Vulkanizmus a jeho důsledky I. Úvod David Buriánek Pouze pro potřebu výuky A. Kde najdeme vulkány? • vznik většiny vulkanických hornin souvisí s deskovou tektoniku • kolem 95% všech vulkanitů nachází na deskových rozhraních (Wyllie, 1971) • vulkány uvnitř oceánské nebo kontinentální desky mají zdroj v plášti (Christiansen, 1987) • v různých typech geotektonického prostředí je magma generováno: ▪ odlišnými procesy ▪ v různých hloubkových úrovních pláště nebo kůry I. u magmatu na horkých skvrnách se zdroj nachází v hloubkách nad 50 km II. u kontinentálního riftů je magma generováno z pláště a tavením kůry III. magma vázané na vulk. oblouky vzniká ve střední hloubce - několik desítek km IV. magma v orogenních oblastech vzniká magma v důsledek zvětšení mocnosti kůry 1. Středooceánský rift (Mid-ocean Ridges), 2. Intrakontinentální rift (Intracontinental Rifts), 3. Ostrovní oblouk (Island Arcs), 4. Aktivní kontinentální okraj (Active Continental Margins), 5. Zaobloukový bazén (Back-arc Basins), 6. Vulkanické ostrovy (Ocean Island Basalts), 7. Různé intrakontinentální vulkanity (Intra-Continental Activity) = kimberlity, karbonatity, anortozity) • Magma může vznikat v různých tektonických prostředích: • 1) divergentní desková rozhraní • A) středooceánské rift • B) kontinentální riftové zóny • C) zaobloukový bazén • 2) konvergentní desková rozhraní • A) subdukční zóny na aktivním okraji kontinentů • B) subdukční zóny pod ostrovními oblouky • C) orogenní pásma • 3) uvnitř desek • A) horké skvrny intrakontinentální (platóbazalty) • B) vulkanické ostrovy Odhad množství magmatu generovaného v různých geotektonických prostředích (odhad je v kubických kilometrech za rok, Schmincke H-U, Vulkanismus) Tepelný tok oranžová: divergence modrá: konvergence zelená: transformní zlomy • rozdílný mechanizmus vzniku magmatu na konvergentních a divergentních rozhraních Magma směs roztavené horniny, krystalů a plynů • řecké slovo = plastický, tvarovatelný • magma má nižší hustotu než okolní horniny a proto stoupá k povrchu • Si, Al, Fe, Ca, Mg, K, Na, Ti, H a O tvoří 99 hm.% většiny magmat • teplota běžných magmat 650–1200 °C • karbonatity ale tuhnou až kolem 600 °C a komatity 1600 °C B. Co je magma ? • Typy magmat 1. Bazaltové (1000-1200oC) - SiO2 45-55 wt%, vysoké obsahy Fe, Mg, Ca, nízké K, Na 2. Andezitové (800-1000oC) - SiO2 55-65 wt%, střední obsahy Fe, Mg, Ca, Na, K 3. Ryolitové (650-800oC) - SiO2 65-75%, nízké obsahy Fe, Mg, Ca, vysoké obsahy K, Na • magma může krystalovat odlišnou rychlostí a v různých PTX podmínkách což ovlivňuje strukturu a texturu horniny: • Výlevné (vulkanické): krystalizují na povrchu - rychle (extrusive or volcanic) • Hlubinné (plutonické): krystalizují pod povrchem - pomalu (intrusive or plutonic) Žíla bazaltu proráží andezitovou žílu (Perm) Mongolsko Pegmatitová žíla proráží gabro Mongolsko Sklovitá – sklo a jen ojedinělé vyrostlice Hemikrystalická - sklovitá základní hmota a lištovité krystaly živce Holokrystalická Struktury hornin indikují jejich vývoj Porfyrický andezity - Kostarika D. Magmatické procesy 1) Vznik magmatu a) závislý na tektonické pozicí, b) je produktem parciálního tavení sv. pláště (100-150 km) nebo kůry (10-20 km) 2) Diferenciace a výstup k povrchu a) frakční krystalizace b) asimilace c) míšení 3) Procesy v magmatickém krbu a) frakční krystalizace b) asimilace c) míšení d) gravitační separace 4) Procesy spojené s vmístěním magmatu a) ztráta plynů b) sekundární alterace D. 1. Jak vzniká magma? • bazalty vznikají parciálním tavením pláště • ryolity parciálním tavením kontinentální kůry nebo diferenciací bazaltové taveniny Parciální