4. Metamorfóza hornin bohatých Mg a Ca 1. Celkové chemické složení horniny (zjednodušené) kvarcity Si02 křemen-živcové horniny Si02-Al203-K20-Na20-CaO-H20 metapelity Si02-Al203-K20-MgO-FeO-H20 metabazity Si02-Al203-Na20-MgO-FeO-H20 vápenatosilikátové horniny Si02-Al203-K20-CaO-MgO-H20 metakarbonáty MgO-CaO-C02-H20 křemité dolomity MgO-CaO-Si02-C02-H20 ultramafity Si02-MgO-CaO-C02-H20 Jiné chemické systémy (méně časté) cordierit-antoŕylitové horniny Si02-Al203-MgO-FeO-H20 železná formace Si02-FeO-Fe203-H20 manganolity, smirky Jiná označení chemických systémů: křemen-živcové horniny NASH, CASH a CKNASH metapelity KMASH, KFASH a KFMASH ultramafity MS-H20-C02, CMS-H20-C02 Metamorfóza ultramafických hornin 1 2 3 4 Si02 39,53 33,10 38,37 42,28 Ti02 0,01 0,01 0,06 St. A1203 0,93 0,72 1,70 1,70 Cr203 1,01 0,38 0,62 0,18 Fe203 0,65 5,54 5,06 3,38 FeO 7,62 2,30 2,38 4,23 MnO 0,12 0,09 0,12 0,09 NiO 0,32 0,38 — — MgO 48,83 40,37 37,60 32,28 CaO st. 0,31 1,06 1,55 Na20 St. 0.31 0,56 0,12 K20 St. st. 0,06 St. H20+ 0,89 14,46 11,53 3,64 H20_ 0,16 1,93 0,46 — P2O5 st. 0,07 0,09 St. C02 — — — 10,17 Suma 100,07 99,97 99,67 99,62 1. Dunit, Dun Mtn., Nový Zéland. 2. Serpentinizovaný dunit, Mayagnez, Portoriko. 3. Serpentinit, Velké Vrbno, staromestské pásmo. 4. Krupnik, Sobotfn, sobot in s ký masív. • hlavní horninový typ zemského pláště • složeny hlavně z Mg-silikátů, světlé součástky < 10 % • geochemicky - utrabazické horniny (Si02 < 45 hm %) primární minerály - olivín bohatý Mg (Fo 88-95), ortopyroxen (enstatit), klinopyroxen (Cr-diopsid), chromit (akcesorie), granát (pyrop 60-75 mol.%), spinel, plagioklas - různé podmínky sekundární minerály: minerály skupiny serpentinu (chryzotil, antigorit, lizardit, aj.) - nahrazují olivín nebo ortopyroxen (baštit), amfiboly (tremolit), mastek, magnezit, Mg-chlority, Mg-biotit, ilmenit, magnetit. kelyfitické textury - radiálně paprsčité lemy (Hb, Opx, Sp) okolo granátu Ultramafické vyvřelé horniny Plag Olivíne Anorthosite 90 Duníte Harzbuigjie Qlivina Orťhopyroxenih 10 1Q Pyroxene Olivíne OpxT Orthopyroxenite Nejčastější alterace: Olivín + ortopyroxen —► serpentin + Fe oxidy + mastek + brucit Klinopyroxen —► amphibol + linopyioxenite hydratované Ca-Al P silikáty + chlorit Plagioklas —► Ca-Al silikáty + j ílové minerály + kalcit Olivima Cliiiopyroxenite Opx: (Mg,Fe)2 Si206 Cpx: CaMg Si206 Ol: (Mg,Fe)2 Si04 • krupníky - mastek, chlority, tremolit • mašíkové břidlice • tremolitové a antofylitové břidlice (střední stupně metamorfózy) • rodingity - metasomatické horniny bohaté Ca, spjaté se serpentinizací (grosular, vesuvian, prehnit, chlorit, prehnit, diopsid) • serpentinity (hadce) - serpentinové minerály + relikty primárních minerálů peridotitů • sepentinity mají nižší hustotu oproti primárním dunitům a peridotitům (2,6-2,8 g/cm3 vs. 3,3 g/cm3) serpentinizace - značný přínos H20 + Si02 ± C02 - výrazné zvýšení objemu hornin (pro zachování objemu je nutný značný odnos MgO) • Zdroje H20: • a) pozdní granitické intruze bohaté vodou • b) okolní horniny (nemet- nízko met.) • c) litologická rozhraní a zlomy Fázové vztahy v ultramafitech systémy: CMS, MSH, CMSH, ± FeO (FMSH, CFMSH), A1203, C02 Systém Si02-MgO-H20 antigorit stabilní do cca 500-600°C (nejvyšší stupeň z minerálů serp. skupiny) antofylit (Mg-Oamf) stabilní mezi cca 600-800° při P< 12kbar progresivní metamorfóza - uvolňování H20, ta zůstává v systému Zjednodušená MSH mřížka pro ultramafické horniny (sestaveno na základě termodynamických databází Bermana, Konopásek et al. 1998 převzato ze Speara 1993) Facie Kritická asociace Al-fáze nízkých stupňů chryzotil + mastek + tremol it chlorit zelených a modrých břidlic brucit + antigorit + diopsid forsterit + antigorit + diopsid chlorit chlorit forsterit + antigorit + tremol it chlorit forsterit + mastek + tremolit chlorit forsterit + antofylit (nebo magnesio-cummingtonit)+ chlorit/ amfibolitová +tremolit chromit forsterit + ortopyroxen + tremolit chlorit/ chromit forsterit + ortopyroxen + homblend spinel pyroxenických rohovců (nízký P) forsterit + ortopyroxen +klinopyroxen plagioklas granulitová (střední P) forsterit + ortopyroxen + klinopyroxen + homblend spinel eklogitová (vysoký P) forsterit + ortopyroxen + klinopyroxen granát HiO a« MpO H2o öre MflO H^O ľš £ 1000 Petrogenetická mřížka pro systém Si02-MgO-H20 pro metamorfované Tf **C) ultrabazické horniny Serpentinit Atg+Fo Mastkova břidlice ... í - . » *v' ■ * ' -I; ; S,. W . \>- NA. ^, ŕ I Antofylitová skalina calc-silicates Zjednodušená CMSH mřížka pro ultramafické horniny (sestaveno na základě termodynamických databází Bermana, Konopásek et al. 1998 převzato ze Speara 1993) o 300 10 qz: quarts tc: talc tr: tremolite en: enstatite di: diopside atg: antigorite fb: forsterite cc: calcite do: dolomite br bručíte Fázové vztahy v ultramafitech • Systém Si02-MgO-CaO-H20 • projekce z pozice H20 asociace koexistující s vodní fluidní fází (aH20=l) - jen čistou 500 600 700 T°C 800 900 1000 1.5 dB o 300 TfC) Serpentinu Olivine crystal (high relief, strongly birefringent) replaced by serpentine in a mylonitized harzburgite from Oman. Crossed polare. 1000 DíopsJde • typy ultramafických hornin (nyní v zemské kůře) • o alpinský (orogenní) - fragmenty pláště (čočky, xenolity) tektonicky transportované během orogenních procesů z oblasti pod oceánskou kůrou, součást ofiolitových komplexů, často lherzolitické složení, častá serpentinizace a rekrystalizace • o plášťové fragmenty ze subkontinentální části pláště, součást krustálních sekvencí, diferenciáty basaltických magmat - harzburgitické či dunitické složení • o