1) Fluidní fáze a geologické procesy v kůře

(a) Jaká je pozice fluid v horninách?

•          vázaná fluida v některých minerálech (karbonáty, amfiboly, slídy)

•          fluida absorbovaná na povrch zrn.

•          fluida rozpuštěná v silikátové tavenině

•          volná fluida v pórech mezi minerálními zrny a na drobných puklinách.

(b) Jak migrují fluida v kontinentální kůře?

•          v kontinentální kůře fluida nejčastěji migrují podél tektonických poruch

•          ve svrchní kůře (~ do 15 km) se fluida pohybují po puklinách, které komunikují s povrchem (Pfluid<Plitostatický)

•          ve spodní kůře je pohyb fluid vázán na síť horizontálních puklin bez komunikace s povrchem (Pfluid=Plitostatický)

(c) Jaký je vztah mezi litostatickým a hydrostatickým tlakem v kontinentální kůře?

•          v sedimentech na jednotlivá zrna působí litostatický tlak díky vzájemnému kontaktu zrn

•          v sedimentárních bazénech bývá tlak fluid o 10 až 20 % nižší než litostatický

•          v prostoru mezi zrny sedimentů působí tlak fluid ale v podmínkách metamorfózy jsou oba tlaky často stejné

  2) Fluidní fáze a geologické procesy v kůře

 (d) Jaké je složení metamorfních fluid?

•          metamorfní fluida mají charakter vodných roztoků o teplotě 50 až 700 °C  jsou směsí několika komponent H₂O, CO₂, F, Cl, N₂, CH₄ (metan), S₂H (sirovodík)

(e) Kde se vyskytují fluida v zemské kůře

•          fluida jsou v hornině přítomna v pórech mezi jednotlivými zrny, v inkluzích nebo v trhlinách

•          magmatická fluida – uvolňují se během krystalizace magmatu

•          metamorfní fluida – reakce uvolňující vodu

3) Metamorfní reakce a fluidní fáze

(f) Jaký je rozdíl mezi prográdní a retrográdní reakcí?

•          Prográdní: často uvolňují vodu – dehydratační, probíhají v důsledku rostoucí teploty

•          Retrográdní: často konzumují vodu – hydratační, málokdy proběhnou úplně, probíhají během výstupu horniny k povrchu (pokles teploty), pokud není fluidní fáze přítomna, nemusí proběhnout vůbec – metastabilní asociace

(g) S jakými metamorfními reakcemi v metamorfovaných horninách se běžně setkáváme?

•          1) pevná látka – pevná látka nejsou ovlivněny složením fuid

•          2) dekarbonatizační reakce rozpad kalcitu a křemene na wolastonit

•          3) dehydratační reakce rozpad muskovitu na draselný živec a sillimanit

•          4) reakce produkující H2O a CO2

•          5) reakce konzumující CO2 a produkující H2O

•          6) reakce konzumující H2O a produkující CO2

 (h) Co má vliv na průběh dehydratačních a dekarbonatizační reakcí v P-T-X diagramech?

•          pozici dehydratačních a dekarbonatizační reakcí ovlivňuje poměr H2O a CO2

•          pole stability karbonátů je redukováno přítomností vody

•          naopak u metapelitů přítomnost CO₂ ve fluidní fázi redukuje pole stability hydratovaných silikátů

4) Fluidní fáze a geologické procesy v kůře

 (d) Jaký je rozdíl mezi uzavřeným a otevřeným systémem v karbonátových horninách?

•          V uzavřeném systému zůstává CO2 produkované během metamorfních reakcí. Uzavřený systém – je látkově izolován od okolí. XCO2 během dekarbonizačních reakcí stoupá. 

•          otevřený systém do horniny jsou přinášena fluida z okolí. Otevřený systém – může s okolím vyměňovat energii, ale i některé chemické složky. XCO2 během reakcí se nemění nebo klesá. Příkladem je kontaktní metamorfóza.

5) Metamorfní reakce v karbonátových horninách

 (e) Co je typické pro metamorfní systémy karbonátových hornin?

•          karbonátové horniny obsahují hlavně kalcit a/nebo dolomit ostatní karbonáty jsou vzácné

•          většinou obsahují příměs křemene nebo silikátů ale jejich obsah může kolísat

•          důležitým faktorem je aktivita fluid, tedy poměr H2O/CO2

•          rozdělujeme je podle jejich mineralogického (chemického) složení a přítomnosti fluidní fáze do několika systémů:

•          Kalcitické: CaO-SiO2-H2O-CO2 

•          Dolomitické: CaO-MgO-SiO2-H2O-CO2 

•          Vápenatosilikátové h. : K2O-CaO-MgO-Al2O3-SiO2-H2O-CO2  

 (f) Jaké jsou typické minerály karbonátových hornin?