tavení • teplota roste v zemském tělese s hloubkou podle geotermálního gradientu • tavení je ovlivněno přítomností fluid v systému Tavení bez fluid Tavení minerálů s H2O nebo CO2 Mechanismy tavení 1) Dekompresní tavení: prudké vyzdvižení horniny z vyšších hloubek 2) Přínos tepla: do kůry intruduje horké plášťové magma 3) Přínos fluidní fáze: teplota tavení se snižuje jestliže do systému vstupuje voda • modifikují ho procesy které probíhají během jeho výstupu k povrchu • důležitý je způsob transportu k povrchu a procesy v magmatickém krbu Důležité pojmy Primární tavenina (Primary melts): je to tavenina vzniká roztavením horniny a neprošla žádnou diferenciací (leukosom v migmatitu) Mateřská tavenina (Parental melts): je to magma jehož frakcionací vznikla pozorovaná diverzita horninového komplexu (někdy jde o hypotetickou taveninu) nemusí být vždy totožná s primární taveninou. D.2. Co se děje s magmatem během výstupu k povrchu C. Jaký je rozdíl mezi intruzivní a extruzivní horninou ? Andezit (Komňa) D.3. Jak se chovají horniny v magmatickém krbu? • Během krystalizace jednotlivých minerálů se mění složení taveniny Chování některých prvků během frakční krystalizace olivínu a klinopyroxenu (Wilson 2007) jednotlivé minerály ovlivňují chování různých prvků Ni, Co, Cr – typické pro plášťové horniny úbytek Ni indikuje krystalizaci olivínu a Cr krystalizaci chromitu nebo klinopyroxenu V, Ti – frakcionace Fe-Ti oxidů (ilm, Ti-magnetit) když se V a Ti chovají rozdílně tak je tam titanit a rutil Zr, Hf – v plášťových minerálech se nekumulují, mohou nahrazovat Ti ve spinelu a rutilu, v kyselých horninách zirkon Ba - substituce za K v Kfs, Amp, Bt Rb - substituce za K v Kfs, Amp, Bt Sr - substituce za Ca v Pl nebo K v Kfs REE – Grt a Amp (HREE), Ttn (LREE), akcesorie Mnz atd, živce hlavně Eu. Bazalt = Olivín: (Mg,Fe)2SiO4 Augit: Ca(Mg,Fe)Si2O6 Plagioklas (Ca,Na)(Al,Si)4O8 Enstatit (Mg,Fe)SiO3 Ilmenit: FeTiO3 • Procesy: 1) Rovnovážná a frakční krystalizace 2) Asimilace 3) Magma mixing a mingling 4) Odmíšení dvou nemísitelných magmat Vápenato-alkalické Tholeitické B-A A D R Porfyrický analcimit – Doupovské hory 1) Rovnovážná a frakční krystalizace krystalizace rovnovážná krystalizace • tavenina je v rovnováze s krystaly frakční krystalizace • dochází k separaci dříve krystalizujících minerálů od taveniny • tavenina se ochuzuje o prvky přítomné v těchto minerálech • Frakční krystalizace (Fractional crystallization): • při frakční krystalizaci se z taveniny odděluje část krystalů • složení krystalů závisí na chemickém složení taveniny, • také na tlaku teplotě a složení koexistující fluid. fáze Frakční krystalizace Chromit v dunituAnorthozit • Kumulátové stavby Plagioklasový ortokumulát • krystaly plagioklasu-An • obklopeny taveninou jiného složení • interkumulus 25-50 % • tavenina reagovala s Pl Plagioklasový mesokumulát • středně bazický plagioklas • roste ještě během krystalizace interkumulu • inerkumulus 7-25 % • Plagioklasový adkumulát • postkumulátový Pl • růstem vytlačil většinu intersticiální taveniny • Vznik kumulátové stavby • dochází ke gravitační sedimentaci dříve krystalovaných minerálů • sedimentace je často ovlivněna prouděním v mag. krbu • Kumulus (cumulus): automorfně omezené krystaly které v magmatu sedimentují • Interkumulus (intercumulus): minerály nebo tavenina které vyplňují prostor mezi těmito krystaly (a) krystaly plagioklasu sedimentují na okraji magmatického krbu, (b) tavenina mezi krystaly tuhne Kumulus olivínu obklopený pyroxeny (Perná) Kumulátové gabro, Mongolsko Primary liquids are hot but dense Olivine and pyroxene fractionation reduce magma