Magmatické a metamorfní procesy _ Kontaktní metamorfóza a metasomatóza II David Buriánek pouze pro potřeby výuky Osnova 1.Charakteristika kontaktní metamorfózy 2.Metapelity 3.Al-chudé pelity během kontaktní metamorfózy 4.Vývoj chemického složení fluid během kontaktní metamorfózy 5.Metasomatóza 6.Interpretace látkové bilance metasomatických procesů •1) Charakteristika kontaktní metamorfózy •tepelné působení těles vyvřelých hornin •účinky rychle klesají se vzdáleností od kontaktu •rozsah obvykle max. několik km •rozsah aureoly závisí na tvaru tělesa, typu magmatu a petrografickém složení kontaktní aureoly, rozdílu teplot mezi magmatem a okolím (hloubka intruze) •nízký P/T (andalusit-sillimanit- cordietit) D:\Zal\Zal\PDF2\b8Html\PETROLOGYmet\Metam\Contact Metamorphic Series_files\mfacies3.gif C:\David\Skola\met\met\A Very Simple Metamorphic Classification_files\contact.gif Změny teploty v závislosti na čase v kontaktních aureolách 2. Metapelity •důležité svou citlivostí na změny metamorfních podmínek •během prográdní metamorfózy vzniká řada minerálů (možno rozpoznat v terénu) •stupně prográdní metamorfózy (barrovienská) na konci 19. Stol. (Barrow 1893, 1912) •regionální met. charakteristické výskytem tzv. indexových minerálů •v pořadí chlorit, biotit, granát, staurolit, kyanit, sillimanit •Diagramy ilustrují metamorfózu metapelitu v Bt zóně •Kontinuální reakce zvětšuje pole Ms-Bt-Chl a Ms-Kfs-Bt D:\PC\PDF2\8Html\PETROLOGYmet\M2\KFMASH.jpg •v SV Skotsku byla definována metamorfóza typu Buchan •staurolit (biotit) – cordierit – andalusit – sillimanit. •kontaktní metamorfóza a je výsledkem nízkého poměru P/T Metamorfní zóny vymapované barrovienské met. v metapelitech ze Skotska (Konopásek et al. 1998 podle Tilley, 1925) Metamorfní zóny kontaktní metamorfózy (typ Buchan) vyvinuté v oblasti Fanadského plutonu (Konopásek at al. 1998 podle Yardley 1989) Metamorfóza v metapelitech za nízkých tlaků •v nízkotlakých metamorfních terénech (<5 kbar za teploty 700°C) je posloupnost stabilních minerálních asociací v metapelitech poněkud odlišná od barrovineské metamorfózy •zdrojem tepla bývá většinou magmatická intruze (tlaky 1-4 kbar = hloubka 3 – 12 km) •maximální teploty při kontaktní metamorfóze s granity nepřekročí překročí teplotu 650°C •kolem intruzivního tělesa vzniká kontaktní aureola •ve vysokoteplotní kontaktní aureole kolem bazických a ultrabazických hornin z pláště mohou být teploty až 900-1000°C Schématický diagram dynamického vmístění granitového plutonu (hypotéza diapirického plutonu, Flood a Vernon, 1978). Pluton vzniká v spodní kůře (prciálně natavené) a v důsledku nižší hustoty stoupá. S intruzí je svázána deformace okolních hornin a parciální tavení hlavně v spodní části plutonu http://larapinta.geology.adelaide.edu.au/mhand/Teaching/Metamorphic2/lecture5/buchpro.gif KFASH systém •Fe-bohaté horniny kolem 2-3 kbar •kolem 400°C biotit + chlorit + muskovit + křemen (Bucher & Frey 1994) •nejprve chlorit + K-živec se zvyšující se teplotou přechod na biotit + muskovit •pod 500°C se vyskytují minerální asociace: K-živec + biotit, biotit + chlorit, chlorit + chloritoid, chloritoid + andalusit (všechny asociace za podmínek, kdy je nadbytek muskovitu nebo křemene). •andalusit je stabilní do tlaků 3.5 a 5 kbar (stabilita kolísá v závislosti na složení: Fe3+) •mírně nad 500°C mizí chlorit a chloritoid a vzniká granát (ale ne vždy) •kolem 550°C mizí při nadbytku muskovitu biotit a roste zastoupení granátu Ctd+Pl+Qtz+Chl+Ms KFASH systém •kolem 600°C se muskovit rozpadá za přítomnosti křemene na K-živec + andalusit •kolem 650°C je asociace granát (almandin)+ andalusit nestabilní a je nahrazena cordieritem •andalusit + cordierit + K-živec + biotit je nejvyšší asociací v blízkosti granitoidních intruzí •kolem 650-700°C první sillimanit •spinel + křemen je charakteristickou asociací pro velmi vysoké teploty (kolem 770°C za tlaků >2.5 kbar) And+Pl+Qtz+Bt+Ms Fig-28-2NewColor.jpg KFMASH systém Figure-28-15NewColor.jpg P-T pseudosekce KFMASH pro Xbulk: Al2O3 = 45.80, FeO = 21.93, MgO = 19.59, K2O = 9.01 (in mol%) počítáno pomocí programu THERMOCALC, Tinkham et al. (2001). Winter (2010) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. AFM diagram (promítaný přes Kfs) pro spodní facii pyroxenických rohovců. a. Během metamorfózy se pole Crd-And-Bt posunuje směrem Mg koncovému členu. Andalusit je jen Al-bohatých pelitech b. Granát s andalusitem je jen v Al-bohatých pelitech. Winter (2010) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. Fig-28-21NewColor.jpg Fig-28-18NewColor.jpg AFM diagram pro granulitovou facii. Cordierit vzniká reakcí 14 a přerušovaná čára Sil-Bt se mění na plnou Grt-Crd při reakci 17. Winter (2010) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. Fig-28-2NewColor.jpg Figure28-14NewColor.jpg Figure 28.14. P-T pseudosection in KFMASH for mol% SiO2 = 76.14, Al2O3 = 11.25, MgO = 4.89, FeO = 7.33, K2O = 3.39. This composition has Qtz and Ms in excess and H2O was set to saturated. Calculated using both THERMOCALC and PERPLEX and the November 2003 Holland-Powell internally-consistent thermodynamic database with quite similar results. Based on Powell et al. (1998). Extensions of Al2SiO5 polymorph reactions shown as dashed curves for clarity. Winter (2010) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. Fig-28-2NewColor.jpg •substituce Fe – Mg má zásadní význam •cordierit může obsahovat molekulární fluida jako H2O a CO2 ale reakce zahrnující cordierit mohou být počítány pro prostředí bez H2O (n=0). •cordierit v metapelitech má vyšší obsah než koexistující granát nebo spinel •pole cordieritu se výrazně zvětšuje ve srovnání se systémem KFASH •kolem 530°C při 2 kbar se v metapelitech objevuje cordierit Ms + Mg-Chl + Qtz =Mg-Crd + Bt + H2O (14) Ms + Chl + Qtz = Crd + Bt + H2O D:\PC\PDF2\8Html\PETROLOGYmet\M2\KFMASH.jpg • •granát + andalusit + křemen = cordierit •za vyšších teplot se objevuje K-živec, nebo tavenina (K-živec + křemenem + H2O) •biotit + andalusit + křemen = cordierit+ granát •typické asociace asociace: •cordierit + granát + K-živec + biotit •cordierit + granát + K-živec + andalusit (Sil) 3) Al-chudé pelity během kontaktní metamorfózy •Al-chudé pelity ve 350 ºC a 3 kbar mají asociaci: I.chlorit + muskovit + křemen + plagioklas II.Ms + Chl + Qtz = Cdr + Bt +H2O kontinuální reakce (2) III.Ms + Cdr = And + Bt + Qtz + H2O (3) IV.Ms + Qtz = And + Kfs + H2O (4) V.andalusit = sillimanit •konečná asociace je: Sill + Cdr +Kfs + Bt + Ms + Qtz + Pl 450 700 Pattison / Lithos 88 (2006) I. Ms + Chl + Qtz III. Ms + Ms + Cdr + Bt Vývoj minerálního složení metapelitu v kontaktní aureole Vernon-Clarke 2008/ Principles of Metamorphic Petrology •Složení minerální asociace je výrazně závislé na chemickém složení metamorfované horniny Příklad kontaktní metamorfózy •Okolní hornina Chl + Ms + Pl + Qtz + Rt •I. Cld + Ms + Chl + Pl + Qtz + Ilm + Rt •II. Bt + Cld + Ms + Chl + Pl + Qtz + Ilm •III. Grt + Bt + Cld + Ms + Chl + Pl + Qtz + Ilm •IV. And + Bt + Grt + Ms + Chl + Pl + Qtz + Ilm •V. Crd + And + Bt + Ms + Pl + Qtz + Ilm + Chl + Grt •VI Crd + And + Bt + Ms + Pl + Qtz + Ilm •VII Sill + Kfs + Cdr + Bt+Qtz + Ilm + Ms Schematický P–T diagram ukazující pozici metamorfních zón a izográd v kontaktní aureole Ayakhtinsk (Likhanov et al. 2001, syntetizovaná data více autorů (Pattison, 1992 Chatterjee a Johannes, 1974 , Ganguly, 1969, Richardson, 1968 a Seifert, 1970). Isograda: I = Cld-in, II Bt-in, III Grt-in, IV And-in, V Crd-in, VI Grt–Chl-out a VII Sil–Kfs-in. 4) Vývoj chemického složení fluid během kontaktní metamorfózy Tři případy průběhu reakcí v systému CaO-MgO-SiO2-H2O-CO2. Rozdíl je dán rozdílným poměrem množství fluidní fáze a minerálů nebo odlišným množstvím některých minerálních fází. V prvním případě je objem fluid výrazně větší než objem horniny (otevřený systém) fluidy horninou pronikají a udržují stabilní XCO2 Druhý případ reprezentuje uzavřený systém v němž během vzniku Tr roste obsah CO2, protože se tento plyn uvolňuje a naopak se konzumuje H2O, teplota postupně stoupá až do bodu D. Při dalším vzrůstu teplot se tremolit začíná rozpadat a uvolňuje se H2O dokud není spotřebován všechen Tr. V třetím případě je všechen Qtz spotřebován před dosažením bodu D. K další reakci dochází až při rozpadu Tr v důsledku reakce s Dol. http://serc.carleton.edu/images/research_education/equilibria/buffered.jpg http://serc.carleton.edu/images/research_education/equilibria/trccetc.jpg Převzato http://serc.carleton.edu/research_education/equilibria/TXdiagrams.html • •V okolí kontaktních aureol se často mísí magmatická a sed nebo met. fluida. •V důsledku teplotního působení magmatu dochází k výraznému proudění fluid což ovlivňuje vývoj minerálních asociací v kont. aureole. •metamorfní reakce nízkého a středního stupně jsou řízeny hlavně teplotou (se vzrůstem teploty roste tlak fluid a XCO2 ve fluidech) •naproti tomu při reakcích během vrcholu metamorfózy (wolastonitová reakce) jsou reakce výrazně ovlivněny infiltrací fluid s nízkým X CO2 •v pozdních fázích vývoje kontaktní aureoly je nízký obsah CO2 ve fluidech způsoben intenzivním přínosem magmatických fluid Polohy vápenatosilikátových hornin (mramorů) a kvarcitů Předpokládaný vývoj T–XCO2 v horninách v okolí granitového plutonu (Cui et al 2003), minerální reakce počítané pro 750 bar čísla udávají stáří v 1000 let po vmístění magmatu 1 2 •gradienty v chemických potenciálech mají podobně jako termální gradienty tendenci k vyrovnávání •hydrotermální fluida toto vyrovnávání usnadňují •endoskarn: vnitřní část kontaktní zóny která vznikla přeměnou vyvřelé horniny která byla v kontaktu s kontaktním dvorem inruze •exoskarn: vnější lem intruze kde v důsledku přínosu fluid dochází ke změnám metamorfované horniny Metasomatická reakce mezi mramorem a granitem gradient v chemických potenciálech se vyrovnává přesunem Si do vápenců a Ca do granitů vzniká tak wollastonitový lem který odděluje endoskarn a exoskarn D:\prace\PK\obrpol\Pol1\bud1.jpg Wo Cal Qtz+Di+Pl 5) Metasomatóza •Z fluid bohatých Mg se může za běžných podmínek srážet brucit (Mg((OH)2), magnesit (MgCO3), dolomit (CaMg(CO3)2) a také hydratované karbonáty jako je hydromagnesit (MgCO3(OH)2 . 