vyneseny z pláště jako xenolity v kimberlitech a basaltech společně s HT eklogity (menší část). > v orogénech často tělesa peridotitů uspořádána v nesouvislých pásech X00-1000 km dlouhých, paralelních se strukturními prvky orogénu > desková tektonika - ultramafické pásy souvisejí s kolizí a následnou subdukcí oceánské kůry pod kontinent (švy indikující zóny dřívějších subdukcí) PT-diagram ukazující pole stability Iherzolitu s různými asociacemi. 30 25 20 - Jí 15 10 OL + OPX + CPX + GRT OL + OPX + CPX + PL 600 800 1000 1200 1400 T(°C) bručíte chlorite serpentin ite llierzolite chlorite Iherzolite gamet lheizolite chlorite serpent' wehrlite chlorite serpentine tremolite dunite aniphibole spinel Iherzolite aniphibole plagioclase spinel Iherzolite spinel Iherzolite plagioclase Iherzolite 600 700 Temperature PCI 1000 Auorthosite 3D depleted llierzolite/enriched harzburgite gamet Iherzolite tremolite chlorite harzburgite aniphibole spinel Iherzolite kle tremolite ji duníte chionte Wíphhoh anthophylhte plagioclase spinel Iherzolite spinel Iherzolite plagioclase Iherzolite 600 700 Temperature PCI soo 900 1000 Olivíne Dunite Haízbuígile Pyroxene Olivine Orťhopyroxenite 10 1 ■"."■Mne OpxT C'rthopynoxenite Olivine liiiopyroxenite 'linopyroxenite m VšK mm ■ŕ/: -- ! ^ -V J .. ■ i »«v v; »í Amf ^*r«--- ^^T ■■-V.A*WK! 0.25 mm 1W& >\ S A DiopsJde 'h I o g opite and Quartz Metamorfóza karbonátových hornin • Karbonátové horniny, většinou vždy znečištěné silikátovou příměsí, lze rozdělit podle jejich mineralogického (chemického) složení a přítomnosti fluidní fáze do několika systémů: • kalcitické CaO-Si02-H20-C02 CS-HC • dolomitické CaO-MgO-Si02-H20-C02 CMS-HC • horniny silně znečištěné silikáty K20-CaO-MgO-Al203-Si02-H20-C02 KCMAS-HC • typické minerály: kalcit, dolomit, tremolit, forsterit, diopsid, wollastonit, mastek, periklas, brucit, křemen, dále grosular, vesuvian, spinel, chlorit, flogopit, minerály skupiny humitu • Pro karbonátové horniny jsou rozhodujícími faktory především teplota a aktivita fluid, tedy poměr H20/C02 = XC02. V některých horninách se uplatňuje také F. Tyto horniny nejsou příliš vhodné pro odhad výše tlaku, s výjimkou nízkotlakého periklasu. Fázové vztahy v metakarbonátech Fázové vztahy se zobrazují v izobarických T- XC02 diagramech, v různých chemických systémech. Existuje poměrně velké množství reakcí, které jsou vzhledem k jednoduchosti systému experimentálně poměrně přesně definované v P-T diagramech. některé důležité reakce: CS-C: kalcit + křemen = wollastonit + C02 CMS-HC: tremolit + dolomit = forsterit + kalcit + C02 + H20(dolomit. vápence) CMS-HC: dolomit + křemen + H20 = tremolit + kalcit + C02 500C/5kb CMS-HC: dolomit + křemen = diopsid + C02 670C/8kb •Metamorfní vývoj může být ovlivňován teplotou nebo XC02, je ale často komplikované rozpoznat, který z činitelů měl hlavní význam Qtz + Dol = Di + CO2 Si02 # Kfemen CO2 Á\ H20 / .