5. Fázová petrologie 5. Fázová petrologie Osnova: • Zobrazení složení hominotvomých minerálů a minerálních asociací • Peírogeneíické mřížky * TtätäPj&MMo • 1. Celkové chemické složení • - kvarcity • - křemen-živcové horniny • - metapelity • - metabazity • - vápenatosilikátové horniny • - metakarbonáty • - ultramafity jiné chemické systémy (méně časté) • - cordierit-antoŕylitové horniny • - železná formace • - manganolity, smirky jiná označení chemických systémů: • - křemen-živcové horniny • - metapelity • - ultramafity horniny (zjednodušené) sío2 Si02-Al203-K20-Na20-CaO-H20 Si02-Al203-K20-MgO-FeO-H20 Si02-Al203-Na20-MgO-FeO-H20 Si02-Al203-K20-CaO-MgO-H20 MgO-CaO-Si02-C02-H20 Si02-MgO-CaO-C02-H20 Si02-Al203-MgO-FeO-H20 Si02-FeO-Fe203-H20 NASH, CASH a CKNASH KMASH, KFASH a KFMASH MS-H70-CO?, CMS-H70-CO? Znázornění chemického složení minerály - bodový chemismus z elektronové mikrosondy 1) váhová procenta kysličníků/molekulová hmotnost = molekulární proporce (kvocienty) 2) počet atomů kovů na určitý počet atomů O = kvocient kovu x (počet at. O/suma kvocientů O) např. Slavík et al. (1972) poměr počtu molů = molární zlomek En MgSi03 = 1 MgO + 1 Si02 Prp Mg3Al2(Si04)3 = 3MgO + 1A1203 + 3Si02 součet molárních zlomků = 1 MgO/(MgO+A1203) = 1/1+1 = 0,5 MgO/(MgO+A1203+Si02) = 3/7 A1203 /(MgO+A1203+Si02) = 1/7 dvoukomponentní systém znázorňující složení olivínu Fo 1 L 1 i L 1 Fa i i 1 1 1 1 1 1 i | 0 20 40 60 80 100 = Mg/(Mg+Fe) Enstatit (Ca a008 Mg x Fe Mn Cr Al Fe3+ ^ rSi Al .839 A c 0.102 1VA11 0.002 ^ 0.012 ^A 0.01 A c 0.01 / v01 1.972 ^l 0.028 )0( enstatit Mg2SÍ206 na 6 0 S1O2 57,73 Si 1,972 T1O2 0,04 Al 0,028 AI2O3 0,95 Al 0,01 Fe2Ü3 0,42 Ti 0,001 Cr203 0,46 Fe3+ 0,01 FeO 3,57 Cr 0,012 MnO 0,08 Mg 1,839 NiO 0,35 Ni 0,01 MgO 36,13 Fe2+ 0,102 CaO 0,23 Mn 0,002 Na20 - Ca 0,008 K2O - Na - H2O+ 0,52 K - H2O- 0,04 100,52 Mg 93,9 Fe 5,7 Ca 0,4 Mg/(Mg+Fe )= 0,94 Mg/(Mg+Si)=0,48 number of moles Si02 Qtz En Fo Per 0 X-------- MgO 1 Enstatite MgSi03 phase vector Forsterite Mg2Si04 1 Periclase MgO number M 0 of moles a Ternární diagramy Jak vynést hodnoty do ternárního diagramu: a) zdrojová data XYZ normalizujeme na 100% b) vyneseme do diagramu: Metoda č. 1 : 70% X, 20% Y, a 10% Z Převzato z An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, John Winter, Prentice Hall. Metoda č. 2 : pro komponenty 70% X, 20% Y, a 10% Z Postup: 10 + 20 = 30= 100% Y = 20 = 67% X= 10 = 33% Převzato z An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, John Winter, Prentice Hall. Talc H2Mg3SÍ4012 H20=l MgO = 3 Si02 = 4 Sum = 8 XMgO"1 intersection of talc phase vector with the mole fraction triangle xh2o " 1 XSi02" 1 MgO D X; =1 HoO mole fraction triangle Muscovite mp K-feldspar m % Sillimanite Jk A Biotite \0 /V FIGURE 5-5 The ABFM projection (after J. B. Thompson). iě užívané ternární diagramy a) A(B)FM Diagram (J.B.Thompson 1957) Metapelity A=A1203 Pyrope B=K20 F=FeO M M=MgO Plagioclase Sillimanite b) ACF Diagram (Eskola, 1900) A=Al203+Fe203-(Na20+K20) C=CaO - 3,3 P205 F=MgO+FeO+MnO •v'-Hornblende v: •v::-v::-v:>v Calcite ^'.v:..v:.-.v::;:^-.v:--.v:.-.v:\r Biotite • • .