5. Fázová petrologie Osnova: • Zobrazení složení horninotvorných minerálů a minerálních asociací • Petrogenetické mřížky • T-X a P-X řezy • Fázové pravidlo • Metamorfní reakce • Anatexe • Metasomatóza • 1. Celkové chemické složení horniny (zjednodušené) • - kvarcity SiO[2] • - křemen-živcové horniny SiO[2]-Al[2]O[3]-K[2]O-Na[2]O-CaO-H[2]O • - metapelity SiO[2]-Al[2]O[3]-K[2]O-MgO-FeO-H[2]O • - metabazity SiO[2]-Al[2]O[3]-Na[2]O-MgO-FeO-H[2]O • - vápenatosilikátové horniny SiO[2]-Al[2]O[3]-K[2]O-CaO-MgO-H[2]O • - metakarbonáty MgO-CaO-SiO[2]-CO[2]-H[2]O • - ultramafity SiO[2]-MgO-CaO-CO[2]-H[2]O jiné chemické systémy (méně časté) • - cordierit-antofylitové horniny SiO[2]-Al[2]O[3]-MgO-FeO-H[2]O • - železná formace SiO[2]-FeO-Fe[2]O[3]-H[2]O • - manganolity, smirky • jiná označení chemických systémů: • - křemen-živcové horniny NASH, CASH a CKNASH • - metapelity KMASH, KFASH a KFMASH • - ultramafity MS-H[2]O-CO[2], CMS-H[2]O-CO[2] Znázornění chemického složení • dvoukomponentní systém znázorňující složení olivínu Ternární diagramy Fázové pravidlo systém É fáze (Phase) É složka (Component) ß ß ß hornina minerál (s, l, g) e.g. Al[2]O[3] systém (hornina) uzavřený - přes hranice systému může být přemísťována energie ale ne hmota otevřený - hmota a energie mohou být přemísťovány přes hranice systému fáze - fyzikálně oddělitelné části systému (pevné - minerál, kapalné, plynné) složky (komponenty) - části systému nutné k vytvoření fází, které chceme v systému uvažovat - z hlediska fáz. pravidla - nejmenší počet chemických jednotek potřebný k popisu složení uvažovaných fází - hlavní složky více než jedné fáze (SiO[2], Al[2]O[3], Cr[2]O[3], Fe2O3, FeO, MgO, K[2]O, Na[2]O, CaO, MnO, P[2]O[5], H[2]O) • rovnováha – nejstabilnější uspořádání atomů v systému, nastává když je systém v určitých P-T podmínkách dostatečně dlouhou dobu • rovnovážná asociace – počet minerálů které mohou existovat stabilně v rovnováze určen fázovým pravidlem • F = P – C + 2 • F – počet nezávislých stupňů volnosti čili počet nezávisle proměnných (lze je nezávisle měnit aniž by se měnila stabilita minerálních fází v systému) • proměnné P, T, X (chemické složení fází) • při změně P či T – koexistující fáze již nejsou v rovnováze ÞÞ metamorfní reakce Příklad F = C + 2 – P C = 1 A P = 1 - voda • F = 2 – dva stupně volnosti, • Je zde stabilní jen jedna fáze voda teplota i tlak se mohou měnit nezávisle. B Bod B leží na hranici mezi dvěma poli P = 2 – Led a pára, • F = 1 – jeden stupeň volnosti • jestliže se změní tlak změní se zároveň teplota T P = 3 – voda, pára a led • F = 0 – žádný stupeň volnosti • Všechny tři fáze jsou v rovnováze (equilibrium). Jestliže se změní jedna z proměnných systém se posune mimo bod T • znázornění – P-T diagramy • počet stupňů volnosti • divariantní pole 2 • univariantní křivka 1 • invariantní bod 0 Fázové pravidlo v metamorfovaných horninách Máme jednoduchý systém (C=2), MgO-H[2]O Petrogenetické mřížky - definice • shrnutí možných invariantních bodů a mezi nimi ležících reakcí v určeném chemickém systému • založeny na experimentech, nebo