3H2O) stabilitu těchto fází můžeme popsat těmito reakcemi (White 1999): Vlastnosti roztoků a stabilita minerálních fází na příkladu rozpusnosti Mg Hypotetický řez kontaktem mezi křemenem a periklasem (Thompson 1959) s zónami vzniklými v důsledku difuze. červená přerušovaná linie ukazuje obsah wt.% SiO2 další dvě přerušované linie ukazují zněny v chemických potenciálech mSiO2 a mMgO. (Winter 2001, An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall). C:\Book Stuff\Color Figures\Ch 30\Fig 30-10.jpg C:\Book Stuff\Color Figures\Ch 30\Fig 30-12.jpg C:\Book Stuff\Color Figures\Ch 30\Fig 30-11.jpg aSiO2 – aH2O diagram pro fluida v systému MgO-SiO2-H2O při teplotě 600oC a tlaku 0.2 GPa (Winter 2001, An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall). D:\prednasky\mineral\Skarn\skd.gif D:\prednasky\mineral\Skarn\skarn.gif •skarny – silikátová hornina obsahující Ca-Fe-Mg vznikající v důsledku metasomatózy •typické minerály: granáty (grosular-andradit-almandin), pyroxen (diopsid-hedenbergit), plagioklasy (podružně), wollastonit, epidot, vesuvian, kalcit, křemen, skapolit •vznikají na kontaktu s plutonickými tělesy nebo jako důsledek reakce vhodných hornin s hydrotermálními fluidy • Minerální zóny vyvinuté na kontaktu mezi Qtz dioritem a dolomitickým mramorem. čísla ukazují místa odběru pro horninovou analýzu (Frisch a Helgeson 1984, Amer. J. Sci., 284, 121-185; Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall) C:\Book Stuff\Color Figures\Ch 30\Fig 30-28.jpg D:\prednasky\mineral\Skarn\metfig.gif •vznikají také jako produkt reakce mezi dvěma chemicky kontrastními horninami během regionální metamorfózy ( např. rohovcové konkrece v mramoru) • C:\Book Stuff\Color Figures\Ch 30\Fig 30-16.jpg Kontakt ultramafické horniny s rulou (Grafton, Vermont). Bylo vyčleněno několik zón: A = Tlc + Ath, B = Tlc, C = Act + Chl, D = přechodná, E = okolní hornina. (Sanford 1982, Amer. J. Sci., 282, 543-616, upravil Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall). C:\Book Stuff\Color Figures\Ch 30\Fig 30-14.jpg Isoconový diagram (Grant 1986) Econ. Geol., 81, 1976-1982. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. 5) Interpretace látkové bilance metasomatických procesů D:\prace\BMamf\BMobr\fotozelesic\zel6.jpg Dol mramor s žilou Tr+Cal Literatura •Dudek, A. - Fediuk F. - Palivcová M. (1962): Petografické tabulky •Hejtman, B. (1962): Petrografie metamorfovaných hornin •Konopásek, J. – Štípská P. – Klápová H. – Schulmann K . (1998): Metamorfní petrologie •Kornprobst, J. (2002): Metamorphic Rocks and Their Geodynamic Significance. A Petrological Handbook. Petrology and Structural Geology Series Vol. 12. •Vernon, R.H. and Clarke, G.L. (2008): Principles of Metamorphic Petrology. Cambridge University Press, 446 pp., •Naprostá většina obrazového materiálu pochází z celé řady internetových stránek věnujících se metamorfní petrologii