Структурогенез метаморфических горных пород

Московский Государственный университет им. М.В.Ломоносова
ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
КАФЕДРА ПЕТРОЛОГИИ
ПРОГРАММА
спецкурса
“СТРУКТУРОГЕНЕЗ МЕТАМОРФИЧЕСКИХ ГОРНЫХ ПОРОД”
для студентов IV курса специальности «петрология»
Составил:
доцент, кандидат геол.-мин. наук
В.О.Япаскурт
Москва, 2002 год.
Название курса: «Структурогенез метаморфических горных пород».
Цели преподавания курса: дать студентам-петрологам главнейшие сведения о
структурах и текстурах метаморфических горных пород, механизмах и условиях их
формирования и методах исследования.
Задачи курса: студенты должны овладеть методиками изучения и описания
структур и текстур метаморфических горных пород и освоить их применение для решения
комплекса петрологических задач: парагенетического анализа, минералогической
термобарометрии, структурной петрологии, микротектоники, относительной и
абсолютной (изотопной) геохронологии.
Объем курса: лекции - 24 часа, лабораторные работы и семинары - 12 часов, всего
- 36 часов.
Содержание курса: курс читается в седьмом семестре и является логическим
продолжением учебных курсов по минералогии и петрографии. Знания основ
минералогии и петрографии метаморфических горных пород является необходимой базой
для освоения методов структурной петрологии. В тоже время курс «Структурогенез
метаморфических горных пород» является прелюдией к учебным и специальным курсам
«Термодинамика породообразующих минералов», «Теория фазового соответствия в
минеральных системах» и «Формации метаморфических горных пород», поскольку
методы структурной петрологии являются неотъемлемой частью любых петрологических
исследований.
Лекционная часть курса закрепляется лабораторными работами, семинарами и
индивидуальной работой студентов. Эти виды работ проводятся параллельно с лекциями.
Структурная петрология – раздел петрологии, изучающий структуры (в самом
широком смысле этого слова) горных пород, условия и механизмы их образования.
Реконструкция условий и механизмов образования структур и текстур в реальных горных
породах – основная задача микроструктурного анализа. В сознании многих геологов
укоренилось представление, что микроструктурный анализ – это метод реконструкции
полей тектонических напряжений путем анализа результатов пластических и хрупких
деформаций, запечатленных в структурах горных пород. Однако это – всего лишь одна из
многочисленных задач микроструктурного анализа. В англоязычной литературе для
раздела структурной петрологии, изучающего влияние различных типов деформаций на
структурный облик пород, и методов микроанализа, призванных решать обратную задачу,
используется термин «микротектоника». Таким образом, курс «Структурогенез
метаморфических горных пород» призван познакомить студентов со всеми
существующими на сегодняшний день методиками исследований структур и текстур
метаморфических горных пород (включая и методы микротектоники) и
проиллюстрировать возможности этих методов для исследований в различных областях
геологии, петрологии и геохронологии.
ЧАСТЬ I. Структурогенез и структурная петрология.
1. Введение. Структурная петрология, микроструктурный анализ и
микротектоника.
2. Структуры и текстуры метаморфических горных пород. Структурогенез.
2.1. Понятие структуры и текстуры горной породы. Определение. Классификация
структурных и текстурных элементов. Общие принципы описания структур горных
пород.
2.2. Важнейшие структуры и текстуры метаморфических горных пород.
2.3. Механизмы структурогенеза.
2.3.1. Движущие силы структурогенеза.
2.3.2. Факторы структурогенеза и их роль в формировании структур и текстур.
2.3.2.1. Температура. Перегрев и переохлаждение.
2.3.2.2. Концентрации минералообразующих компонентов. Равновесные
концентрации, пересыщение.
2.3.2.3. Давление. Эллипсоид деформаций. Давление литостатическое,
стрессовое и внутрикристаллическое.
2.3.2.4. Летучие компоненты, их состав и количество.
