Vulkanizmus a jeho důsledky I. Úvod David Buriánek Pouze pro potřebu výuky Geotektonická pozice magmatu Čížková 2010 • Kůra je oproti plášti • obohacena nekompatibilními (mobilními) prvky např. Si, Al, Na, K, Rb, U, Th, REE, Ba, Sr, Zr, Nb, Ta • ochuzena o kompatibilní prvky např. Mg, Fe, Cr, Ni, Co • I. Okraje litosferických desek • 1) divergntní • A) Středooceánský hřbet nebo zoblouková pánev • MORB = Mid Ocean Ridge Basalt • neexplozivní výlevy v pásu přes 70 000 km dlouhém • dominují TH bazalty • zdroj plášť • Hydrotermální cirkulace v oceánské kůře = mořská voda je zahřívána až na 400 °C • alterace bazaltů a uvolňování některých prvků (Si, Ca, Mn, Zn, Fe, Cu atd.) = „black and white smokers“ vzdálenost (km) 10 105 50 2 4 6 8 Hloubka(km) Moho Přechod. zóna Tavenina (Mush) Gabro Riftové údolí Bazalt Peridotit • rozšiřování středooceánského hřbetu 2 cm/rok (Atlantik) – 18 cm/ rok (Pacifik) • recentní oceánická kůra stará max. 120 mil. let B) Intrakontinentální rift Africa Arabia • ALK • bazalty, bazanity atd. • zdroj plášť + tavení kont. kůry • I. Okraje litosferických desek • 2) konvrgentní • A) subdukce oceánská-oceánská deska, oceánská-kontinentální deska • TH, CA-ALK, ALK • diferenciované bazalty, andezity, ryolity • tavení subdukovné oceánské desky a nadložní (kontinentální nebo oceánská deska) Wilson (1989) Igneous Petrogenesis, Allen Unwin/Kluwer. • B) orogenní pásmo • tavení kontinentální kůry • kyselá magmata • hlavně drobné plutony granitů Ostrovní oblouky (Island Arcs) Indonésie Aktivní kontinentální okraj (Active Continental Margins) Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. • dehydratace subdukované desky • metasomatóza pláště • tavení spodní kontinentální kůry • časté procesy frakční krystalizace, mixing a mingling magmat případně asimilace • vznik magmat andezitového a dacitového složení • silné ochuzení o HFSE v důsledku metasomatózy zdrojového pláště • oproti IA horninám: • 1) zcela chybí tholeitické členy • 2) výrazně vyšší obsah K2O a dalších LILE (Rb, Ba, U, Th) • 3) nižší obsahy kompatibilních prvků (Ni, Co, Cr) • II. Uvnitř litosferických desek • 1) oceánská (oceánské ostrovy) • TH, ALK • alk. bazalty (dif.) • 2) kontinentální (platóbazalty) • TH, ALK • bazalty (dif.) • 3) další intrakontinentální vulkanity • kimberlity, karbonatity, anortozity Vulkanické ostrovy (Ocean Island Basalts = OIB) Crough (1983) Ann. Rev. Earth Planet. Sci., 11, 165-193. direction Plató bazalty Etendeka a Paraná province (Tristan hot spot), Wilson (1989), Igneous Petrogenesis. Kluwer. • Plató bazalty (Continental flood basalts = CFB) vznikají nad plášťovým chocholem • Velké objemy magmatu: • Křídové plató bazalty Paraná více než 1000 000 km2 • Křídové až eocenní plató bazalty Decan více než 1000 000 km3 Hooper (1988a) The Columbia River Basalt. In J. D. Macdougall (ed.), Continental Flood Basalts. Kluwer. 1-34. 1) Odběr vzorků: 3-5 kg homogenní materiál (žíly, enklávy atd.) nealterovaná hornina vznikne pole do nějž spadají analýzy s určitou pravděpodobností 2) Klasifikace: modální vs. chemická analýza (diagram TAS, CIPW klasifikace) Chemické členění: tholeiitické 12-16 wt.% Al2O3 vápenatoalkalické 16-20 wt.% Al2O3 Jak analyzovat horniny 1) numerická klasifikace: statisticky se zhodnotí četnost výskytu hodnot vznikne pole do nějž spadají analýzy s určitou pravděpod. 