•          kalcit, dolomit, tremolit, forsterit, diopsid, wollastonit, mastek, periklas, brucit, křemen, dále grosulár, vesuvián, spinel, chlorit, flogopit, minerály skupiny humitu

6) Metamorfní reakce v karbonátových horninách

 (g) Jaké jsou hlavní fázové vztahy v kalcitických mramorech (Qtz a Cal v přebytku nad Dol)?

•          rozsáhlé je pole stability diopsidu

•          forsterit nevzniká

•          za vysokých teplot vzniká wollastonit

(h) Jaké jsou hlavní fázové vztahy v dolomitických mramorech (Dol a Cal v přebytku nad Qtz)?

•          pole stability tremolitu posunuto do vyšších teplot než v kalcitických m.

•          podstatně je redukováno pole diopsidu na oblast vysokých X_CO2

•          až do X_CO2 = 0.3 pro 800ºC je stabilní forsterit.

•          asociace Cal+Fo+CO2 namísto wollastonitu

7) Metamorfní reakce v karbonátových horninách

(Ch) Jaké jsou typické reakce v dolomitických mramorech?

•          Rozpad dolomitu na mastek (Dol + Qtz + H2O = Tc + Cal + CO2)

•          Rozpad mastku na tremolit (Tc + Cal + Qtz = Tr + H2O + CO2)

•          Vznik forsteritu z tremolitu (Tr + Dol = Fo + Cal + H2O + CO2)

(i) Jaké jsou typické reakce v dolomitických mramorech?

•          Vznik diopsitu z tremolitu (Tr + Cal + Qtz = Di + H2O + CO2)

•          Za vysokých teplot vzniká wolastonit (Cal + Qtz = Wo + CO2)

•          Vznik periklasu (Dol = Cal + Per + CO2)

8) Metamorfní reakce ve vápenato-silikátových horninách

(j) Jak se liší vápenato-silikátové horniny od mramorů

•          Vápenato-silikátové horniny se od Karbonátových hornin liší vysokým obsahem Si a Al

•          Pro vápenato-silikátové horniny užíváme systém SiO2-Al2O3-K2O-CaO-MgO-H2O do této skupiny lze zařadit řadu geneticky poměrně odlišných hornin, především Ca-skarny, erlány, kalcitické mramory bohaté silikáty

•          Typické minerály pro vápenato-silikátové horniny: granáty (grosulár-andradit-almandin), pyroxen (diopsid-hedenbergit), plagioklasy (An 80-100 %) , wollastonit, epidot, vesuvian, kalcit, křemen, skapolit.

(k) Jak se mění minerální asociace vápenato-silikátových hornin při prográdní metamorfóze?

•          metamorfní asociace vápenatosilikátových hornin může indikovat intenzitu metamorfózy:

•       nízká metamorfóza LPLT (zelené břidlice): Amp ± Di + Czo +Cal + Pl + Qtz ± Ttn

•       metamorfóza MPMT (amfibolitová facie): Di + Cal + Grt + Pl + Qtz ± Ttn

•       metamorfoza HPHT (granulitová facie): diopsid + forsterit + monticellit + spinel

10) Hydratační a dehydratační metamorfní reakce v ultramafických horninách

 (l) Co je typické pro metamorfní systémy ultramafických hornin?

•          hlavní horninový typ zemského pláště v kontinentální kůře jsou vzácné

•          složeny hlavně z Mg-silikátů, světlé součástky < 10 %

 (m) Jaké jsou typické minerály ultramafických hornin?

•          primární minerály: olivín bohatý Mg (Fo 88-95), ortopyroxen (enstatit), klinopyroxen (Cr-diopsid), chromit (akcesorie), granát (pyrop 60-75 mol.%), spinel, plagioklas

•          sekundární minerály: minerály skupiny serpentinu (chryzotil, antigorit, lizardit, aj.) - nahrazují olivín nebo ortopyroxen (bastit), amfiboly (tremolit), mastek, magnezit, Mg-chlority, Mg-biotit, ilmenit, magnetit

(n) Co je to serpentinizace?