* ■ • Diopside FIGURE 5-2 ACF diagram for mineral assemblages in quartzo-feldspathic gneisses and associated amphibo ■ lites in an area of southwestern Quebec (data from R. Kretz, 1959, 1963). Stippled field not rf»rnr AeA Kyanite Muscovite c) AKF Diagram (Eskola, 1900) A=Al203-(CaO+Na20+K20) K=K20 F=FeO+MgO+MnO Almandine K Biotite Microcline FIGURE 5-3 AKF diagram for quartz-bearing pelitic rocks of the kyanite zone in Glen Urquhart, northeastern Scotland. Data (from G. N. Francis, 1964) correspond to triangle 1 in Fig. 5-1. Stippled field not represented. Fázové pravidlo systém z> fáze (Phase) z> složka (Component) WW w hornina minerál (s, 1, g) e.g. A1203 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 (Si02, A1203, Cr203, Fe203, FeO, MgO, K20, Na20, CaO, MnO, P205, H20) • 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 =^>^> metamorfní reakce Příklad použití fázového pravidla Pa - 2,2.10" led -5,7 -0,034 ^S křivka sublimace —_______._____I____________I_________l___ 0,0099 100 37A*C Příklad F=C+2-P C=l 221 / 0.06 :ý T Gas (Steam) c 0.008 374 Temperature (C) B P = 1 - voda F = 2 - dva stupně volnosti, Je zde stabilní jen jedna fáze voda teplota i tlak se mohou měnit nezávisle. 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 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 Application of the phase rule In tialurai rucks 9 8 -74- 0)5-- 3 w 4 QJ Ql3- 2- 1 - sj KYANITE JS/ /Want Po/ní/SILLIMAN,TE ANDALUSITE 400 600 b] CaO )0 400 6Ö0 8Ó0 Temperature (°C) Fig. 2.1 a) Pressure-temperature diagram illustrating the stability fields ofandalusite, kvanite and sillimanite, according to Holdaway (1971) (sec also Fig. 3.12). b) Compositional diagram showing the compositions and stable relationships between corundum (COR), wollastonitc (WO), grossular (GR), anorthite (AN), quartz (QZ) and Al-silicate (Al ,S) in the system Ca()-Si02-AhO,, for some arbitrary pressure and temperature. Only phases dircctlv connected bv tic-lines can coexist. Unless lying exactly on a tic-line, any bulk composition in this system will crystallise as a three-phase mixture according to which triangular field it lies within. důsledek fázového pravidla: minerální asociace s velkým počtem fází bude mít j en málo stupňů volnosti, tedy rozsah podmínek za nichž krystalizovala bude přesněji omezen a bude snadnější jej určit na základě výsledků experimentů Fázové pravidlo v metamorfovaných horninách Máme jednoduchý systém, MgO-H20 - V systému mohou vznikat tyto fáze periklas (MgO), voda (H20), a brucit (Mg(OH)2) - může zde proběhnout tato reakce: B A MgO + H20 -► Mg(OH)2 Per + Fluid = Bru Jde o retrográdní reakci, protože se teplota snižuje a hornina hydrátuj e. F=C+2-P A) Per+H20 = 2 = 2+2-2 B) Per + Fluid + Bru = 1 = 2+2-3 Winter (2001). An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. 400 500 600 Temperature (aC) 700 Petrogenetické mřížky - definice shrnutí možných invariantních bodů a mezi nimi ležících reakcí v určeném chemickém systému založeny na experimentech, nebo termodynamické výpočty možnost umístění zjištěných minerálních asociací do specifických P-T polí lze sledovat vývoj horniny v P-T dle pozice pozorovaných reakcí odpovídající celkové složení hornin 2.0 400 500 T 0„ 600 Temperature °C 700 600 Figuře zfl-2. Paleogenetic grid foe lbe system KFMASH al P^, - P^. Orange curves represent the system KFASH and purple curves represenl the system KMASH. Reactions are not balanced, and commonly leave out quartz, muscovrle, and water, which are considered to be present in excess. Typical high, medium, and low P/T metamorphic field gradients sre represented by broad pink arrcws. After Spear and Cheney (1989), and Spear (1999}. Rocks as Chemical Systems