2.3.3. Поверхностные эффекты на границе «кристалл – минералообразующая среда»
и их влияние на структурогенез. Парциальная и интегральная поверхностная
энергия.
2.3.4. Деформационные и миграционные механизмы структурогенеза. Представление
о кристаллической решетке, точечных, линейных и объемных дефектах,
различных
типах
дислокаций
кристаллической
решетки.
Роль
внутрикристаллических дефектов и дислокаций для структурогенеза.
2.3.4.1. Точечные дефекты в кристаллической решетке. Вакансии, примеси
замещения, межузловые ионы и атомы, дефекты Шоттки и Френкеля.
Механизмы внутрикристаллической диффузии компонентов и вакансий.
Эффект Френкеля. Роль точечных дефектов в процессах деформации
кристаллического вещества.
2.3.4.2. Одномерные (линейные) дефекты – дислокации. Дислокации краевые
и винтовые. Миграции дислокаций в деформируемой кристаллической
решетке. Аннигиляция краевых дислокаций. Дислокационный креп.
2.3.4.3. Двумерные дефекты – поверхности. Поверхности кристаллического
зерна.
Внутризерновые
поверхности:
когерентные,
частично
когерентные и некогерентные границы. Малоугловые границы между
блоками кристалла (субзернвые границы) – дислокационные стенки.
Границы двойников. Возникновение внутризерновых границ (границ
субзерен, двойников) на стадиях роста и деформации кристаллов.
Превращение внутризерновых границ в межзерновые.
2.3.4.4. Трехмерные дефекты: включения и блоки. Блочность, мозаичность и
отщепления кристаллов. Основные типы включений. Влияние
деформаций и внешних условий на появление и развитие трехмерных
дефектов в кристаллах.
2.4. Нормальный (гранный) и скелетный (реберный и вершинный) механизмы роста
кристаллов. Влияние различных типов дефектов на процесс роста кристалла.
2.5. Стадийность (генерационность) процесса роста кристаллов и минеральных зерен.
2.5.1. Одноактная (моногенерационная) кристаллизация.
2.5.2. Полигенерационная кристаллизация.
2.5.3. Регенерация.
2.5.4. Пульсационная (осциллятивная) кристаллизация.
3. Морфологические типы минеральных зерен и агрегатов в метаморфических
горных породах.
3.1. Понятия «зерно», «кристалл», «зародыш» и «центр нуклеации» и принципиальные
различия между ними.
3.2. Зерна. Морфологические и генетические типы зерен и их поверхностей. Морфология
зерен минералов в моно- и полиминеральных агрегатах, возникающих в ходе
твердофазовых процессов. Влияние стрессовых нагрузок на морфологию зерен в
моно- и полиминеральных агрегатах. Роль флюидной фазы и флюидного режима в
формировании структурного облика минеральных агрегатов.
3.3. Порфиробласты. Морфологические типы порфиробластов. Способы и механизмы
образования порфиробластов. Порфиробласты моно- и полицентрические.
Особенности внутреннего строения порфиробластов. Морфологические типы
поверхностей порфиробластов.
3.4. Включения. Классификация включений по компонентному составу. Минеральные
включения. Морфологические и генетические типы включений. Включения
протогенетические и сингенетические. Проблема постгенетических включений.
3.4.1. Протогенетические включения. Включения реликтовых фаз (реагентов) и
инертных фаз минералообразующей среды. Способы и механизмы захвата
минералообразующей
среды
растущим
кристаллом
или
зерном.
Морфологические отличия и особенности расположения протогенетических
включений реликтовых и инертных фаз в зерне минерала-хозяина.
Наследование структурно-текстурных особенностей протолита в расположении
протогенетических включений в минерале-хозяине.
3.4.2. Сингенетические включения. Границы совместного роста минералов,
индукционные грани. Морфологические отличия сингенетических включений
и особенности их расположения в зерне минерала-хозяина.
