Лаборатория эспериментальной и технической петрологии МГУ,
к. A-607, тел. 939-20-40

В учении о метаморфизме одной из главных проблем всегда была реконструкция термодинамических условий образования и эволюции метаморфических пород, основанная на выделении минеральных фаций, т.е. парагенезисов минералов, образовавшихся в сходных условиях температуры и давления. Границы фаций выделяются по фазовым превращениям минералов и минеральным реакциям, в том числе и с участием флюидной фазы. Поэтому основной целью экспериментальных исследований проблем метаморфизма является определение термодинамических параметров минеральных равновесий.

Экспериментальные исследования, важные для решения проблем метаморфизма относятся к субсолидусной области алюмосиликатных, силикатных и ряда карбонатных систем. Важнейшие вопросы, которые рассматриваются в таких исследованиях: (1) определение пределов устойчивости метаморфических минералов и минеральных ассоциаций в зависимости от а) температуры и давления, б) активности (летучести или фугитивности) воды, углекислоты, кислорода и некоторых других компонентов; (2) установление закономерностей распределения компонентов (и изотопов) между сосуществующими минералами, которые используются в качестве минеральных термометров и барометров; (3) изучение влияния внешних условий на особенности структуры минералов и распределение компонентов по неэквивалентным кристаллохимическим позициям. Отдельными более частными задачами являются изучение диффузии компонентов в минералах - для оценок продолжительности метаморфических процессов; изучение флюидных включений - для непосредственного исследования флюидного режима, а также воспроизведение образования структурно-текстурных особенностей метаморфических пород.

Моделирование процессов метаморфизма основывается на приложении к ним законов химического равновесия. Анализ минеральных ассоциаций с точки зрения правила фаз показал, что при метаморфизме достижение химического равновесия в первом приближении довольно обычно. Особенно убедительна независимость конечного состояния от предыстории процесса. Например, при метаморфизме пород, имеющих одинаковый химический состав - магматических, с одной стороны, и осадочных - с другой, образуются неотличимые друг от друга породы. Установление соответственно орто- или пара- природы метаморфитов, как правило, представляет сложную проблему. Близость к равновесным соотношениям следует также из закономерного распределения компонентов между сосуществующими минералами.

Вместе с тем в метаморфических породах широко распространены реакционные структуры и зональность зерен, позволяющие выявить несколько наложившихся друг на друга стадий минералообразования, связанных с изменением внешних условий. Поэтому можно говорить лишь о квазиравновесности метаморфических процессов.

Прямое воспроизведение образования кристаллических сланцев и роговиков путем нагревания исходных осадочных горных пород неизменно не давало результата. Неудачи таких опытов стали понятны лишь после того, как была изучена кинетика твердофазовых реакций. Оказалось, что реакции между твердыми телами, протекающие путем диффузии в твердом состоянии, идут крайне медленно при температурах метаморфизма. Реакция образования форстерита из кварца с периклазом протекает с измеримой скоростью только выше 800^оС. Энергия ее активации намного больше, чем необходимая для диффузии, но и коэффициент диффузии даже при температурах 1200^оС составляет порядка 10^-16 см²/с. В сухом состоянии при этих температурах за несколько дней в форстерит преобразуется около 0,25 первоначального MgO. Скорость реакции возрастает в 10⁸-10¹⁰ раз в присутствии воды, и она доходит до конца за несколько минут при 450^оС. Это значит, что наблюдаемая в природе высокая степень приближения к равновесию может быть достигнута перекристаллизацией пород в присутствии флюидной фазы, причем достаточно ее наличия в виде межгранулярной пленки. В то же время для реакций в "сухих" условиях недостаточно даже огромных геологических промежутков времени. Даже реакции дегидратации протекают значительно быстрее в водной среде.

Механизм каталитического действия флюида (и прежде всего, его главного компонента - воды) разнообразен. Его растворяющее действие приводит к разрушению исходных минералов, значительно увеличивая число реакционноспособных частиц. Водные флюиды способствуют транспортировке вещества, увеличивая на несколько порядков скорость диффузии; кроме того, перенос вещества может осуществляться и потоком флюида. В присутствии флюида гораздо легче, чем в твердой фазе, идет образование зародышей новых кристаллических фаз. Наконец, по представлениям многих исследователей, потоки флюидов в земной коре - главные переносчики тепла, подводящие его к зонам метаморфизма.

К одной фации метаморфизма относится совокупность пород, образовавшихся при одинаковых внешних условиях, т.е. в определенном диапазоне величин термодинамических параметров (прежде всего, температуры и давления). Границы фаций определяются появлением или исчезновением критических минералов или минеральных парагенезисов, которые моделируются соответствующими реакциями между минералами. Рассмотрим экспериментально установленные закономерности в следующей последовательности, в которой усложняется зависимость реакций от внешних условий и их использование для создания систем минеральных фаций.