rock type system system acronym quartzite SÍ02 S quartzite Si02 - H20 SH metabauxite AI203 - H20 AH iron formation FeO - Si02 - H20 FSH siliceous bauxite AI203 - Si02 - H20 ASH metaperidotite MgO - Si02 - H20 MSH haplogranite KAISÍ308 - NaAISi308 - Si02 KNAS iron formation FeO - Si02 - H20 - 02 FSHO carbonated BIF FeO - Si02 - CO2 - H20 FSCH limestone CaO - Si 02 - CO2 - H20 CSCH whiteschist MgO - AI203 - Si02 - H20 MASH metabauxite K20 - AI203 - Si02 - H20 KASH dry metaperidotite CaO - MgO - AI203 - Si02 CMAS haplogranite KAISÍ308 - NaAISi308 - Si02 - H2O KNASH metagranite K20 - Na20 - AI203 - Si02 - H2O KNASH dry metabasalt CaO - FeO - MgO - AI2O3 - Si02 CMFAS siliceous dolomite CaO - MgO - Si02 - CO2 - H2O CMSCH haplopelite K20 - FeO - AI203 - Si02 - H2O KMASH metaperidotite CaO - MgO - AI2O3 - Si02 - H2O CMASH metabauxite K20 - Na20 - AI203 - Si02 - H2O KASH metapelite K20 - FeO - MgO - AI203 - Si02 - H2O KFMASH metagranite K20 - Na20 - AI203 - Si02 - H2O KNASH haplo-amphibolite CaO - FeO - MgO - AI2O3 - Si02 - H2O CFMASH amphibolite Na20 - CaO - FeO - MgO - AI2O3 - Si02 - H2O NCFMASH most rocks K20 - Na20 - CaO - FeO - MgO - AI2Q3 - Si02 - CO2 - H2O - O2 Vliv celkového chemického složení systému System F o - Di Equilibrium crystallisation of X 0 -3S 100 Fractional melting of Y Temp 1390 Melting: Fo = L3 Piire Fo, solid. 1333 Melting starts: Di+Fo= LI LI extracted instaiUCaiueoTisljr Melting- c ouJturuĚ s Tintil Di eidia listed, resütie comprises pure Fo, »M melting ceases. T 1392 1333 L2 L3, r& + Z E 1390 1500 Bulí comp of ž ion D topside Y Forsterite Under completely equilibrium conditions, melting and crystallisation foliow exactly reversible paths. Under non-equilibrium (eg fractional melting, crystallisation) conditions, this is no longer true. Stabilita minerální asociace je závislá zejména na tlaku, teplotě a chemickém složení systému Izomorfní míšení mezi koncovými členy olivínu fayalitem (Fe2Si04) a forsteritem (Mg2Si04). ULTRABAZICKÉ HORNINY Pro zobrazení ultrabazických hornin je vhodný systém MgO - H20 V těchto horninách se můžeme setkat s minerály: forsterit: Mg2Si04 brucit: Mg(OH)2 mastek: Mg3Si4012H2 msh diagram antofylit: Mg7Si8024H2 antigorit: Mg6Si4018H8 enstatit: Mg2Si206 Krajní body trojúhelníku tvoří: periklas: MgO křemen: Si02 voda: H20 -SiO. 3- O X ■*— Rovina molárního zlomku -*- Fo -•- Brc -■- En +- Tle Si02 pseudobinary system colinearity degeneracy MgO system component Per 9- Per, Brc Fo En + H20 Fo Atg En At Tic h MgO 0.66 0.5 0.43 0.57 0.46 SiO Qtz 0-6/ 'St Cid 0.4, 0.2, FeO 0.2, - - 0,4/ 0.6 Grt Stp ,0.8 .0.6 ,Crd ,0,4 Chľ i0,2 '-----------------------------!----- i j —\-------------------! \ i i Rt • \ i --------n------------ MgO ,-0.6 0.2 0.4 Kťs 0.6 0.8 MgO 1.0 FeO + MgO (mole) Almandin: Fe3 Al2 [Si04]3 - Garnát: A2+3 B3+2 [Si04]3 Muskovit: K Al2 [Si3AlO10] (OH)2 Flogopit: K Mg3 [Si3AlO10] (OH)2 Chlorit: (Mg, Fe)3 [(Si, Al)4O10] (OH)2 (Mg, Fe)3 (0H)6 Albit: NaAlSi308 Minerál (Ms) 1) oxidy přepočítat na molární hmotnostní kvoc. a na procenta (celek 100%) 2) F= X FeO 3)M = XMgO(l-XFeO) A = St =>(A1203)/ (A1203+FeO+MgO); Bt => (A1203/2) - (3*(K20/2)/((A1203/2)+ FeO+MgO) - (3*(K20/2)) I. Metamorfní reakce A) Diskontinualni Univariantní reakce zánik minerálu nebo minerální asociace a krystalizace =^> stabilizace nové rovnováha reaktantu a produktů jen na univariantní křivce NaAlSi206 + Si02 Jd Qtz NaAlSi308 