МЕТАМОРФИЧЕСКИЕ ПОРОДЫ

Генезис и структурные особенности мрамора

Погребенные пласты известняка могут превратиться в мрамор при термическом метаморфизме, осуществляющемся за счет тепла интрузивных массивов. В результате перекристаллизации кальцита в относительно чистом известняке признаки его первичной структуры могут стираться, и он превращается в искристо-белый мрамор. Механическое воздействие интрузии может приводить к некоторому изменению условий залегания карбонатных пород, так что они могут быть наклонены в сторону от интрузивного тела, однако при этом не происходит никаких других сколько-нибудь существенных деформаций, и они не бывают причиной метаморфизма пород. Месторождения мраморов, образовавшиеся при воздействии тектонических сил, рассматриваются ниже.

Подавляющая часть месторождений мраморов сформировалась за счет глубоко погребенных карбонатных пород в условиях интенсивного ориентированного давления и высоких температур, иными словами, в результате динамотермического метаморфизма. Проявления интенсивного неуравновешенного давления отчетливо видны в обычном смятии горизонтов мраморов и ассоциирующих с ними пород в сложные складки.

Признаки одновременного воздействия высокой температуры заключаются в присутствии в мраморах таких акцессорных силикатов, как тремолит и диопсид, которые встречаются лишь в породах, претерпевших интенсивное нагревание. Признаки процессов, приведших к образованию мраморов, обнаруживаются и в тесно ассоциирующих с ними кристаллических сланцах и гнейсах, несущих многочисленные следы динамо- термического метаморфизма. Поскольку первичные черты осадочных пород и фауна в мраморах полностью или частично уничтожены, точное определение геологического возраста и достоверная региональная корреляция толщ мраморов представляют собой трудную задачу.

Приводимые ниже данные основаны преимущественно на изучении мраморов Вермонта, однако выводы и заключения о происхождении и структуре этих месторождений вполне применимы и к другим мраморам динамотермического генезиса, в том числе, например, к мраморам, распространенным в Джорджии и Алабаме.

Крупная полоса мраморов западного Вермонта протяженностью 80 миль и шириной 0,25—4 миль располагается в меридиональной долине, ограниченной на востоке Зелеными горами, а на западе — горами Таконик. В геологическом отношении это один из сложнейших районов восточной части Северной Америки. Нижнепалеозойская толща огромной мощности смята в интенсивные складки и метаморфизована под воздействием направленного с востока ориентированного давления и разбита на отдельные блоки серией падающих к востоку надвигов. Сложность картины усиливается значительной первично-фациальной неоднородностью осадочной толщи. Изучение геологии этого сложного по своему строению региона началось более 100 лет назад, однако многие проблемы, например история развития структуры хребта Таконик, до сих пор не разрешены.

Промышленные эксплуатирующиеся месторождения мрамора приурочены к ранне- и среднеордовикским формациям (серия Бикментаун, Чази, Блэк-Ривер и Трентон). Эта группа отложений подстилается верхнекембрийскими метадоломи- тами и перекрывается филлитами среднеордовикского возраста. Различаются четыре главных горизонта мраморов, разделенные зонами сланцеватых или доломитизированных карбонатных пород. Окраска мраморов преимущественно белая, светло-серая или светлая голубовато-серая. В них присутствуют нарушенные полосы и вытянутые прожилкообразные скопления силикатов. В некоторых пластах присутствуют разрушенные, но еще определимые гастроподы, кораллы и бра- хиоподы, что позволяет установить возраст этих пород. Вследствие интенсивного сжатия мощность мраморов непостоянна и колеблется у отдельных горизонтов от 50 до 300 футов.

В пределах вермонтского пояса мраморов установлены крупные антиклинальные и синклинальные складки шириной более мили, протягивающиеся в меридиональном направлении на несколько миль. Чаще всего эти складки опрокинуты в северо-западном направлении, в связи с чем падение пород в обоих их крыльях юго-западное. Вследствие однородного падения пород, их размыва и наличия более или менее мощных ледниковых наносов при детальных разведочных работах удалось установить лишь присутствие этих складок, тогда как их протяженность и взаимоотношения остались невыясненными. Было установлено, что мощность пластов мраморов сильно уменьшается в гребнях главных антиклиналей и значительно увеличивается в замках синклиналей по сравнению с мощностью в крыльях складок.

