (эта способность называется сланцеватостью), поэтому такие горные породы именуют кристаллическими сланцами. Породам с полевыми шпатами свойственна полосчатость. Такие породы называют гнейсами.

При метаморфизме неглинистых пород образуются другие минералы, но возникшие метаморфические породы будут также сланцеватыми или гнейсовидными. Если же исходная порода состоит из одного минерала, при метаморфизме ее минеральный состав не меняется, но строение преобразуется коренным образом. Кремнистые породы и кварцевые песчаники превращаются в кварциты, а примесь глинистого материала дает слюду. Межзерновые растворы при высокой температуре активизируются, частично растворяют кварцевые песчинки и тотчас отлагают кремнезем, образуя крупные зерна кварца, тесно примыкающие друг к другу. Все зерна перекристаллизовываюются одновременно, «теснят» друг друга, поэтому форма зерен неправильная, они соприкасаются между собой по неровным зубчатым контурам.

В очень красивом малинового цвета кварците из поселка Шокша в Карелии под микроскопом видно, что порода состоит из круглых зерен кварца и редко встречающихся зерен полевого шпата, окруженных тонкой «рубашкой» окислов железа. Именно железо и придало породе красную окраску. Другая интересная особенность шокшинского кварцита состоит в том, что круглые зерна кварца намертво скреплены зубчатыми и лапчатыми языками кварцевого цемента. Вот отчего у шокшинских кварцитов такая исключительная прочность.

Мрамор - метаморфическая порода, образовавшаяся путем перекристаллизации известняка. При этом мелкие зерна, перекристаллизовываясь в крупные, попутно очистились от примеси глинистого материала, превратившегося в слюду.

При метаморфизме взаимодействуют не только минералы породы, но и различные горные породы друг с другом. Известно немало примеров контактово-реакционных явлений, когда при метаморфизме смежные породы влияли друг на друга. Онотское месторождение талька в Восточном Саяне образовалось в результате взаимодействия пластов магнезита и амфиболита. На контакте двух пород при деформации возникли трещины, по которым двигались метаморфизующие растворы. Они заполняли поры и трещинки, переводя в раствор часть химических элементов из окружающих горных пород. Раствор, пропитывающий магнезит, был богат магнием, насыщавший амфиболит - кремнием. Встречаясь, растворы вступали в реакцию, образовав на границе магнезита и амфиболита скопление чистейшего безжелезистого талька.

Большую роль в жизни первобытного человека сыграли скопления метаморфического минерала нефрита. Обычно он встречается в виде глыб, валунов и галек во вторичном залегании. Минералог о нефрите скажет, что это плотный агрегат волокнистого амфибола актинолита или тремолита. Любопытно, что ни актинолит, ни тремолит не относятся к очень твердым минералам и в этом отношении заметно уступают такому распространенному минералу, как кварц, но спутанноволокнистый агрегат их кристаллов, своим строением очень похожий на войлок, обладает исключительной прочностью. Чтобы раздробить нефрит, нужно приложить усилия примерно в три раза больше, чем для разрушения такой очень крепкой горной породы, как гранит.

Замечательная прочность нефрита была известна еще в далекой древности и сделала его необходимым материалом для первобытного человека. Нефритовые ножи и наконечники для стрел, топоры, молотки и другие орудия человека каменного века найдены при раскопках свайных домов швейцарских озер, на побережье Байкала, в древних постройках Микен, на далеких островах Карибского моря, у маори Новой Зеландии и в ряде других мест. В то далекое время нефрита было мало и изделия из него передавались из поколения в поколение и служили веками.

Позже нефрит из материала для грубых орудий первобытного человека стал материалом для художественных работ. Больше всего в этом преуспели индийские и китайские камнерезы, воплотившие великолепные творческие замыслы в нефрите.

Позднее нефрит стал излюбленным материалом и в европейском камнерезном искусстве, из него были созданы изящные изделия, ставшие предметом всеобщего восхищения на всемирных выставках XIX и XX вв.

В одной из витрин Эрмитажа выставлен тонкостенный, словно яичная скорлупа, темно-зеленый флакон для духов, покачивающийся на двух цепочках. Трудно себе представить, что эта ажурная вещичка вырезана из прочнейшего нефрита - именно из той горной породы, глыбу которой пытались расколоть под прессом на одном из заводов немецкого стального короля Крупна. Первая попытка разбить глыбу нефрита завершилась так: стальная наковальня раздробилась на куски, а нефрит...остался целым!