•          Hydratační nízkoteplotní metamorfní přeměna ultramafických hornin

•          minerály serpentinové skupiny jsou stabilní v podmínkách facie zelených břidlic

•          serpentinity vznikly interakcí s mořskou vodou nebo meteorickou vodou

•          nejčastěji jsou postiženy minerály: olivín (Mg,Fe)2SiO4 → serpentin, ortopyroxen (Mg,Fe)2 Si2O6→ serpentin

11) Hydratační a dehydratační metamorfní reakce v ultramafických horninách

 (o) Jaké jsou důležité dehydratační reakce v ultramafických horninách?

•          Vznik antofylitu z mastku a forsteritu Tc + Fo = Ath + H2O

•          Vznik enstatitu z antofylitu a forsteritu Ath + Fo = En + H2O

•          Vznik enstatitu z mastku  Tc = En + Qtz + H2O

•          Vznik enstatitu z termolitu a diopsidu Tr = En + Di + Qtz + H2O

•          Rozpad antigoritu Atg = Fo + Tc + H2O

•          Vznik forsteritu Brc + Atg = Fo + H2O

(p) Do jakých teplotních podmínek jsou stabilní minerály serpentinové skupiny?

•          minerály serpentinové skupiny jsou stabilní v podmínkách facie zelených břidlic

•          lizardit a chrisotil stabilní do 300 ºC

•          antigorit stabilní do cca 500-600ºC

12) Popis drah P-T –t

 (r) Co znamenají termíny clockwise a counter-clockwise?

•          1)        P-T CW (clockwise) - po směru hodinových ručiček = pohřbení, subdukce = P-T-t draha (a) je typická pro orogenetická pásma kde dochází ke stluštění kontinentální kůry is (crustal thickening),

•          2)        CCW (counter-clockwise) - magmatic underplating - prográdní část dráhy, ve vysoce metamorfovaných rulách

(s) Co je to PT dráha a čím je charakterizována?

•          Grafické znázornění metamorfního vývoje horniny v P-T diagramu, během nárůstu mocnosti kontinentální kůry roste tlak (vzrůst tlaku se v horninách projeví okamžitě) naproti tomu  tepelný tok je pomalý proces a teplota roste postupně až na hodnotu (Tmax )

(t) Co znamenají termíny isothermal decompression a isobaric cooling?

•          Je to typ retrográdní část P-T dráhy: 

1) izotermální snížení tlaku neboli dekomprese (isothermal decompression - ITD) dochází k exhumaci hornin tak rychle že nedojde k výraznému snížení teploty: tektonické ztluštění kůry a následná erozní či tektonická exhumace. 

2) izobarické chladnutí (isobaric cooling - IBC) znamená že dochází ke snižování teploty aniž výrazně klesal tlak - například horniny v kontaktním dvoře magmatických těles

13) Popis drah P-T-t

 (u) Jaká je maximální teplota při kontaktní metamorfóze?

•          Teplotu > 800°C nemůžeme v kůře dosáhnout bez tepelného zdroje (magma).

(v) Lze metamorfní vývoj orogenního pásma popsat jedinou P-T dráhou?

•          Ne, při vzniku příkrovů je možné pozorovat rozdílnou P-T-časovou dráhu pro spodní a svrchní příkrov.

(w) Jaký je rozdíl mezi délkou trvání regionální a kontaktní metamorfózy?

•          Délka trvání regionální metamorfózy se počítá na desítky miliónů let zatímco kontaktní metamorfóza 10000 let.

(x) Na čem závisí zachování vrcholných minerálních asociací (P-Tmax)?

•          podmíněno rychlým transportem horniny, rychlé zchlazení = původní minerální asociace zachovány až k povrchu. Pokud je pomalá rychlost transportu, výměna tepla s okolím = reekvilibrace minerální asociace v transportovaném bloku, zanikají informace o původní metamorfóze.

14) Metody odvození P-T podmínek

 (y) Jak odvodit P-T podmínky vzniku?

1 Metamorfní facie, 

2 Petrogenetické mřížky, 

3 Zonálnost minerálů, 

4 Geotermobarometry, 

5 Fluidní inkluze, 

6 Indikátory Pt podmínek def. (mikrotektonické indikátory PT)

(z) Co je to metamorfní facie?

•          Eskola (1915) odvodil koncept metamorfních facií (bazické horniny): (1) Metamorfní facie zahrnuje horniny, které byly metamorfovány za stejných podmínek. (2) Jestliže horniny stejného chemického složení jsou tvořeny stejnými minerály, pak náleží jedné facii. (3) Podmínkou je, aby hornina byla v rovnováze s metamorfními podmínkami (retrográdní met.).