Ab 2.0 i i i LX 1.6 'c? Q_ S 1.2 Jadeite + Quartz ^^ Pressure o ČO -^^ Albite 0.4 ■ i i 200 400 600 800 Temperature °C MgSi03 + CaAl2Si208 = CaMgSi206 + Al2Si05 En An Di And 4 (Mg,Fe)Si03 + CaAl2Si208 = (Mg,Fe)3Al2Si3012 + Ca(Mg,Fe)Si206 + Si02 Opx Plag Grt Cpx Qtz terminálová reakce a) reaktant či produkt 1 fáze (1 fáze zmizí nebo se v systému naopak objeví) F křížení spojovacích linií reaktant a produkt 2 fáze F +SI02 +H2O -(Ms U +SI02 +II2<> +SI02 +H20 +Ms 4= U QQ + + C o (75 +ÍÍIO; +H2<> +Ms • Reakční koróny • vznikají kolem minerálů, které jsou v minerální asociaci dané horniny nestabilní. Právě koróna uchránila tento minerál před přeměnou. 1) Koróna vznikla mezi plagioklasem a amfiboly obklopujícími plagioklasové zrno. Rovnoběžné a zkřížené nikoly a -O vi O) 20 18 \— 16 14 h- 12 10 KFMASH / 350 450 550 Temperature °C 650 750 Staurolite Isograd? - only in rocks vAh composition n • Gamet + Chlorite + Muscovite = Staurolite + Biotite + Quartz + H20 Kyanite Staurollte Garnet n K-spar H -s p a i Kyanite isograů staurolite = garnet + biotite + A12SÍ05 *■ Quartz • M ueců^it* nrr K -Spul K-spar 3> a Í 10 i 0 DUÍ t Qt£\ ť>,7 * 0.6 l. fr li + '.íl í ^ 4Diř 5ÜU 600 TumpĽJiilare/C 7» Xíiri • staurolite = garnet + biotite + A12SÍ05 (sillimanite) Plane polarized light digital image showing extensively resorbed Staurolite rimmed by sillimanite and biotite B) Kontinuální reakce Divariantni reakce - Chi + Ms + Qtz-> Grt + Bt + H20 - Chi + Cid + Qtz -> Grt + H20 ^mění se chemické složení zúčastněných minerálů (vzájemná konzumace) během divariantní reakce nevzniká žádný nový minerál 1900- 1890 20 40 60 Wt.% Forsterite 80 Fo o Mg / (Fe + Mg) 1 Isobaric T-X phase diagram at atmospheric pressure After Bowen and Shairer (1932), Amer. J. Sei. 5th Ser., 24,177-213. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. kontinuální reakce - nejčastější substituce FeMg^ posun dílčích trojúhelníků s měnícími se P-T podmínkami k vrcholu F či M XM = Mg/(Mg+Fe) pro minerály různé (různá preference v různých mřížkách) X Crd>X chl>X Bt>X Cld>X St>X Grt ^Mg ^ ^Mg ^ ^Mg ^ ^Mg ^ ^Mg ^ ^Mg (viz pozice v AFM) Mg-Grt + Ky T-XM diagram pro kontinuální reakci Cid = Grt + Ky A * * Chlorite Increasing grade Hornina má složení: Qtz+Ms+Bt+Chl Chi + Qtz => Grt + Mg- Chlorit + H20 Garnet + H,0 Chlorite + Qtz Mg Mg+Fe 1 3> a Í 10 i 0 DUÍ t Qt£\ ť>,7 * 0.6 l. fr li + '.íl í ^ 4Diř 5ÜU 600 TumpĽJiilare/C 7» Xíiri MgSi03 + CaFeSi206 = FeSi03 + CaMgSi206 Annite + Pyrope = Phlogopite + Almandine • Mg-Fe substituce • oba minerály mají Mg a Fe komponentu ^> geotermometry Bíotite Biotite 10íl O 2 3 Distance mm Fig. 25-13a. Chemical zoning profiles across a garnet from the Tauern Window. After Spear (1989) C) Devolatilizační reakce (dehydratační a dekarbonační reakce) pro většinu hornin postačuje system H20-C02 800- 9 600 1 Q. E t----------1----------1----------1----------1----------1----------1----------1----------r 400 - 200 0,0 Wo + CO, Cal + Qtz Pnu« = Pum = 0-5 GPa _i_______L Pro karbonátoví horniny jsou důležité dekarbonační reakce CaC03 +Si02 CaSi03 + C02 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 XCCL dehydratační reakce (typická pro metapelity): KAl2Si3AlO10(OH)2 + Si02 = KAlSi308 + Al2Si05 + H20 Ms Qtz Kfs Sill W závisí na parciálním tlaku H20 (pH20) H20-C02 system [XH20 = H20/(H20 + C02)] fluidní fáze může obsahovat také další podstatné složky (F, Cl, B) S poklesem obsahu x H20 je reakce tlačena do nižších teplot 800 - 32 Q. E .