Нефрит в массе непрозрачен, но в тонких пластинках просвечивает. Чаще всего нефритовые глыбы и гальки окрашены в желтовато-зеленый цвет увядшей травы, но встречаются и других цветов - молочно-белые, серые, темно-зеленые и даже черно-зеленые, почти черные. Красочно о цветовой гамме нефрита пишет китайский историк: «Пять цветов у него - белый, как баранье сало или сливки, желтый, как каштаны, сваренные в кипящей воде, черный, как вакса или лак, красный, как гребень петуха или помада для губ; но самым разнообразным является ию (нефрит.- В. Л.) зеленый, а самым дорогим - серый, цвета плевка» (Ферсман А. Е. Очерки по истории камня. Т. I. M., Изд-во АН СССР, 1954, с. 252. ).

Нефрит образовался путем изменения ультраосновных пород на контакте с основными под влиянием поднимавшихся горячих растворов. Как правило, месторождения встречаются в высоких и труднодоступных горах, поэтому издавна предпочитают разрабатывать глыбы и валуны нефрита в речных долинах, где они находятся во вторичном залегании. В результате выветривания от месторождения отделялись глыбы и скатывались вниз.

Во всем мире месторождений нефрита мало. Это обстоятельство связано с особенностями образования и с тем, что он слагает мелкие выходы, при беглом осмотре обычно замечаемые.

Старинными центрами добычи нефрита на Востоке были города Хотан и Яркенд в предгорьях одного из самых грандиозных горных сооружений мира - хребта Кунь-Лунь. В XIX в. отважные путешественники Рихтгофен, Громбачевский, Богданович и другие с риском для жизни поднялись на дикие вершины Кунь-Луня и получили точные данные о месторождениях китайского нефрита.

Первые сведения о сибирском нефрите появились в 20-х годах прошлого века. В 50-е годы энтузиаст камня горный инженер Г. М. Пермикин отправился на поиски камня в Саянские горы. По бурным рекам Оноту, Урику, Хороку, Оспа и другим, стекающим с высоких гольцов (гор, лишенных растительности), он обнаружил валуны нефрита. Следовательно, в верховьях рек должны были находиться коренные месторождения. Но долгое время найти их не удавалось. И только после многолетних поисков и странствий, порой в невероятно трудных условиях и с опасностью для жизни, Г. М. Пермикин обнаружил первое коренное месторождение нефрита в верховьях ручья Сахангор. В результате одной из экспедиций он вывез 150 пудов (2400 кг) нефрита, причем 12 крупных валунов весили 75 пудов. Кроме них был гигант - его масса измерялась 50 пудами! Глыба оказалась настолько неудобной для перевозки, что ее не довезли до Иркутска и оставили на Московском тракте. Восемь тонн саянского великолепного поделочного нефрита поступило на Петергофскую гранильную фабрику. После искусной обработки камнерезами в тонких пластинках, абажурах и колпачках на лампах проступил великолепный сочный зеленый тон с прелестным узором из жилок, складочек и пятен.

Ныне саянский нефрит широко используется для изготовления перстней, запонок, кулонов и других ювелирных изделий.

На глубинах не менее 40 - 50 км образовалась чрезвычайно своеобразная метаморфическая порода - эклогит. Она довольно редко встречается на земной поверхности. У нас эклогит известен на Полярном Урале вблизи Байдарацкой губы, на Южном Урале, в Казахстане, за рубежом - в Польше, ФРГ, штате Калифорния в США и в некоторых других странах.

Несмотря на небольшое распространение эклогитов на поверхности Земли, многие геологи, занимающиеся изучением состава и строения глубинных частей планеты, придают им большое значение. Они считают, что масса эклогитов не только возрастает в земной коре с глубиной, но что ими сложена нижняя часть земной коры и подстилающая ее верхняя мантия, по крайней мере под материками.

Типичный эклогит - темная мелко- или среднезернистая порода, состоящая из особой разновидности пироксена-омфацита и граната. Химический состав эклогита и габбро одинаков, но они различаются по минеральному составу, в эклогите вместо плагиоклаза появился гранат.

Разгадка образования эклогита выяснилась после опытов с кристаллизацией расплавленного базальта под большим давлением. Оказалось, что из расплава базальта под давлением в несколько тысяч атмосфер вместо плагиоклаза образуется гранат. Это значит, что базальтовый материал в недрах Земли на глубине в несколько десятков километров неустойчив и метаморфизуется с распадом плагиоклаза и образованием граната. Так возникла гипотеза об эклогитовом составе нижней части земной коры и верхней части мантии Земли.