3.4.3. Постгенетические включения. Морфологические особенности продуктов
внутризерновых минеральных реакций распада твердого раствора и
замещения. Морфологические особенности границ и пространственного
расположения продуктов распада твердого раствора и продуктов реакций
замещения.
3.4.4. Проблема
возникновения
постгенетических
включений
за
счет
внутрикристаллической диффузии вакансий и примесей. Эффект Френкеля и
формирование постгенетических включений. Миграция включений в
кристалле.
3.5. Симплектиты и минеральные срастания. Морфологические и генетические типы
симплектитов и минеральных срастаний.
ЧАСТЬ II. Реакционный структурогенез. Связь между
микроструктурами и химизмом минералов в метаморфических горных
породах.
4. Реакционные структуры и реакционный структурогенез.
4.1. Главнейшие типы минеральных и флюидо-минеральных реакций. Реакции
смещенного (полиморные фазовые превращения, упорядочение – разупорядочивание,
реакции распада твердого раствора, реакции разложения и химического
взаимодействия) и обменного равновесия.
4.2. Понятие реакционной зоны и локального термодинамического равновесия.
4.3. Интрагранулярные (внутризерновые) реакции и структуры.
4.3.1. Структуры распада твердого раствора. Механизмы их образования.
4.3.2. Структуры реакционного замещения. Механизмы их образования.
4.3.3. Структурные особенности реакций полиморфных фазовых превращений.
4.4. Аутогранулярные (матриксные) реакции и структуры реакций смещенного
равновесия.
4.4.1. Структуры реакций разложения.
4.4.2. Структуры реакций химического взаимодействия кристаллических фаз.
4.4.3. Особенности структур при протекании реакций с непосредственным участием
флюидной фазы (флюидо-минеральных реакций).
4.5. Стадийность протекания твердофазовых минеральных реакций. Особенности
структур моностадийных и полистадийных реакций.
4.5. Реакционные макроструктуры.
5. Химическая гетерогенность минералов и структурогенез.
5.1. Понятие химической гетерогенности, химической зональности и секториальности
минералов.
5.2. Типы химической зональности минералов.
5.2.1. Ростовая зональность и основные типы сопутствующих структур.
5.2.1.1. Простая ростовая зональность. Морфоструктурная классификация,
механизмы образования и дешифрирования.
5.2.1.2. Осциллятивная
ростовая
зональность.
Морфоструктурная
классификация, механизмы образования и дешифрирования.
5.2.2. Диффузионная зональность и основные типы сопутствующих структур.
5.3. Химическая гетерогенность зерен минералов.
5.3.1. Микроканалы и возможные способы их образования.
5.3.1.1. Шовные зоны (микроканалы сращивания). Шовные зоны в
полицентрических порфиробластах. Микроканалы сращивания при
захвате включений монокристаллом на стадии роста.
5.3.1.2. Зоны повышенной проницаемости (диффузионные микроканалы)
трещинного и дислокационного типов.
5.3.1.3. Долгоживущие и полигенетические микроканалы.
5.3.2. Секториальность. Механизмы образования и значение секториальности для
петрологической интерпретации химической гетерогенности минералов.
Критерии отличия секториальности от химической зональности и других типов
химической гетерогенности минералов.
5.3.3. Реликтовая зональность в процессах замещения и диффузии.
ЧАСТЬ III. Деформационный и композиционный структурогенез.
Текстуры метаморфических горных пород. Микротектоника.
6.Текстуры метаморфических горных пород, механизмы их образования и
эволюции.
6.1. Классификация
текстур
метаморфических
горных
пород.
Текстуры
протогенетические, сингенетические и постгенетические. Деформационные и
композиционные текстуры.
6.2. Деформационный структурогенез. Деформационные текстуры.
6.2.1. Упругие, пластические и хрупкие деформации.