density Common basalts are cooler, evolved liquids that are richer in felsic components and are less dense Density of crust Ferrobasalts are iron-rich and dense because of prolonged crystallization of Mg-rich minerals Titanomagnetite crystallization begins Highly evolved magmas may include granitic or monzonitic rocks Basalt density changes with basalt evolution Common basalts are very abundant, but less evolved primary magmas, and more evolved ferrobasaltic magmas are expected too; yet they are rare. One possibility for their rarity is that the crust acts as a "density filter", prefferentially letting through basaltic liquids less dense than the crust, but not letting the denser primary liquids and ferrobasalts through except in special circumstances. Density Magma evolution characteristic (e.g., decreasing temp.) běžné bazalty jsou velmi hojné méně vyvinutá primární magmata (Mg) a více vyvinuté Fe bazalty jsou vzácné jedním z možných důvodů může být fakt že kůra hraje roli hustotního filtru jen běžné bazaltové magma je méně husté než primární nebo železem bohaté magma • Separaci krystalů a taveniny může také způsobit tok magmatu na okraji žíly je větší hustota a nižší rychlost toku takže rychlost pohybu krystalů je nižší proud kolem těchto krystalů není laminární – větší krystaly jsou vytlačovány ke středu žíly Drever and Johnston (1958). Royal Soc. Edinburgh Trans., 63, 459-499 C o u n try ro c k D ik e o rs ill F lo w v e lo c ity in d ik e F lo w fie ld F lo w fie ld in th e p h e n o c ry s t re fe re n c e fra m e M o re re a lis tic flo w d e ta il S lo w F a st L o w p re ssu re sid e H ig h -p re ssu re sid e N e t tra n sp o rt rozdílná rychlost toku magmatu na okrajích a ve středu žíly xenolity a krystaly migrují od okraje žíly podobný princip jako udržuje letadlo ve vzduchu • 2) Asimilace (Assimilation): • horké magma intruduje do studené kůry, kterou taví • míšení obou tavenin • xenolity nebo xenokrysty Septum Roof Pendant Offshoot Cupola Lahee (1961), Field Geology. © McGraw Hill. New York Asimilace xenolitů migmatitů granitem , Rácov C o u n tr y r o c k S in g le c ry s ta l x e n o c ry s tb ro k e n fro m th e d ik e s a lls P h e n o c ry s ts g ro w fro m th e liq u id D ik e o rs ill P o ly c ry s ta llin e X e n o lith b ro k e n fro m th e d ik e w a lls B ra n c h d ik e Při výstupu magmatu k povrchu vznikají: 1) fenokrystaly: malý počet nukleačních center 2) xenokrysty: magma odtrhává ze stěn žíly a) jednotlivá minerální zrna (xenokrysty) b) úlomky hornin (xenolity) Xenokrysty cordieritu v granitu, Roštejn Xenolity v granitu, Rácov Rozpouštění vs. magmatická krystalizace Xenokryst křemene lemovaný amfibolem v žíle bazaltu z výchozu v. od Omic Xenolit Grt-Cdr rohovce v granitu, Jalapa Enklávy jemnozrnného gabra v granitu, z lomu Omice • 3) Magma mixing a mingling (Magma mixing, mingling) • dochází k míšení dvou magmat s rozdílným chemickým složením Enkláva Amp-Bt gabra v granodioritu, Jalapa • 4) odmíšení dvou nemísitelných magmat: • dvě magmata jsou chem. odlišná (např. hustota) • nedochází k jejich míšení (olej a voda) • nebo dojde k tvorbě nějaké přechodné fáze (globule granitického složení v bazaltové matrix) • tento proces byl v interpretacích využíván v minulém století a dnes již není populární. • jsou známy případy kdy se uplatnil: • měsíční bazalty basalt ==> 'granitické' globule • v alkalických intruzích dochází k odmíšení dvou silikátových tavenin • silikátové a karbonátové taveniny • v bazických intruzích dochází k odmíšení silikátové s sulfidické taveniny D.4. Vmístění a krystalizace magmatu Krystalizace bazaltu Význam