(aa) Co je to petrogenetická mřížká?

•          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 poli podle pozice pozorovaných reakcí

•          odpovídající celkové složení hornin

15) Metody odvození P-T podmínek

 (bb) Jak fungují geotermometry?

•          pojetí: rovnovážný stav existující v metamorfovaných horninách odráží vrcholné teplotní podmínky metamorfózy, využití složení minerálů v rovnovážné asociaci

•          malá závislost reakce na P ( nízké dP/dT)

•          Nejčatěji se jedná o výměnné reakce = výměna prvků (zejm. Fe a Mg) mezi dvěma koexistujícími minerály: distribuční koeficient KD = (Fe/Mg)A/(Fe/Mg)B

(cc) Jak fungují geobarometry?

•          pojetí: rovnovážný stav existující v metamorfovaných horninách odráží vrcholné tlakové podmínky metamorfózy, využití složení minerálů v rovnovážné asociaci

•          malá závislost na T ( nízké dP/dT)

•          Kontinuální reakce (net-transfer reactions): při reakci se mění složení, struktura a někdy i počet fází, velké změny objemu, reaktanty a produkty koexistují přes velký interval P-T.

16) Metasomatóza a anatexe

 (dd) co je to metasomatóza a co je to skarn?

•          proměna hornin při níž dochází k výrazným chemickým změnám původní horniny (protolitu), nejčastěji působením hydrotermálních roztoků. Gradienty v chemických potenciálech mají podobně jako termální gradienty tendenci k vyrovnávání, hydrotermální fluida toto vyrovnávání usnadňují

•          Skarny obsahují Ca-silikáty (zejména granát a pyroxeny), které vznikaly metasomatózou za zvýšených teplot během kontaktní nebo regionální metamorfózy   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

(ee) Co je to dehydratační tavení (dehydration či fluid-absent melting)?

•          Rozpad minerálu nebo minerálů se zvýšeným obsahem vody, většinou slíd, také amfibolů popř. i jiných minerálů (např. epidot). Horniny s biotitem se taví za vyšší teploty než horniny s muskovitem, a může být produkováno i více než 50% taveniny.

(ff) Co je to hydratační tavení?

•          přínos H2O do systému, nejnižší T tavení – vodou nasycený granit (625°C/5 kbar)

17) Anatexe

 (gg) jak probíhá dehydratační tavení hornin s muskovitem?

•          probíhá za T cca 650°C (P ≥  4 kbar)

•          při dehydratačním tavení Ms je produkován s taveninou granitoidního složení Kfs + Al-silikát

•          horniny s muskovitem se taví za nízkých teplot ale produkují jen malé množství taveniny

•           

(hh) jak probíhá dehydratační tavení biotitu ?

•          V metapelitu může vznikat 30-60 % taveniny při teplotě 800-900 °C a tlaku asi 7 kbar

•          Granát, ortopyroxen, cordierit a spinel jsou typické produkty tohoto tavení a tak vznikají Al bohaté granulity, popř. Al-přesycené restity

(hh) jak probíhá dehydratační tavení amfibolu?

•          Dehydratační tavení amfibolitů začíná za nižšího tlaku za teplot kolem 850 °C, pro vyšší tlaky i kolem 650 °C

•          vznikají tonalitové taveniny

•          Restity mají složení granátických granulitů, nebo pyroxenických granulitů za nižších tlaků.

16) Metamorfóza metapelity

 (dd) jak popsat průběh metamorfózy pelitů za středních tlaků ?

•          1) Chloritová zóna pyrofylit a chlority

•          2) Biotitová zóna (300-400 °C)

•          4) Biotit-chloritoidová zóna

•          5) Granátová zóna (~ 500 °C)

•          6) Reakce konzumující chloritoid chloritoid = granát + chlorit + staurolit + H2O

•          7) Staurolitová izográda (~ 550 °C) granát + chlorit = staurolit + biotit + H2O   (Ch)

•          8) Kyanit-staurolitová zóna

•          9) Sillimanitová zóna  kyanit = sillimanit  I

•          10) Zánik staurolitu (staurolit = granát  + biotit + Al2SiO5 + H2O)

•          11) Rozpad muskovitu (muskovit + křemen = K-živec + Al2SiO5 + H2O)

•          12) Vznik cordieritu (na hranici granulitové facie)