6.2.2. Факторы деформационного структурогенеза (температура, литостатическое
давление, стрессовые давления, протогенетические структуры, текстуры и
минеральный состав субстрата).
6.2.3. Механизмы пластических деформаций кристаллических веществ. Роль
дефектов кристаллической решетки в процессе пластической деформации.
Дислокационный креп.
6.2.4. Деформации и деформационные текстуры мономинеральных агрегатов.
6.2.5. Деформации и деформационные текстуры полиминеральных агрегатов.
6.2.6. Методы
исследования
деформационных
текстур.
Реконструкция
тектонических напряжений и последовательного изменения полей деформации
при метаморфической эволюции. Микротектоника.
6.3. Композиционный структурогенез. Композиционные текстуры.
6.3.1. Метаморфическая сегрегация, аллохимический метаморфизм и метасоматоз в
связи с проблемами структурогенеза.
6.3.2. Факторы композиционного структурогенеза (температура, литостатическое
давление, состав и химические потенциалы летучих компонентов,
протогенетические структуры, текстуры и минеральный состав субстрата).
6.3.3. Роль стрессового давления и деформационных текстур для композиционного
структурогенеза и формирования композиционных текстур.
7. Реакционный, деформационный и композиционный структурогенез в процессах
метаморфизма.
7.1. Парагенезисы структур и текстур. Понятие структурного парагенезиса.
7.1.1. Главнейшие парагенезисы структур и текстур в породах различных ступеней
регионального и контактового метаморфизма.
7.1.2. Закономерности эволюции парагенезисов структур и текстур метаморфических
горных пород во времени на прогрессивном этапе метаморфизма.
7.1.3. Закономерности эволюции парагенезисов структур и текстур метаморфических
горных пород во времени на регрессивном этапе метаморфизма.
7.1.4. Главнейшие парагенезисы структур и текстур в породах динамометаморфизма.
7.2. Проблемы выделения структурогенетических фаций метаморфизма. Изохимические
ряды структур и текстур в породах регионального и контактового метаморфизма.
ЧАСТЬ IV. Приложение методов структурной петрологии.
8. Приложение микроструктурного анализа для решения петрологических,
геологических и геохронологических задач.
8.1. Структурогенез и парагенетический анализ. Выявление минеральных реакций,
последовательности их протекания и смены минеральных парагенезисов во времени
методами микроструктурного анализа.
8.2. Структурогенез и минералогическая термобарометрия. Микроструктурный анализ в
решении вопросов о равновесности составов минералов при термобарометрических
расчетах и выводе эволюционных P-T-t трендов.
8.3. Структурогенез и относительная геохронология. Микроструктурный анализ при
использовании методов относительной геохронологии на основании исследования
гетерогенности минералов.
8.4. Структурогенез и абсолютная геохронология. Микроструктурный анализ при
датировании метаморфических событий методами изотопной геохронологии.
8.5. Структурогенез и петрологические реконструкции. Методика изучения ранних
стадий петрогенеза при помощи исследования минеральных включений в минералахконсерваторах.
8.6. Структурогенез в литологии и палеогеографии. Методика решения вопроса об
источнике сноса обломочного материала в осадочных комплексах путем изучения
реликтовых парагенезисов и минеральных включений в минералах-консерваторах.
8.7. Структурогенез и тектоника. Методы микротектоники. Реконструкция полей
напряжений и этапов деформаций горных пород методами микроструктурного
анализа. Корреляция данных минералогической термобарометрии и геохронологии с
основными тектоническими событиями.
9. Заключение. Некоторые проблемы структурогенеза метаморфических пород
и возможные пути их решения.