fluidní fáze • snižuje viskozitu magmatu • ovlivňuje typ erupce • studium složení fluid umožňuje předpovědět erupci Porfyrický olivinický bazalt - “svrchní andezity” vulkanické struktury Santa Lucia (D0136), BSE snímek. C o u n tr y r o c k D ia p ir ic r is e th r o u g h c o u n tr y r o c k B a llo o n in g F e e d e rd ik e s p e rio d ic a lly in je c t n e w m a g m a b a tc h e s C o u n try ro c k Magma směřuje na povrch Ballooning • rychlý přínos magmatu žilami do určité hloubky • hloubka závislá na: • a) hustotě magmatu a okolních hornin • b) plasticitě a pevnosti okolních hornin Výstup v důsledku tavení a asimilace okolí • tavenina interaguje přímo s okolní horninou • konvektivní proudění usnadňuje tavení okolí Diapirický výstup magmatu • výstup lehkého magmatu přes hustší okolí • podobně jako diapiry na solných ložiscích • magma většinou není dost vyskózní aby tento mechanizmus probíhal • mechanicky je snazší penetrovat strop mag. krbu v tenkých žilách než jako jedna kapka Vylamování • v malých hloubkách jsou horniny křehké • termální a mechanický stres spojenému s intruzí plutonu horniny rozláme • uvolněné bloky mají vyšší hustotu než magma a zapadají do magmatického krbu • při dlouhém pobytu v magmatu jsou xenolity částečně nataven • rozpadají se a postupně ztrácí svou identitu (sloní hřbitov) Stock et al. 2012 Intr usivedike Pravé žíly (dikes) jsou ke svému okolí orientovány diskordantně Intr usivesill Ložní žíly (sills) jsou ke svému okolí orientovány konkordantně Rozdílná velikost zrna závisí na rozdílné rychlostí chladnutí v různé vzdálenosti od okraje tělesa. Schlazený okraj žíly, Rácov Intr usivelaccolith( thicksill) Intrusivelopolith Lakolity • speciálním typ ložních žil • magma vydouvá nadložní vrstvy • tento jev je typický pro viskózní kyselá magmata Lopolit • má mísovitý tvar • ten je typický pro páskované mafické intruze kumulátových hornin • Pluton • rozsáhlé magmatické těleso (několik km až stovek km velké) • většina plutonů je složena z více než jednoho typu vyvřelin (složené plutony – composite pluton) • vznikají: • A) intruze několika typů magmat • B) intruze jednoho magmatu, které ztuhlo v několika etapách diferenciace • Batholit • větší složená tělesa o velikosti několik tisíc čtverečních kilometrů • bývají složeny z celé řady menších plutonických těles • tvoří se v regionech kam bylo dodáváno velké množství magmatu po dlouhou dobu (např. subdukční zóny nebo kontinentální rifty) Magma na povrchu 1. Neexplozivní • charakteristický je nízký obsah plynů a nízká viskozita magmatu (bazické až andezitové) • magma se vylévá na povrch v podobě rozsáhlých lávových proudů nebo kup • plyny se uvolňují ohnivými fontánami • pod vodou vznikají polštářové lávy (Pillow lavas) 2. Explozivní • magmata s vysokým obsahem plynů a vysokou viskozitou (andezitové až ryolitové magma). • plyny jsou drženy vysokou viskozitou magmatu pouze v magmatickém krbu pod povrchem • při povrchu bubliny plynů expandují – exploze a vznik pyroklastik • nad sopkou vznikne erupční pyroklastický sloupec, který stoupá až do výšky 45 km (eruption column) Alterace a zvětrávání Použitá literatura • řada prezentací volně dostupná na internetu • Strahler, A. (1999): Introducing Physical Geography. Wiley, New York • Karásek, J. (2001): Základy obecné geomorfologie. Přírodovědecká fakulta MU, Brno, 216 s. • Demek, J. (1987): Obecná geomorfologie. Academia, Praha, 476 s. • http://www.geology.cz/aplikace/encyklopedie • http://www.geology.sdsu.edu/how_volcanoes_work/ • http://volcanoes.usgs.gov/ • http://en.wikipedia.org/ • http://volcano.und.nodak.edu • http://www.sopky.cz/