В стенках карьеров видно по положению полос темноцветных минералов, что внутри пластов мраморов имеются многочисленные мелкие складки с поперечником от нескольких футов до нескольких десятков футов. Бейн (Bain, 1931) назвал эти мелкие структуры складками течения. Складки течения асимметричны, и их крутые крылья обращены в сторону замковой области смежной крупной синклинали. Бейн предположил, что в мраморах происходило пластическое течение материала из гребней антиклиналей в направлении шарниров синклиналей в тот период метаморфизма, когда породы были глубоко погребены и находились в пределах зоны пластического течения земной коры. Бейн сравнивал складки течения с морщинами, образующимися на шоссейных дорогах в асфальте под действием силы тяжести. В этой аналогии само шоссе с асфальтовым покрытием представляет собой антиклиналь, его боковой кювет — главную синклиналь, а морщинки асфальта, стекающего в кювет, — складки течения, обращенные крутыми сторонами в сторону углубления.

Понятие о складчатости течения при изучении деформаций в горных цепях имеет преимущественно теоретическое значение, но в мраморной промышленности эти складки представляют непосредственный практический интерес, а именно: увеличение мощности пластов мрамора в складках течения позволяет производить в таких участках добычу в промышленных масштабах. Крупные однородные блоки удается извлекать лишь в шарнирных областях таких складок. Обычно здесь мощность мраморов в осевых частях синклиналей путем образования складок течения в 20 раз больше по сравнению с крыльями.

На некоторых мраморных карьерах Вермонта происходили внезапные и сильные выбросы горных пород (Bain, 1931). При этом горные массы приходили в движение по мере того, как продвигалась их разработка, врубовая машина весом более одной тонны опрокидывалась с рельс и образовывались многочисленные диагональные трещины. Эти трещины секут поперек частично освобожденные блоки, а также проникают в стенки карьера и целики. Они расположены под углом 45° к горизонтальной поверхности, выходят в рабочие или свободные стенки и постепенно выклиниваются по направлению к боковым участкам. Обычно сильные выбросы горных пород, видимо, происходят в тех местах, где поверхность пород ровная или слабоволнистая и где поблизости отсутствуют глубокие овраги или ущелья.

Можно усмотреть некоторое сходство этого явления с внезапными выбросами пород в гранитных карьерах (стр. 58). В мраморах так же, как и в гранитах, горизонтальная составляющая силы, возникающей при увеличении объема горных пород при снятии с них нагрузки, представляет заметную опасность, так как она может разрешиться лишь при боковом смещении пород в свободное пространство, например в выемки. Если при этом напряжения, возникающие за счет боковой составляющей расширения разгруженных пород, превышают их предел упругости, то возникают трещины. Вертикальная составляющая расширения, по-видимому, снимается в процессе извлечения камня в карьерах, хотя при этом в мраморе не возникают структуры отслаивания, возможно, потому, что мрамор сам по себе порода слоистая, а не массивная. Бейн (Bain, 1933 а, б) пришел к выводу, что при разработке мраморных карьеров происходит снятие напряжений, возникших «в процессе смятия мраморов в сложные группы складок течения, устанавливаемые в тех карьерах, в которых наблюдаются явления выбросов пород».

В залежах мрамора довольно обычны трещины отдельности, расстояния между которыми колеблются от нескольких дюймов до многих футов. В тех случаях, когда проявляются две взаимно перпендикулярные системы трещин, стенки карьеров ориентируют параллельно направлениям трещиновато- сти с тем, чтобы облегчить отделение блоков. Бейн (Bain, 1941) отмечал, что в вермонтском мраморном поясе интенсивная трещиноватость проявляется преимущественно в пониженных участках рельефа и в большинстве случаев мраморы добываются на возвышенных местах, где трещины отдельности расположены относительно редко.

Применительно к некоторым типам естественных каменных материалов, особенно к граниту, термины раскол и волокнистость имеют вполне определенное и самостоятельное значение, но в отношении мраморов они используются как вполне взаимозаменяемые и оба просто означают направления более легкой раскалываемости породы. Это направление обычно параллельно полосчатости и при этом обусловлено ориентированным расположением удлиненных минеральных зерен в результате воздействия давления при метаморфизме. Способность мраморов к раскалыванию увеличивается при наличии в них ориентированных пластинчатых минералов, например слюды и графита, или игольчатых кристаллов актинолита. Это направление легчайшего раскалывания мраморов имеет важное значение при эксплуатационных работах.