-.Tremolit^ / Diopsid^ w Wollastonit ^ • ™ 1 Masirk A Forsterit /^é m CaOAÉf ^IgO Kalcit Dolomit Periklas r 3 kbar Wo m + Qta 3Tr+öC02+2Hp 5Tc+ öCc + 4QtE w 0 0,1 D.,2 Q,3 0,4 0.5 XC02 0,0 oj 0,8 1,0 Dolomit + kalcit v přebytku P = 2 kb ^-DIOPSID Křemen + kalcit v přebytku 800 T(°C) - 700-600 -500- 400 WOLLASTONIT (bez gtz nebo Cal) P = 2kb Typické minerály karbonátových hornin: Křemen Si02 Kalcit Ca(C02)3 Wollastonit CaSi03 Granát Ca3Al2Si3012 Tremolit Ca2Mg5Si8022(OH) Diopsid CaMgSi206 Důležitou roli hraje také nasycenost systému Si02. V dolomitických vápencích (dolomit a kalcit v přebytku) je pole stability tremolitu posunuto a rozšířeno do vyšších teplot a v oblasti vysokých teplot a nízkého XC02 (ale až do XC02 = 0.3 pro 800°C je stabilní forsterit (asociace Cal+Fo+C02) namísto wollastonitu. Metamorphic zones developed in regionally metamorphosed dolomitic rocks of the Lepontine Alps, along the Swiss-Italian border. After Trommsdorff (1966) Schweiz. Mineral. Petrogr. Mitt, 46, 431-460 and (1972) Schweiz. Mineral. Petrogr. Mitt., 52, 567-571. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. • vápenato-silikátové horniny • Do této skupiny lze zařadit řadu geneticky poměrně odlišných hornin, především Ca-skarny, erlány, kalcitické mramory bohaté silikáty, kontaktní rohovce a rodingity. Značný problémem u těchto systémů je odhad tlaku, proto je vhodné studovat i další horniny, které mohly vznikat při procesu kontaktní (regionální) metamorfózy. • Minerální reakce a složení hlavních minerálů lze nejlépe vyjádřit v jednoduchém systému CAS(H20-C02), i když horniny prakticky vždy obsahují také Mg, Fe2+ a Fe3+ ale také např. F. • U těchto hornin dochází často k metasomatóze, tedy přínosu a odnosu látek nepočítáme-li H20 a C02. • Typické minerály: granáty (grosular-andradit-almandin), pyroxen (diopsid-hedenbergit), plagioklasy, wollastonit, epidot, vesuvian, kalcit, křemen, skapolit. • Typické znaky jednotlivých typů hornin: • a) skarny - většinou vázané na metakarbonáty, vysoká aktivita H20, silné projevy metasomatózy, většinou kontaktního, méně regionálního původu • b) erlány - většinou regionálního původu, projevy metasomatózy slabé, jednoduché minerální asociace • c) rohovce - většinou kontaktního původu, velmi jednoduché minerální asociace • d) rodingity - metasomatického původu, vysoká aktivita H20, jsou vázané na serpentinity E * Hr r. H ., ^H • JBHL ŕ" e ■ i - ^^mf 5*T >• •«r. ■ JF áži: ' *fc k 'T ľ '-' »a^L * ?