«o 400- 200 - 0.0 i------------1------------1------------1------------1------------r P™ = puih = 0.5 GPa Kfs + AI2Si05 + H20 Ms + Qtz 1.01—f 0.8 - CO Q_ S 0.6 tu L— £ 0.4- 0.2- 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 lH20 t----------1----------r ~n—t—T~TT 0.1 0.2 0.4 o.e o:s HřO Ms + _i_________i_ t---------r P = P Si05 + H£0 200 400 600 800 1000 Temperature QC D) Oxidačně - redukční reakce - 6 Fe203 = 4 Fe304 + 02 (MH) - 2 Fe, 04 + 3 Si02 = 3 F^SiQ, + 02 Isobaric T-f02 diagram showing the location of reactions (26-13) -(26-15) used to buffer oxygen in experimental systems. After Frost (1991), Rev. in Mineralogy, 25, MSA, pp. 469-488. -60 200 Fe in native metallic state 400 600 800 Temperature °C 1000 IL Anatexe (na tavení) proces na rozhraní magmatických a metamorfních procesů, reakce produkující novou fázi - taveninu začátek tavení, množství a složení I taveniny závisí na: P, T, X (složení protolitu), obsahu a složení fluid (water-saturated vs. I fluid-absent) j nejnižší T tavení - vodou nasycený granit (625°C/5 kbar) solidus bazických hornin za přebytku H20 - cca 650°C (P = 6 kbar). při dehydratačním tavení produkován s taveninou Kfs + Opx, Grt, As Some textures of migmatites. From Mehnert (1968) Migmatites and the Origin of Granitic Rocks. Elsevier. Simplified P-T phase diagram and b. quantity of melt generated during the melting of muscovite-biotite-bearing crustal source rocks, after Clarke (1992) Granitoid Rocks. Chapman Hall, London; and Vielzeuf and Holloway (1988) Contrib. Mineral Petrol, 98, 257-276. Shaded areas in (a) indicate melt generation. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. cö D_ O Q. a. ' <é? ' 1 A /& 1.2 í* "o L i é/ŕ \% 0.8 ® \ A */ AtfCOf^ \ y& \ 0 -*&\ --< ^-- i 600 700 T°C 800 100 50 CD E b. muscovtte breakdown quantity of melt depends on modal % muscovite biotite breakdown rapid production of melt melting of anhydrous phases gradual increase of melt% with T 700 800 T°C 1000 III. Metasomotóza Petrogenetický pochod, při němž dochází k výměnným reakcím mezi látkami přinášenými z vnějších zdrojů a látkami původními. - Výměnné reakce mezi látkami přinášenými fluidy z vnějších zdrojů (např. magma) a minerály v původní hornině. - Postihuje: karbonátové horniny (skarny), ultrabazika (rodingity) - Lokální rovnováhy Některé minerály reagují s fluidy a vznikají nové minerální fáze -2 KAlSi308 + 2 H+ + H20 = Al2Si205 (OH)4 + Si02 + 2 K+ Kfs voda kaolinite "Granodiorite" Plag + Cpx + Qtz Plag + Cpx Cpx + Grt Grt + Wo Wo Cal Ca<- ■> Fe -* Si Zonation in an experimental skarn formed at the contact between granodiorite and limestone at 600°C, Pfluid = 0.1 GPa (XC02 = 0.07). After Zharikov, V.A. and G.P. Zaraisky (1991) Experimental modeling of wall-rock metasomatism. In L. L Perchuck (ed.), Progress in Metamorphic and Magmatic Petrology. A Memorial Volume in Honor ofD. S. Korzhinskii. Cambridge University Press. Cambridge, pp. 197-245. Photo courtesy G. Zaraisky. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. Literatura Dudek, A. - Fediuk F. - Palivcová M. (1962): Petografické tabulky • Hejtman, B. (1962): Petrografie metamorfováných hornin Konopásek, J. - Stípská P. - Klápová H. - Schulmann K . (1998): Metamorfní petrologie Naprostá většina obrazového materiálu pochází z celé řady internetových stránek věnujících se metamorfní petrologii