При метаморфизме алюминий способен замещать кремний в кремнекислородных тетраэдрах с образованием алюмосиликатов или превращаться в силикаты алюминия с шестерной координацией, приобретая, подобно катионам, более основные свойства. Это превращение сопровождается экзотермическими эффектами, значительным уменьшением объема минералов и, следовательно, связано с понижением температуры и возрастанием давления. Таков характер превращений: альбита и нефелина в жадеит, анортита и волластонита — в гроссуляр и кварц, анортита — в гроссуляр, кианит и кварц, плагиоклаза и ортопироксена — в пирон-альмандиновый гранат и клинопироксен, силлиманита и андалузита — в кианит и др.
Жадеит по расчетным данным в низкотемпературной области не имеет нижней границы по давлению, но парагенезис жадеит — кварц стабилен только лишь при давлении выше 7*10в8 Па (7 кбар). Изоморфизм компонентов в жадеите и продуктов его распада нолевых шпатов и фельдшпатидов дает возможность понять условия метаморфизма при возникновении этого минерала. Алюминий, который в полевых шпатах находится в четверной координации, с переходом к шестерной координации (в жадеите) коренным образом меняет возможности изоморфизма с другими компонентами, но может замещаться с трехвалентным железом в виде ряда твердых растворов жадеит NaAlSi2O6 — эгирин NaFeSi2O8. Поэтому железистые жадеиты встречаются в области натриевого (глаукофанового) метаморфизма.
При понижении давления последовательно формируются следующие минеральные фации: 1 — безальбитовая (теоретического состава жадеит—кварц), 2 — жадеит-кварц-альбитовая (например, францисканская формация в Калифорнии), 3 — жадеит-гематит-альбитовая (например, формация Пенжинекой зоны на Камчатке), 4 — жадеит-нефелин-альбитовая, 5—гематит-нефелин-альбитовая.
Силикаты алюминия, которые, как отмечено, при высоком давлении вытесняют алюмосиликаты, проявляют сильное химическое сродство к натрию и слабое — к калию. В этих условиях калий приобретает способность к миграции в верхние горизонты Земли вместе с соответствующим расплавом, либо в виде раствора, стимулирующего метасоматические процессы (калиевый метасоматоз).
В полевых шпатах при повышении температуры последовательно выделяются следующие структурные разновидности твердых растворов (в упрощенном виде): [микроклик — низкотемпературный (низкий) альбит) — [ортоклаз — низкий альбит] — [санидин — высокотемпературный (высокий) альбит] — [высокий санидин — высокий альбит].
Замещение жадеита полевыми шпатами, либо нефелином имеет ограниченное распространение. Примером может служить хорошо выраженный процесс нефелинизации жадеита в породе из Тибета. Здесь, по описанию С. Тилли, в уцелевших зернах жадеита наблюдаются тонкие секущие жилки нефелина.
Регрессивный метаморфизм (гидратация) жадеита, щелочного полевого шпата и нефелина осуществляется замещением этих минералов анальцимом, ограничивающегося, по расчетным данным, условиями низких температуры и давления, хотя имеется мнение о выделении анальцима из магмы в щелочных базальтах (тешенитах), что многими исследователями оспаривается; одновременно последние отмечают, что анальцим в магматических породах имеет вторичное происхождение, образуясь по лейциту, нефелину и другим минералам в результате их гидратации. Это хорошо видно по структурам замещения исходных минералов. В жадеитовых глаукофановых породах анальцим вместе с цеолитами имеет гидротермальное происхождение. В граувакковых пачках с пластами вулканических туфов обломки стекловатых пород замещаются анальцимом и гейландитом.
Вайракит — кальциевый аналог анальцима, часто встречается в туфогенных песчаниках и брекчиях, стекловатых туфах, игнимбритах и андезитах, обнаруживающих гидротермальные процессы. Образуется также по основному плагиоклазу. Вайракит и ломонтит с возрастанием давления переходят в лавсонит, иногда с образованием характерных псевдоморфоз.
На территории Грузии широко развиты мезозойские и неогеновые (южный склон Большого Кавказа), а также палеогеновые (Аджаро-Триалетский хребет) анальцимовые породы, которые обычно считаются первично магматическими. Однако внимательное изучение структур замещения анальцима в этих породах указывает на их вторичное (наложенно-метаморфическое) происхождение.
Эпидот обычно образуется в низкотемпературных условиях (регрессивный метаморфизм) по основному плагиоклазу. По последнему минералу может образоваться также соссюрит, представляющий собой тонкозернистый агрегат эпидата или цоизита, карбоната, пренита, глинистых минералов.