2) diskriminační analýza: pomocí statistiky se hledají parametry, které nejlépe oddělují jednotlivé skupiny hornin 3) empirické diagramy: podle znalostí vztahů mezi chem a genezí 4) expertní systémy: shrnují více kritérií (statistika + pozorování v terénu atd.) Způsoby klasifikace hornin 3 1 2 Problém alterace • obsahy řady důležitých prvků mohou být modifikovány • mobilní vs. nemobilní prvky (například Ti a Zr nemobilní, K mobilní) • nemobilní prvky mohou být mobilní za extrémních podmínek: např. F, Cl, B fluida, podmínky blízké tavení a tavení. • Nečastěji je magma generováno v několika geotektonických prostředích: 1) ostrovní oblouky (Island Arcs): souvisí se subdukcí a vznikají v kompresním režimu, intermediální až bazické horniny, magmatický krb ve střední hloubce 2) kontinentální oblouky (Continental Arcs): souvisí se subdukcí a vznikají v kompresním režimu, intermediální až kyselé horniny, magmatický krb ve střední hloubce 3) středooceánské rifty: vzniká v extenzním režimu a produkuje hlavně bazické vulkanity 4) plášťový chochol (mantle plume) souvisí s konvekčním pohybem v plášťových celách (Clague and Dalrymple, 1987) 5) kontinentální rifting (continental rifting): ztenčování litosféry (lithospheric thinning) je spojeno s extenzní tektonikou (Riecker, 1979 a Christiansen and McKee, 1978) • vulkány se vyskytují hlavně na hranicích litosférických desek • v prostředí vulkanických oblouků vzniká zhruba 26 % • v prostředí středooceánských hřbetů (riftů) vzniká zhruba 63 % objemu magmatu produkovaného na zemském povrchu (Schmincke, 1982) • uvnitř litosférických desek jsou zastoupeny vulkány horkých skvrn a na riftových strukturách • během posledních 10 000 let bylo na zemském povrchu aktivních zhruba 1400 vulkánů Velké erupce v nedávné minulosti B. Klasifikace produků vulkanické aktivity • Vulkanizmus zahrnuje řadu procesů při nichž magma pronikne až na zemský povrch: • explozívní = výbuch • efuzívní = výlev • 1) produkty ztuhnutí lávy – výlevné horniny • 2) produkty sopečných explozí - pyroklastické horniny a vulkanoklastické sedimenty • 3) produkty postvulkanické činnosti - alterace • Průběh erupce, tvar, rozměry a stavba sopky závisí na složení lávy: ➢ felsické magma – obsahuje hodně rozpuštěných plynů → explozivní erupce, vyvrhování velkého množství pyroklastik ➢ mafické magma → klidné erupce • Přítomnost nebo nepřítomnost pyroklastik ovlivňuje tvar výsledných vulkanických těles (např. stratovulkán a štítový vulkán). 1) Produkty ztuhnutí lávy – výlevné horniny • vulkanické horniny se klasifikují na základě chemického složení (obsah hlavních oxidů ) nebo podle mineralogie (hlavně minerální složení vyrostlic) Latity = trachyandezity a trachybazalty Hlavní výlevné horniny • bazalty: plagioklas An > 50, dále klinopyroxeny někdy orthopyroxeny, olivín může být přítomen i křemen nebo olivín či foidy • andezit: plagioklas An < 50, amfibol, klinopyroxeny někdy orthopyroxeny, biotit • trachyt: draselné živce > plagioklasy, klinopyroxeny někdy biotit • fonolit: alkalické živce + nefelín, alkalický pyroxen a amfibol • tefrit: plagioklas An > 50, foidy, pyroxen • bazanit: plagioklas An > 50, foidy, pyroxen, olivín Horniny s křemenemHorniny bez křemene • alkalické ryolity: alkalické živce + křemen, dále biotit, alkalické pyroxeny a amfiboly • ryolity: draselné živce > plagioklasy + křemen, biotit, muskovit, turmalín, granát, amfibol • dacity: draselné živce < plagioklasy, křemen, biotit, amfibol, muskovit S. Hughes, Spring 2002 TAS diagram (total alkalis vs. silica) LeBas et al., 1986. šedá plocha koresponduje s klasifikací IUGS ( hvězda je průměrná analýza) body označují distribuci analýz 2864 andezitů a 727 dacitů Le Bas et al., 1992 • Do TAS diagramu chemické analýzy přepočteny na 100% bez H2O a CO2 • Horniny které mají více než 2 % H2O+ a 0,5 % CO2 jsou považovány za alterované Horniny saturované a nesaturované SiO2 (Mg,Fe)2SiO4 + SiO2 = 2(Mg,Fe)SiO3 olivín ortopyroxen 2:1 1:1 NaAlSiO4 + 2SiO2 = NaAlSi3O8 nefelín albit 2:1 6:1 hranice odděluje Ne-normativní horniny 15164 vzorků Le Bas et al., 1992; Le Roex et al., 1990; Cole, 1982; Hildreth & Moorbath, 1988 NaAlSiO4 + 2SiO2 = NaAlSi3O8 Alkalické a Subalkalické horninové suity rozdíl mezi trachytem (Q < 20%) a trachydacitem (Q > 20%) závisí na obsahu normativního qtz po přepočtu Q+An+Ab+Or=100% obsah normativního olivínu rozděluje tefrit (<10%) od basanitu (>10%) peralkalické ryolity se dělí: 1) komendity (comendites): Al2O3 > 1,33*FeO + 4,4 (wt. %) 2) pantelerity (pantellerites): Al2O3 < 1,33*FeO + 4,4 (wt. %) oblast ohraničená tečkovaně vyznačuje pozice 53 % hornin v globální geochemické databázi Le Maitre, 1989 Schminke 2004 • Chování magmatu je výrazně ovlivněno viskozitou. • Viskozita je závislá na obsahu SiO2, fluid (H2O, CO2), na rychlosti krystalizace a obsahu krystalů. • Typické diferenciační trendy vulkanických sérií (podle Hall 1996 upravil Holub 2002) • Pikrit ▪ ultrabazický magmatit obsahující nejméně 90 % feromagneziových minerálů, mezi nimiž převládá olivín a více než 12 hm % MgO a Na2O+K2O 1-3 wt.% v horninové analýze ▪ vyrostlice: olivín ▪ základní hmota: olivín, pyroxeny, ilmenit, magnetit Pikrit, Brušperk (Ol + Px + Amp + Bt) Komatiit (Kanada) ▪ Bazalt ▪ SiO2  52 hmot. %, Na2O+K2O  5 hmot. % ▪ horniny bez křemene nebo s křemenem do 5 % ▪ převažují plagioklasy (nad 90 % živců), bazicita je vyšší než An50 ▪ plagioklasy, olivín, pyroxeny (opx, cpx), amfibol, biotit a sklo Bazalt Gabro Bazalt • Na základě normativních minerálů je možné klasifikovat tyto bazalty pomocí tetraedru ne-q-cpx-ol. • Je možné vydělit několik typů bazaltů : • 1) q normativní - tholeiit, • 2) en normativní - hypersthenický basalt, • 3) en+fo - olivinický tholeit, • 4) fo - olivinický basalt, • 5) ne - alkali basalt. • Alkalické bazalty ▪ vyrostlice: olivín, klinopyroxen, (někdy amfibol) ▪ základní hmota: klinopyroxen, plagioklas, (olivín), magnetit, apatit, Cr-spinelidy • Tholeitický bazalt ▪ vyrostlice: klinopyroxen (diopsid nebo augit), pigeonit, neobsahuje olivín (nebo ol obklopený opx), ▪ základní hmota: plagioklas, pyroxeny, ilmenit, magnetit ▪ olivínový tholeiit vs. křemenný tholeiit • Modalní klasifikace se nemusí vždy shodovat s normativní ale: • Vápenatoalkalické bazalty ▪ vyrostlice: ortopyroxen ▪ základní hmota: plagioklas, pyroxeny, ilmenit, magnetit ▪ Andezit ▪ SiO2 56 až 63 % (maximálně do 20 % Qtz) ▪ živce: více jak 65 % tvoří plagioklas s průměrnou bazicitou pod An50 ▪ vyrostlice: plagioklas, pyroxeny, amfibol, biotit ▪ základní hmota: plagioklasy, někdy amfibol, biotit, pyroxeny (opx, cpx) a sklo Nezdenice Slovensko DioritAndezit Andezit, Japonsko Andezit Dacit Alk fsp + Pl + Qtz + sklo Dacit ▪ křemen přes 20 % světlých součástek ▪ živce: převládá plagioklas 65–100% ▪ vyrostlice většinou plagioklasy někdy biotit a amfibol Ryolit ▪ vysokým obsahem SiO2 (> 70 %) ▪ křemen přes 20 % světlých součástek Ryolit Granit ▪ živce: alkalické živce 35–90 %, plagioklasy 10–65 %, ▪ alkalický ryolit nad 90 % alkalických živců ▪ vyrostlice: křemen, alkalické živce (sanidin, albit), plagioklasy a vzácně Bt, Px ▪ základní hmota: křemen, alkalické živce, plagioklasy, někdy biotit, pyroxeny, amfibol a sklo Ryolit Ryolit Ryolit Alk fsp + Pl + Qtz + sklo Pemza Obsidián ▪ Trachyt ▪ živce: alkalické živce 65–90 % ▪ vyrostlice tvoří převážně alkalické živce vzácně biotit, amfibol, pyroxen ▪ do 5 % Qtz ▪ Trachyandezity a trachybazalty ▪ vyrostlice: draselné živce, plagioklasy, pyroxeny, amfibol, biotit ▪ základní hmota: převládají draselné živce nad plagioklasy, někdy amfibol, biotit, pyroxeny, akcesoricky mohou být přítomny foidy (nefelín, sodalit, leucit) nebo křemen, sklo ▪ amfiboly jsou často lemované magnetitem a pyroxeny Suletice Valkeřice ▪ Fonolit (foidový trachyt) ▪ přes 90 % alkalických živců (sanidin, anortoklas) a 10–60 % foidů ▪ vyrostlice: draselné živce, plagioklasy, pyroxeny, amfibol, biotit ▪ základní hmota: převládají draselné živce nad plagioklasy, foidy (nefelín, sodalit, leucit), někdy amfibol, biotit, pyroxeny a sklo Mariánská hora trachyt fonolit Studánka (fonolit) • Alkalické bazaltoidy • Chemické složení: silně Nenormativní, vysoké obsahy MgO ▪ Tefrit ▪ živce: 90 % plagioklas nad An50 ▪ foidy 10–60 % ▪ podle převažujícího foidu jsou nefelinové, leucitové a sodalitové ▪ vyrostlice: klinopyroxen ▪ základní hmota: klinopyroxen (augit, aegirin, diopsid), plagioklas, foidy (nefelín, někdy hauyn, leucit), magnetit ▪ s přibýváním olivínu přechází do bazanitu Cpx Hyn Pl (c, d) fragment tefritu z laharu (DP 128) Velký Hlavákov; (c) Vyrostlice klinopyroxenu , biotitu a magnetitu v základní hmotě tefritu (d) Poikilitické vyrostlice nefelinu a leucitu (částečně nahrazen analcimem) v základní hmotě tefritu. Ne tefrit ▪ Bazanit ▪ vyrostlice: olivín + klinopyroxen (někdy amfibol, flogopit) ▪ základní hmota: klinopyroxen, plagioklas, foidy (nefelín někdy hauyn, leucit), magnetit, nebo sklo ▪ olivín v množství nad 10 % Cpx Ol Ne fonolitický tefrit, fonolitický bazanit tefrit, bazanit ▪ Foidity ▪ tvořeny z více než 60 % feldspatoidy ▪ Např. leucitem nebo nefelinem (a) vyrostlice klinopyroxenu uzavírají drobné inkluze skla a magnetitu (analcimit, DP 236, Na Kalvárii); (b) Základní hmota tefritu tvořená klinopyroxeny, automorfními lištami plagioklasu a vulkanickým sklem; (DP 242, Kružínský vrch). Leucitit - Itálie ▪ Nefelinit ▪ vyrostlice: klinopyroxen (někdy olivín, amfibol, flogopit) ▪ základní hmota: klinopyroxen, olivín, foidy (nefelín, někdy hauyn, leucit), magnetit, někdy melilit ▪ Limburgit ▪ vyrostlice: olivín, augit; ▪ základní hmota: sklo (bazanit se sklovitou základní hmotou) Limburgit Deutschland/Baden- Württemberg/Kaiserstuhl/Sasbach/Limberg Copyright: Goethe-Universität Frankfurt am Main; Beitrag: Stefan Xenolity Xenolity pískovců v permském lávovém proudu (lom Studenec) Žíla andezitů obsahuje xenolit metasedimetů (D00012, Mongolsko) Xenolity fylitů v bazaltu 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/ • http://atlas.horniny.sci.muni.cz/magmaticke