termodynamické výpočty • ULTRABAZICKÉ HORNINY [• ]Pro zobrazení ultrabazických hornin je vhodný systém MgO - H[2]O - SiO[2] • V těchto horninách se můžeme setkat s minerály: • forsterit: Mg2SiO4 • brucit: Mg(OH)2 • mastek: Mg3Si4O12H2 • antofylit: Mg7Si8O24H2 • antigorit: Mg6Si4O18H8 • enstatit: Mg2Si2O6 • Krajní body trojúhelníku tvoří: • periklas: MgO • křemen: SiO2 • voda: H2O Celkové složení horniny a petrogenetická mřížka ACF diagram • 1) horniny – celkový chemismus ze silikátové analýzy • korekce 1. - odpočet FeO, Fe[2]O[3], CaO v akcesoriích (Mt, Ilm, Ttn) • 2) váhová procenta kysličníků/molekulární hmotnost = molekulární proporce (kvocienty) • korekce 2. – odpočet 3,3xP[2]O[5] (Apa) od CaO a Na[2]O+K[2]O od Al[2]O[3]+Fe[2]O[3] ACF diagram, pro určité PT podmínky (kyanitová zóna) AKF diagram Zobrazení čtyř-komponentního systému A(K)FM Diagram • Jednotlivé minerály jsou promítány přes vrchol K (Mu nebo Kfs) P-X a T-X řezy • používají se k zobrazení fázových změn v horninách s různým chemickým složení za konstantního tlaku nebo teploty. PT řezy (pseudosekce) • PT řezy jsou PT diagramy konstruovány pro určité chemické složení systému (horniny) • PT řezy zobrazují pole stability minerálních asociací, které v dané hornině o daném chemickém složení skutečně probíhají systém I. Metamorfní reakce A) Diskontinuální Univariantní reakce • NaAlSi[2]O[6] + SiO[2] = NaAlSi[3]O[8] Jd Qtz Ab • MgSiO[3] + CaAl[2]Si[2]O[8] = CaMgSi[2]O[6] + Al[2]SiO[5] En An Di And • 4 (Mg,Fe)SiO[3] + CaAl[2]Si[2]O[8] = (Mg,Fe)[3]Al[2]Si[3]O[12] + Ca(Mg,Fe)Si[2]O[6] + SiO[2] • Opx Plag Grt Cpx Qtz • Reakční koróny • vznikají kolem minerálů, které jsou v minerální asociaci dané horniny nestabilní. Právě koróna uchránila tento minerál před přeměnou. staurolite = garnet + biotite + Al2SiO5 • staurolite = garnet + biotite + Al2SiO5 (sillimanite) B) Kontinuální reakce Divariantní reakce – Chl + Ms + Qtz ® Grt + Bt + H[2]O – Chl + Cld + Qtz ® Grt + H[2]O kontinuální reakce - nejčastější substituce FeMg[-1] posun dílčích trojúhelníků s měnícími se P-T podmínkami k vrcholu F či M X[Mg] = Mg/(Mg+Fe) pro minerály různé (různá preference v různých mřížkách) X[Mg ]^Crd > X[Mg]^Chl > X[Mg]^Bt > X[Mg ]^Cld > X[Mg]^St > X[Mg]^Grt (viz pozice v AFM) • Hornina má složení: Qtz+Ms+Bt+Chl • Chl + Qtz => Grt + Mg- Chlorit + H[2]O MgSiO[3] + CaFeSi[2]O[6] = FeSiO[3] + CaMgSi[2]O[6] Annite + Pyrope = Phlogopite + Almandine • Mg-Fe substituce • oba minerály mají Mg a Fe komponentu Þ geotermometry C) Devolatilizační reakce (dehydratační a dekarbonační reakce) [• ] pro většinu hornin postačuje system H[2]O-CO[2][] • dehydratační reakce (typická pro metapelity): • KAl[2]Si[3]AlO[10](OH)[2] + SiO[2] = KAlSi[3]O[8] + Al[2]SiO[5] + H[2]O • Ms Qtz Kfs Sill W • závisí na parciálním tlaku H[2]O (p[H2O]) • H[2]O-CO[2] system [XH[2]0 = H[2]O/(H[2]O + CO[2])] • fluidní fáze může obsahovat také další podstatné složky (F, Cl, B) III. Metasomotóza • Petrogenetický pochod, při němž dochází k výměnným reakcím mezi látkami přinášenými z vnějších zdrojů a látkami původními.