В условиях низкотемпературного метаморфизма (=200° С) в ассоциации с эпидотовыми минералами входит кислый плагиоклаз вплоть до альбита. Изоморфное замещение алюминия на железо (Al⇔Fe3+) в ряду цоизит — эпидот расширяет область устойчивости последнего минерала. По данным эксперимента, железистый эпидот, в отличие от цоизита, устойчив до 580° С при РН2О = 100 МПа (1000 атм). При дегидратации эпидотовых минералов возникает более феррофильный минерал—андрадит — гроссуляровый гранат. Наиболее высокая температура вызывает распад железистого эпидота па андрадит, плагиоклаз, гематит и кварц:
Понижение температуры вызывает расширение поля устойчивости эпидотовых минералов. При температуре более 400°С и повышении давления разложение плагиоклаза на безводные минералы приводит к образованию силикатов алюминия, а именно — гранатов. Гроссуляр при умеренном давлении образуется вследствие реакции анортита с волластонитом. Он является распространенным минералом в известково-силикатных роговиках и скарнах, а также вместе с эпидотом и нренитом в базальтовых миндалинах. В условиях высокого давления устойчив парагенезис гроссуляр — кианит, возникающий при полном разрушении анортита. Этот парагенезис характерен для редких горссуляр-пироксен-дистеновых пород (гроспидитов), содержащихся в кимберлитах в качестве ксенолитов. С возрастанием в гроссуляре содержания андрадитового компонента, типичного минерала скарнов и контактометаморфитов, поля устойчивости гроссуляра расширяются.
В петрологии метаморфических пород большое значение имеют условия устойчивости полиморфных модификаций Al2SiO5 -силлиманита, андалузита и кианита, имеющих в своей атомной структуре различные координационные числа алюминия —соответственно четверную, пятерную и шестерную, Превращения перечисленных минералов одного в другой совершаются с изменением структурной позиции алюминия. Гидратация кианита и андалузита с образованием пирофиллита, каолинита и других минералов происходит при температуре менее 400° С в такой последовательности: 1) кианит (андалузит) + кварц = пирофиллит; 2) кианит (андалузит) + пирофиллит каолинит; 3) кианит (андалузит) = каолинит + корунд (диаспор). Дальнейшее понижение температуры вызывает полное вытеснение пирофиллита каолинитом и кварцем. Наличие андалузита и кианита с кварцем и ассоциации с хлоритом, хлоритоидом и серицитом указывает на их устойчивость до температуры около 350° С. Это не распространяется на силлиманит, устойчивость которого выше 500° С.
На самых ранних стадиях метаморфизма глинистых осадков в условиях низкой температуры образуются водные слюдистые силикаты, а именно, хлориты, гидрослюды, стильнномелан, серицит, фенгит и др. При некотором возрастании температуры по кианиту путем реакции с едким калием (КОН) выделяются мусковиты, все с меньшим содержанием фенгитового составляющего, затем образуется биотит.
Ставролит [греч. «ставрос» — крест, «литое» — камень, из-за характерных крестообразных двойников] относится к субслоистым ортосиликатам, Химическая формула 2Al [SiO4]OFe(OH)2, которая всегда отклоняется от состава конкретного ставролита вследствие изоморфных примесей Mg, Fe и Ti. Установлено, что изменение состава в кристалле ставролита происходит секториально. Сингония ромбическая, кристаллы обычно имеют вид коротких и толстых призм; у призматических кристаллов удлинение положительное, длинные призмы встречаются редко. Спайность пo второму пинакоиду в шлифах не всегда хорошо выражена. Характерны крестовидные двойники. Ho призматической грани (032) двойники образуют прямой крест, а по косой грани (232) — косой крест. Цвет ставролита оранжево-желтый или золотисто-желтый по Ng, почти бесцветный или слабо желтоватый по Np. Показатель преломления Np от 1,736 до 1,747, Ng от 1,746 до 1,762. Ось Ng совмещена с третьей кристаллографической осью, а ось Nm — с первой. 2V = +80° —(—87°). Плоскость оптических осей представляет первый пинакоид, являясь перпендикулярной к плоскости спайности. Дисперсия оптических осей порой заметная.
