Akcesorické minerály Milan Novák Ústav geologických věd, PřF MU v Brně Úvod 1. Problém definice Klasická definice akcesorického minerálu říká, že jde o minerál, který je přítomen v hornině v množství menším než 2 %. Tato definice je formální a využitelná pouze pro formální klasifikace hornin, z vědeckého hlediska nemá žádný význam především z těchto důvodů: - pro stanovení hranice na 2% není žádný vědecky udržitelný důvod - horniny jsou často nehomogenní a obsah jednotlivých minerálů kolísá, a to často i v rámci jednoho výbrusu, proto může obsah sledovaného minerálu kolísat od akcesorického po vedlejší množství - jen vzácně známe modální složení horniny, takže hranici 2% platnou pro akcesorické minerály spíše odhadujeme Upřesňující definice • Akcesorické minerály (AM) – accessory minerals - jsou takové minerály, které jsou v hornině přítomny v malém množství (hranici je možno si stanovit individuálně a řádně zdůvodnit, ale asi by neměla být vyšší než asi 5%, ale mohou být koncentrovány v různých útvarech). Dále je důležité, aby AM vznikaly v hornině během stejného procesu jako hlavní horninotvorné minerály, resp. neměly by být mladší, např. zeolity nebo chlority. Na druhé straně mezi ně řadíme starší AM, např. oválné zirkony v magmatitech, které jsou reliktem z původní tavené horniny a jsou starší než všechny nebo většina horninotvorných minerálů v dané hornině. • Těžké minerály (TM) – heavy minerals - minerály klastických sedimentárních hornin (zpevněných i nezpevněných), většinou přítomné pouze v akcesorickém množství, které jsou mechanicky a chemicky odolné tzv. refraktorní. Mezi TM patří jak většina typických AM, tak některé běžné horninotvorné minerály (amfiboly, pyroxeny). V čem jsou akcesorické minerály tak důležité ve srovnání s běžnými horninotvornými minerály? • Některé horninotvorné minerály jsou chemicky i strukturně natolik monotónní a jejich pole stability je tak velké, že neposkytují další důležité informace běžně používanými metodami. Typický příklad je křemen. • Další minerály jsou chemicky relativně jednoduché (např. pyroxeny, olivín) a kromě hlavních geochemických poměrů, např. Fe/Mg popř. odmíšené lamely v pyroxenu neposkytují další důležité informace běžně používanými metodami. • Složení jiných minerálů je natolik komplikované nebo jsou velmi nehomogenní nebo podléhají alteracím (olivíny, živce, amfiboly, slídy), takže jejich využití není často jednoduché. • Využití moderních metod jako je CL, studium fluidních inkluzí, LA-ICP-MS, Ramanovská spektroskopie, SIMS a řada dalších u těchto minerálů ale může dát zajímavé informace, takže i běžné horninotvorné minerály je nutné!! studovat detailně. Ale některé z uvedených metod nejsou často jednoduše přístupné. • Nejlépe je studovat obojí, horninotvorné i akcesorické minerály. 2. Proč jsou v horninách přítomny některé minerály pouze nebo většinou v akcesorickém množství? Hlavním důvodem je to, že obsahují jako dominantní chemické prvky, které jsou v hornině přítomny jen malém množství, většinou se jedná o tzv. inkompatibilní prvky, které nevstupují do hlavních horninotvorných minerálů. Do AM ale někdy vstupují i kompatibilní prvky. Příklady: Inkompatibilní • REE (rare earth elements) + La, Y, Sc Hlavní minerály: xenotim-(Y), monazit-(Ce), allanit-(Ce) Minoritní minerály: další vzácnější minerály ze skupiny monazitu a allanitu • HFSE (high field strength elements) – Zr, Hf, U, Th, Nb, Ta, Ti, Sn, W Hlavní minerály: zirkon, rutil, titanit, ilmenit Minoritní minerály: wolframit, scheelit, kasiterit, columbit-tantalit, mikrolit- pyrochlor, thorit, coffinit, hafnon • PGE (platinum group element) – Pt, Ru, Pd, Os Minerály: platina, iridium • lehké prvky – B, Be, Li Hlavní minerály: turmalíny Minoritní minerály:dumortierit, beryl, fenakit, Li-slídy, grandidierit, boralsilit, werdingit, kornerupin, boráty Kompatibilní • prvky vystupující jako aniony v nízkých koncentracích – S, P, As, F, Cl Hlavní minerály: apatit, pyrit, pyrhotin Minoritní minerály: baryt, topaz, skapolit, foidy, sulfidy • LFSE nebo také LIL (large-ion elements) – Rb, Cs, Ba, Sr, Pb Minerály: pollucit, celsian Dalším ale méně častým důvodem je malé pole stability určitého minerálu v PT podmínkách (např. velmi vysoký tlak) často v kombinaci se zvýšenou aktivitou některé ze složek, obsažené v minerálu (např. vysoký oxidační stupeň). Tyto minerály často obsahují zcela běžné prvky – Ca, Mn, Mg, Fe, Al, Zn – staurolit, granáty, andalusit, sillimanit, kyanit, cordierit, spinel, gahnit, magnetit, hematit aj. V tomto případě je za pouze akcesorické množství těchto minerálů v horninách odpovědná např.: • přítomnost andalusitu Al2SiO5 (a také sillimanitu, kyanitu) je ovlivňována poměrem alkálie/Al, tzv. ASI indexem, tlakem a teplotou. • diaspor AlOOH má poměrně úzké pole stability v PT diagramu a vyžaduje nízkou aktivitu Si a alkálií. • korund Al2O3 ukazuje na vysoký obsah Al a nízkou aktivitu Si, alkálií a H2O. • Gahnit ZnAl2O4 odráží zvýšenou koncentraci prvku (Zn) v hornině, který ale není vázán v dostatečném množství např. v biotitu nebo ve staurolitu. • Staurolit vyžaduje vysoký poměr Al/Si. • topaz Al2SiO4 (F,OH)2 peraluminické složení horniny a vysokou aktivitu F • stišovit, coesit – SiO2 a diamant – C extrémně vysoký tlak • yoderit (Mg,Al,Fe3+)8Si4 (O,OH)20 vysoký tlak v kombinaci s vysokým oxidačním stupněm • Grandidierit, werdingit, boralsilit (borosilikáty s vysokým poměrem Al/Si + Mg,Fe) – vysokou aktivitu B při velmi nízké aktivitě H2O • Velké množství nějakého AM v hornině ukazuje na extrémně vhodné podmínky pro jeho vznik, které jsou také velmi důležitou geologickou informací. 3. Význam studia AM Význam AM neustále roste a lze je využít např. pro: - radiometrické datování (zirkon, monazit, granát, titanit, allanit, rutil), pro reálné interpretace je nutno ale studované minerály detailně studovat (alterace, vztah k jiným minerálům) - geochemické interpretace, např. stupeň frakcionace - poměr některých prvků v AM, např., Nb/Ta, Zr/Hf, Y,HREE/LREE - odhad PTX podmínek vzniku minerálních asociací – staurolit, cordierit, Al2SiO5 modifikace, topaz, vesuvian, aj. - oxidační stupeň – např. páry magnetit/ilmenit a allanit/monazit - aktivita některých stopových nebo podřadných prvků – P, F, As, Ba, Cl aj. - provenienční studie sedimentů – na základě minerálních asociací a chemického složení minerálů lze zjistit poměrně spolehlivě snosové oblasti - zralost sedimentů – minerální asociace a opracování zrna slouží pro odhad zralosti sedimentu Přehled přednášek 1. Skupina turmalínu a další borosilikáty (dumortierit) - Novák 2. Minerály Nb, Ta, W, Sn (columbit-tantalit, Nb,Ta-rutil, pyrochlor-mikrolit, tapiolit, wolframit, kasiterit, scheelit) - Novák 3. Hliníkem bohaté silikáty - Al2SiO5 modifikace, staurolit, chloritoid, safirín - Novák 4. Beryl a další Be-minerály - Novák 5. Těžké minerály - Čopjaková 6. Skupina granátu - Čopjaková 7. Spinelidy - Čopjaková 8. Minerály Ti – rutil, ilmenit, titanit - Škoda 9. Minerály REE – monazit, xenotim, allanit - Škoda 10. Zirkon - Škoda 11. Apatit a další primární fosfáty - Škoda