Лабораторные занятия. Лабораторные занятия проводятся для иллюстрации
лекционной части курса и получения студентами навыков практического применения
основных методик микроструктурного анализа для решения частных петрологических
задач. Студентам предлагается на примере наиболее типичных образцов
метаморфических горных пород составить подробные описания их структур и текстур (на
макроскопическом, микроскопическом и электронно-микроскопическом уровнях
исследования), выделить основные типы структур и текстур, составить морфологическую
классификацию форм выделения минералов, разобрать последовательность смены
парагенезисов структур и текстур и попытаться реконструировать эволюцию
структурогенеза и его факторов для рассматриваемых образцов.
Семинарские занятия. Для закрепления знаний по лекционной части курса
проводятся семинарские занятия по наиболее важным его разделам. Примерный перечень
тем:
- Типы структур и текстур метаморфических горных пород. Условия и механизмы их
образования.
- Минеральные и флюидо-минеральные реакции при метаморфизме. Реакционный
структурогенез.
- Химическая
зональность,
гетерогенность
и
секториальность
минералов
метаморфических горных пород. Связь микроструктур и химизма минералов.
- Деформационный структурогенез, его факторы и механизмы. Деформации
кристаллических пород и деформационные текстуры. Микротектоника.
- Композиционный структурогенез, его факторы и механизмы. Взаимосвязь и
взаимовлияние различных типов структурогенеза.
- Парагенезисы структур и текстур метаморфических пород, закономерности их
эволюции на различных этапах процессов метаморфической эволюции.
Структурогенетические фации метаморфизма.
Индивидуальные занятия студентов. В качестве индивидуальных занятий для
закрепления пройденного материала и ознакомления с современными проблемами
структурогенеза и методами микроструктурного анализа студентам предлагается сделать
доклад на основании изучения научных публикаций. Примерные темы докладов:
- Механизмы формирования наиболее распространенных структур (текстур)
метаморфических пород.
- Внутреннее строение порфиробластов и методы его исследования.
- Механизмы захвата твердофазовых включений растущими минералами.
- Основные типы химической гетерогенности (зональности, секториальности)
минералов в метаморфических породах и способы их изучения.
Самостоятельная работа студентов. Самостоятельная работа студентов в рамках
данного курса включает в себя задачу по описанию структур и текстур метаморфической
горной породы в шлифе. На основании этого описания студент должен определить
последовательность формирования отдельных структурно-текстурных элементов,
реконструировать минеральные реакции и способы их протекания, сделать заключение о
равновесности составов находящихся в породе минералов (их отдельных ростовых зон и
генерационных форм), реконструировать облик породы на ранних стадиях ее эволюции и
т.д. Задача самостоятельной работы конкретизируется исходя из особенностей
предлагаемого образца. По мере необходимости студенту предоставляется
дополнительная информация (электронно-микроскопические снимки, химические
анализы и т.п.)
Основные формы отчетности и контроля. Текущими формами отчетности и
контроля являются опросы студентов в ходе семинаров и лабораторных занятий, а также
доклады, которые студенты должны подготовить в рамках индивидуальных занятий.
Основной формой контроля является итоговый зачет по основным разделам курса и
выполнение студентом задания в рамках его самостоятельной работы.
ЛИТЕРАТУРА
Основная
1. Некрасова Н.И., Петров Т.Г. Генезис минеральных индивидов и агрегатов. С.-Пб.:
«Невский курьер», 1997. 228 с.
2. Вернон Р.Х., Метаморфические процессы. М., Недра, 1980. 227 с.
Дополнительная
3. Козлова О.Г. Рост и морфология кристаллов. 3-е изд., под ред. Н.В.Белова. М.: Изд-во
МГУ, 1980. 368 с.
4. Гегузин Я.Е. Очерки о диффузии в кристаллах. 2-е изд. М.: «Наука», 1974. 254 с.
5. Григорьев Д.П., Жабин А.Г. Онтогения минералов. Индивиды. М.: «Наука», 1975. 340 с.
6. Passchier, C.W., Trouw, R.A.J. Microtectonics. Springer, 1998. 289 p.
7. Соболев Р.Н. Универсальный метод...
8. Атлас структур и текстур горных пород.