Magmatické a metamorfní petrologie 1. Uzavřené versus otevřené systémy v geologických procesech Prof. RNDr. Milan Novák, CSc. Osnova: 1. Úvod 2. Definice systémů 3. Proces definování systému 4. Faktory důležité pro otevřenost/uzavřenost systému 5. Mechanismus přenosu látek v otevřených systémech 6. Příklady systémů 1. Úvod • Geologické procesy mohou probíhat v uzavřených nebo v otevřených systémech. Zda se systém chová jako uzavřený nebo otevřený je zásadní otázkou pro interpretaci řady geologických procesů a ne vždy je tomuto problému věnována dostatečná pozornost. 2. Definice systémů (Rieder a Povondra 1997) • Izolovaný systém – je látkově izolován od okolí, a nemůže přijímat nebo uvolňovat energii a nemůže konat práci. Izolované systémy v geologických objektech zřejmě neexistují. • Uzavřený systém – je látkově izolován od okolí, ale může přijímat nebo uvolňovat energii a může konat práci anebo na něm může být vykonána práce jeho okolím. • Otevřený systém – může s okolím vyměňovat energii, ale i některé chemické specie (složky). • V geologické literatuře jsou požadavky na termodynamické definice obvykle respektovány poněkud méně striktně než v experimentálních pracích fyziků a chemiků a řada systémů označovaných v geologii jako uzavřené se ve skutečnosti uzavřenosti jen více či méně blíží. 3. Proces definování systému • Geologické objekty jsou většinou chemicky i texturně poměrně komplikované. Abychom mohli diskutovat otevřenost nebo uzavřenost systémů, musíme si nejdříve definovat systém, k němuž otevřenost nebo uzavřenost vztahujeme. • Podobně jako u určení chemického systému hornin (např. KFMASH) a vzhledem ke komplikovanosti těchto systémů to není vždy právě jednoduché. Navíc je důležité, které složky systému sledujeme, systém totiž může být pro některé složky uzavřený a pro jiné otevřený, pak je jako celek otevřený. Z toho je zřejmé, že nás někdy zajímá uzavřenost nebo otevřenost systému jen pro určité složky. • Definování systému je základní úkol. 3. Příklady geologických systémů • a) Granitické pegmatity Obr. 1. Řez granitickými pegmatity Bližná a Nová Ves u Č. Krumlova, uložených v serpentinitech a mramorech • Definování jednotlivých systémů v granitických pegmatitech od objemově velkých až po malé-mikroskopické a) horninový komplex s pegmatitovým tělesem b) pegmatitové těleso c) jednotlivá zóna v rámci pegmatitového tělesa d) minerální asociace jako část pegmatitové zóny e) zrno minerálu 3. Příklady geologických systémů 3. Příklady geologických systémů b) Monazit v granitu z valounu kulmských slepenců, čerstvý monazit CHIME stáří 333 ± 8 Ma; alterovaný CHIME stáří 320 ± 6 Ma, 4. Faktory důležité pro otevřenost/uzavřenost systému • PT podmínky Otevřenost systémů obecně roste s rostoucí teplotou, příkladem jsou uzavírací teploty minerálů používaných pro radiometrické datování. 4. Faktory důležité pro otevřenost/uzavřenost systému • Časový faktor Pohyb látek tedy otevřenost systémů se obecně zvyšuje s časem trvání vhodných podmínek. Velmi důležitá je také otevřenost v průběhu času, která může výrazně kolísat. • Medium, které umožní přenos - Jednotlivé prvky nebo látky se většinou nemohou pohybovat jako samostatné atomy, jsou přenášeny v různých komplexech složených hlavně z O a tzv., těkavých látek (F, B, Cl, S, CO[2] aj.) - Pohyb může probíhat také difúzí kationů uvnitř krystalů jednotlivých minerálů, v tomto případě není nutné žádné medium pro přenos (platí pouze pro mikroskopické systémy). 4. Faktory důležité pro otevřenost/uzavřenost systému • Prostor, v němž přenos probíhá Medium, které nese jednotlivé kationy nebo látky, potřebuje volný prostor (póry mezi zrny, trhliny). Je-li hornina extrémně masivní, je výměna látek ztížena, naopak porézní horniny jsou velmi příhodné. Porosita popř. tektonické postižení hraje velmi významnou roli pro otevřenost určitého systému. Permeabilita je důležité pro systémy větších objemů, u mikroskopických systémů je důležitá difúze v minerálech a zde hraje větší úlohu krystalová struktura minerálů. 