** A^í L .1 * **%f« »-ľr»j »jAl ' H*j^M l%t ^b r # ^' 5^s /'i* f** ř\ - ** ^ ^^Lav ■« Erlan: Di+Pl+Qtz ■■■ ť* ■■■ M'-..v Minerální reakce v systému CAS(H20-C02) a CMAS(H20-C02) Minerální reakce jsou velmi dobře prostudované a jejich průběh v T-XC02 diagramech je experimentálně velmi dobře ověřený. Typické reakce: CS(C02): kalcit + křemen = wollastonit + C02 CAS: grosular + křemen = anortit + wollastonit CAS(C02): anortit + křemen + kalcit = grosular + C02 CAS(H20): klinozoit + křemen = grosular + anortit + H20 4Ca2Al3SÍ3012(OH) + Si02 => 5CaAl2Si208+ Ca3Al2SÍ3012 + 4H20 epidot/zoisit Qtz anortit (plag) grossular CaC03 + Si02 => CaSi03 + C02 kalcit Qtz wollastonit fluida Vápenato-silikátové horniny Vápenato-silikátová hornina (Grs+An+Cal) }CM Porfyroblast grossulam v mramoru 750 700- 650 - 600 550 - 500 0,0 8' 1) 3 An + Cal + H20 = 2 Czo + C02 2) Fo + 3 Grs + 3 C02 + H20 = 2 Czo + 2 Di + 3 Cal 3) 5 An + Grs + 2 H20 = 4 Czo + Qtz 4) Fo + 3 Grs + 4 C02 = 2 Di + 4 Cal + 3 An 5) Wo + C02 = Qtz + Cal 6) 2 Fo + 11 Di + 3 H20 + 5 C02 = 5 Cal + 3 Tr 7) Gr + 2 C02 = An + 2 Cal + Qtz 8) 5 Di + H20 + 3 C02 = 3 Cal + 2 Qtz + Tr 0,1 0,2 0,3 xca Kontaktní metamorfóza mramorů Faews ArtMte-epídflta HornTols lu.j pi^i i K& i^ai Low COa Q Vre / * \ f * \ is \ Cc 3*« híí HtřfríblBnclř HomPels Plaa 2Kb Qt3 P^/Toxsrw Hofnfeh p[*»--řkb Oli MŕcJ, COj Do My: cc ■«.■ H^ghCOí Po MT UlU aaisuenö ■JLHixxxxxxxxxlU r. r. \f * f ******* r. * ^*.^^-. \\\\\\\\\ ■-* r.ľj X ■'J--------------------1 * * m-, yuyyyuyyy *x7T7T amis m ure^gibSi laiTUOlSBIIOMl üäri aiTsurenö •;ijocfe}[s 'usrasi^ c;pp>[ 'ubiatissa 'jopids 'iraoisEjjoM '(suzrupod) Ásej^oixfejd '(itS-isqiispsq-pisdoip) usxoiÁd '(uipu^xu^-iip^jpu^-j^psojS) XjbubjS :Áfl2J9inui 9>pidÁx ' ^lAI-9^-^0 piíhifBsqo euiiuoij eao^ijis - Alness 1) metasomatóza mezi dvěma chemicky kontrastními horninami během regionální metamorfózy (např. rohovcové konkrece v mramoru) křemen =^> wollastonit <= kalcit Unmetamorp hosed Ssauistoae ■■ , .\ .\ . \ .\ .\ .\ .\. ■ .■ . .■ . ŕ ■ ŕ ■ ŕ; ŕ ■ ŕ; ŕ, ,., \ . \ . \ . \., \ . \ . \ . ■ ŕ • j . ŕ ■ ŕ; ŕ; ŕ ■ ŕ; ŕ. Metamorphosed Quarts ite Hornfels Marble Hornfels Calc-silicate hornfels Greenstone Wollastonite marble 9 13 Ca K, Na, Fe,Mg, Si, Al w Marble Wollastonite Garnet Pyroxene o ■Ľ Hornfels É********************** 5(xrc - 4fe ídspar (no reaction) Rock-540'C XCO2 = 0.3 Flitid - 540' C XCO2 = 0.3 Isochemical metamorphism Fracture envelope mineralogy: anorthite + wollastonite + quarts Rock - 54CT C XCO2 = 0.3 Fluid - 54CT C XCO2 = 0.01 metamorphism plus fluid flo¥ Fracture envelope mineralogy: quartE + grossular+'wollastoriite Rock - 540' C XCO2 = 0.3 Fluid - 450' C XCO2 = 0.01 xco. metamorphism plus external fluid Fracture envelope mineralogy: quart2+ aridradite+pyrite+ chalcopyrite Rock - 54CT C XC02 = 0.3 Fluid - 45CT C XC02 = 0.01 metamorphism plus metasomatism Fe S Cu Forst erite zone > _^ Tremolite zone 00 mal.'cniľ 1000 Distance from pluton (m) Skarn 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