Ставролит довольно стойкий минерал, В метаморфитах, богатых кремнеземом и железом, он часто встречается в ассоциации с гранатом, андалузитом, дистеном, хлорнтоидом, кордиеритом, слюдой, магнетитом, брукитом и др. Образуется в условиях средних ступеней регионального метаморфизма,
Xлоритоид [из-за сходства по цвету и внешнему виду с хлоритом] является субслоистым ортосиликатом. Химическая формула (Fe2+, Mg)2(Al, Fe8+)Al3[SiO4]2O2(OH)4. Состав хлоритоидов колеблется вследствие изоморфных примесей, а именно Fe2+ Mg (от 10—25 до 42 ат. %), Al Fe3+ (от 5 до 14 ат. %), иногда Fe2+ → Mn (от 5—10 до 17 ат. % в оттрелите). Сингония моноклинная или триклинная, кристаллы пластинчато-гексагональные, хорошо ограненные кристаллы редки. Порфиробласты хлоритоида в метаморфитах плохо огранены. Плеохроирует в голубоватых тонах. По коэффициенту преломления хрупкие слюды (хлоритоид, оттрелит, Маргарит) четко отличаются от похожих на них хлоритов большим коэффициентом преломления (>1,72), большим 2V и относительно большим, хотя изменчивым, углом погасания, доходящим до 30°. По этой причине они проявляют три цвета плеохроизма (трихроичны), в отличие от хлоритов, имеющих два цвета плеохроизма (дихроичны). Хрупкие слюды образуют полисинтетические двойники (подобно клинохлорам), в частности, в хлоритоиде они выражены намного лучше, чем в хлорите. Хлоритоид оптически положителен.
Хлоритоид иногда в существенных количествах (хлоритоидные сланцы) встречается в слюдяных и глинистых сланцах, сформировавшихся в условиях низких и средних ступеней метаморфизма.
Кордиерит [но фамилии франц. геолога Кордье] представляет собой каркасный алюмосиликат. Химическая формула [Mg, Fe2+]2 [Al4Si6O19]. Сингония ромбическая. Установлены твердые растворы от почти чисто магнезиальных минералов (Mg-кордиерит) до почти чисто железистых (секанинаит). Минералы промежуточного состава называются кордиеритами. Кроме того, фиксируются примеси MnO (до 1—2%), Fe2O3 (до 1—1,5%) и незначительное количество CaO, Na2O, K2O, редко BeO; обычно отмечается также H2O, иногда в количестве до 1,5—2,0%, удаляющаяся лишь при 850—1000°C.
Кордиерит в метаморфитах образует порфиробласты. Очень характерны для него тройники и шестерники, хотя встречаются они не очень часто; их называют секториальными вследствие расхождения индивидов двойника наподобие секторов окружности из центра. Нередко кордиерит образует полисинтетические двойники, подобные во всех отношениях двойникам плагиоклаза.
В шлифе бесцветен; двупреломление обычно в пределах 0,009 — 0,010, в редких случаях эти значения могут опуститься ниже (до 0,003) и подняться несколько выше. 2V сильно колеблется (от 40 до 80—90°). Обычно 2V отрицательный, но иногда положительный, поэтому не может служить диагностирующим признаком. Показатель преломления кордиерита изменяется от 1,532 до 1,562. Удлинение отрицательное, но обычно этот признак не играет существенной роли при диагностике рассматриваемого минерала, так как удлиненные кристаллы встречаются редко. Для кордиерита очень характерны лимонно-желтые плеохроичные дворики вокруг мелких включений других минералов, наблюдающиеся при вращении столика микроскопа в проходящем свете.
Характерными продуктами распада кордиерита являются серицит с игольчатыми разрезами (пинит, состоящий в основном из серицита и хлорита), нередко образующий полные псевдоморфозы и, кроме того, высокодвупреломляющий чешуйчатый минерал (тальк); железо, входящее в кордиерит, окрашивает эти чешуйки в желтоватый или желтовато-зеленоватый цвет.
Кордиерит входит в состав роговиков, возникших по глинисто-песчанистым породам в контакте с интрузиями, реже встречается в гранитных пегматитах. Наблюдается он также в гнейсах, кристаллических сланцах и метаморфизованных магматитах в ассоциации с магнезиальными и глиноземистыми минералами, в частности с гиперстеном, ромбическим амфиболом, биотитом, силлиманитом, основным плагиоклазом, тальком и др. Фиксируется в вулканитах, где содержит включения вулканического стекла, что указывает на высокотемпературные условия образования минерала.
По данным Г.Л. Чичинадзе, кордиерит с секториальными двойниками — самый распространенный минерал ксенолитов метатерригенных пород в палеозойском Джаловчатском габброидном интрузиве (Большой Кавказ), местами составляющий до 90% породы, где оп встречается в виде изометричных зерен размером от десятых долей до 2—3 мм. В указанном кордиерите много включений шпинели, ильменита, магнетита, плагиоклаза и циркона. Вокруг последнего часто наблюдаются плеохроичные дворики в лимонно-желтых тонах, Двойникование простое, полисинтетическое и секториальное. Последнее представлено тройниками и шестерниками, осложненными полисинтетическими двойниками.