4. Faktory důležité pro otevřenost/uzavřenost systému 5. Mechanismus přenosu látek v otevřených systémech - Infiltrace je hlavním mechanismem pro více objemové horninové systémy. Roztoky a fluida s rozpuštěnými látkami cirkulují těmi částmi hornin, kde je vyšší permeabilita (póry, trhliny a jiné oslabené zóny) a reagují s protolitem, a odnáší uvolněné prvky a látky. - Difúze v horninách je řízena rozdíly v chemických potenciálech a fluida nesoucí prvky jsou stacionární. Difúze je méně častá a méně výkonná. - Difúze v minerálech, kdy dochází k pohybu atomů v rámci krystalové mřížky. Tento proces je důležitý pro systémy mikroskopické velikosti, při dostatku času a vhodných PT-podmínek, např. v plášti, může být i tento mechanismus důležitý. 5. Mechanismus přenosu látek v otevřených systémech 6. Příklady pegmatitů Pegmatitové žíly v serpentinitu a dolomitickém mramoru Chemická charakteristika granitických pegmatitů a vybraných okolních hornin hlavní vedlejší stopové těkavé Pegmatit Si, Al, K, Na Li, Be, Fe, Mn, Ca,Cs,Rb,Nb,Ta,Mg H[2]O, B, F, P Serpentinit Si, Mg, Fe, Al Ca, Ti, Cr, Ba, Ni H[2]O, CO[2], Cl dolomit Mg,Ca Si,Al,Fe CO[2], H[2]O Minerály vhodné pro studium - obsahují v dostatečné koncentraci sledované prvky (Mg, Ca) - přítomnost v jednotlivých zónách pegmatitu - téměř neomezená mísitelnost i za nižších teplot - refraktorní vlastnosti (chemická i mechanická stálost) 6. Příklady pegmatitů 6. Příklady pegmatitů Stádia vývoje pegmatitů: • uvolnění pegmatitové taveniny (nízká viskozita, vysoký obsah rozpuštěných těkavých látek H[2]O, B, F, P) z mateřského granitu a její intruze na místo krystalizace b) krystalizace minerálů z pegmatitové taveniny c) krystalizace minerálů z fluid uvolněných ze zbytkové pegmatitové taveniny d) tepelná a tlaková ekvilibrace pegmatitového tělesa s okolními horninami 6. Příklady pegmatitů a) Nejkomplikovanější a zatím jen velmi málo objasněné stádium vývoje. Vzhledem k tomu, že tavenina byla nenasycená na těkavé látky, mohl přenos látek probíhat pouze difúzí v tavenině, popř. mechanickým pohlcením okolních hornin, které pak byly asimilovány. Během tohoto stádia velmi pravděpodobně nevznikaly žádné minerály. Systém se choval jako otevřený. b) Tavenina byla rychle oddělena od okolních hornin úzkou okrajovou zónou pevné horniny. Výměna látek s okolím byla omezena vznikem této zóny, dále tím, že tavenina nebyla nasycena těkavými látkami a výměna látek s okolím mohla probíhat pouze difúzí v tavenině, a výměnu omezovala i rychlá krystalizace taveniny. Během tohoto stádia vznikaly téměř všechny minerály, výjimečně téměř 100 %. Systém se choval jako uzavřený. 6. Příklady pegmatitů c) Uvolnění těkavých látek ze zbytkové taveniny umožnilo jejich pohyb do okolních hornin. Pokud byl tlak uvolněných fluid vyšší než v okolních horninách, pohybovala se fluida pouze tímto směrem a vznikla reakční zóna složená z nově tvořených minerálů v okolní hornině na kontaktu. Pokud byl tlak fluid srovnatelný nebo dokonce nižší (pravděpodobně vzácný případ), došlo k míšení fluid a vzniku minerálů, které obsahují prvky uvolněné jak z pegmatitové taveniny, tak z okolní horniny přímo uvnitř pegmatitového tělesa. Během tohoto stádia vznikaly nové minerály, většinou méně než 5 % celkového objemu pegmatitů. Systém se choval jako otevřený. d) Vyrovnání tlaků a teplot pegmatitového tělesa s okolními horninami vede k tomu, že pegmatit a okolní horniny jsou součástí jednoho systému. Během tohoto stádia vznikaly nové minerály při pozdně hydrotermálních a zvětrávacích procesech. Systém se choval jako otevřený. 6. Příklady pegmatitů Minerály vhodný pro studium otevřenosti systému v granitických pegmatitech Turmalíny X Y[3] Z[6] (BO[3])[3] T[6] O[27] (O,OH)[3] (OH,F,O) X = Na, Ca (K) Y = Li, Mg, Fe^2+, Al (Mn, Zn, Ti, Fe^3+) Z = Al (Mg, Fe^3+) T = Si (Al) 6. Příklady pegmatitů 6. Příklady pegmatitů 6. Příklady pegmatitů 6. Příklady pegmatitů 6. Příklady pegmatitů Vlastějovice pegmatity pronikající Fe-skarny studium stupně kontaminace pegmatitové taveniny na základě studia vhodných minerálů 6. Příklady pegmatitů Chemické složení minerálů - turmalín Závěr Otevřenost versus uzavřenost je důležitá např. pro studium skarnů nebo greisenů (typické otevřené systémy), metamorfních hornin (často uzavřené systémy), granitů a pegmatitů (systémy otevřené i uzavřené), radiometrické datování a izotopická studia (nutnost uzavřeného systému). Zásadním problémem jsou také změny v uzavřenosti resp. otevřenosti daného systému v průběhu času. I když prokázání otevřenosti velmi komplikované, je v řadě případů nezbytné, neboť bez objasnění otevřenosti/uzavřenosti systému mohou být interpretace pochybné.