5. P-T-t dráhy v metamorfovaných horninách • Připomenutí: • typy metamorfních změn (metamorfní krystalizace, texturní změny, chemismus) • chemické reakce a fázové změny - prográdní, retrográdní • minerální asociace • deformace (zóny velké a malé deformace) • Metody: • 1) nutné detailní studium výbrusů • 2) zjištění chemického složení minerálů -elektronová mikrosonda • 3) chemického složení horniny I. Termodynamika vN Unstable Potential energy barrier Stable Přírodní systémy směřuj í do stavu s minimální vnitřní energií. Figure 10-7 0>) G = H - TS G = Gibbsova volná energie H = Entalpie T = Teplota (Kelviny) S = Entropie AG pro reakci: 2A + 3B=C+4D AG = I (n G)produkt - E(n G)reaktant = Gc + 4GD - 2GA - 3GB dAG = AVdP - ASdT AG pro rovnovážny stav při reakci = 0 Table 27-1. Thermodynamic Data at 298K and 0.1 MPa from the SUPCRT Database Mineral S(J) G (J) V (cm /mol) Low Albite 207.25 -3,710,085 100.07 Jadeite 133.53 -2,844,157 60.04 Quartz 41.36 -856,648 22.688 From Helgesonera/. (1978). Ab + Jd = Q dP = AS dT AV 2.0 1.6 i i i Jadeite + Quartz ^^ L^ yA,^ cd Q_ a 1.2 o 3 S3 0.8 -s^ Albite o l__ Q. 0.4 i r i i 200 400 600 800 Temperature °C • NaAlSi308 = NaAlSi206 + Si02 dÄG = 0 = ÄVdP - ASdT - Pevné roztoky - Rada minerálů tvoří plynulé přechody - substituce - ortopyroxeny (Fe, Mg)Si03 Tremolit Ca2Mg5Sig022(OH) Antofyllit Mg7Si8022(OH)2 Ferroaktinolit 0„(OH). Fe7Si8022(OH). 1.0 0.75- op« a o,50h 0.25- - 0.75- - 0.50- 1.0 0 - 0.25 Vztah mezi aktivitou a složením pro ortopyroxeny skupiny enstatit-ferrosilit při 600°C a 800°C. kroužky jsou exp. data Saxena a Ghose (1971); křivky jsou modely pro jednoduchou směs (Saxena, 1973) Thermodynamics of Rock-Forming Crystalline Solutions. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. efekt přítomnosti Ca pro reakci albit = jadeit + křemen AGp T = AG°p T + RThK 2.0 čísla označují hodnotu K 1.4 1.2 1.0 0,8 _a6 T (D 1.5- Jd + Qtz £ LO-S? 0.5 U 0.4-0.2 Ab 100 200 300 400 500 600 700 800 Temperature (°C) P-T diagram pro reakci Jadeit + Křemen = Albit pro rozdílné K (SUPCRT (Helgeson et al., 1978). Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall). Fázové pravidlo systém z> fáze (Phase) z> složka (Component) It It It 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, 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, Nap, 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=C-P+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 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 of andalusite, 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 CaO-Si02-Al,0,, for some arbitrary pressure and temperature. Only phases directly connected bv tie-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 buds mít jen málo stupňů volnost^ tedy rozsah podmínek za nichž krystalizovala bude přesněji omezen a bude snadnější jej určit na základě výsledků experimentů Schreinemakersova mete a) b) (M),(N) na této straně (K),(L) na této straně 0 (M) v tomto segmentu (N) v Lumlo < segmentu (L) v tomto Obr. 3-12. Konstrukce fázového diagramu Schreinemakersovou metodou, a) Složení fází J-N ve tříkomponentním systému, b) Krok č. 1 - Volba libovolné polohy křivky (J) a inveriantního bodu na jednom jejím konci. Vyznačeny jsou předpokládané polohy ostatních reakcí, c) Krok č. 2 - Přidání křivky (K) ke křivce (J). Poloha fází na ní je určena stejnou metodou, jako u křivky (J) (krok č. 1). Opět jsou vyznačeny možné polohy zbývajících reakcí, d) Dokončený diagram, ve kterém jsou zároveň zobrazeny odpovídající asociace pro každé divariantní pole (šedé trojúhelníky). > Čistě geometrická metoda > Určení stabilních a metastabilních částí křivek 1) Úhel mezi dvěma univariantními křivkami, které definují jedno divariantní pole, nesmí být větší než 180° 2) Metastabilní prodloužení křivky (P) leží mezi reakcemi, které fázi P produkují. Záleží na směru řazení Grafické zobrazování minerálních 2 komponenty 3 komponenty asociaci 1 1 1 1 Fe O Fe SiO, 2 4 wustite olivine Figuře 10-3 FeSi03 pyroxene Si02 quartz enstatite forste rite ferro si lite a lite A. wollastonite Fe Figuře 10-5 diopside hedenbergite enstatite E. ferro si lite 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 J ■>J ■>J ■>J H CD CD o o Ol Ol CD CD Ol Ol CD CD CO -^ CD CD o -v| -v| "* "* o o CD CD "* "* 00 00 00 CD CD CD O X J"^*^ ^^_ O O o o o o O O O O O O —*■ O O —*■ T| 3 K> -v| K> Ol Ol ^1 Ol ■>J Ol ■>J Ol ■>J o Ol Ol O CD ^: Ol Ol Ol o o Ol O Ol o Ol O Ol o O O o š - X O O O o o o O O o o O O o O O o tí ZI CD 3 -ř» Ol CO Ol Ol O) O) O) O) O) O) ■>J ■>J O) ■>J ■>J O) -v| CD o CD K> _^. -^ O) ■>J CD O co CD _^. Ol — 0) 00 -ř^ K> o o O O Ol CD O -^ o Ol O o s — X O O O o o O o O o O O o o O o o "n -n -v| 00 ^1 00 00 CD 00 CD 00 CD 00 CD CD 00 00 CD cp 5- CD O CD o CD O CD O CD O CD O O CD CD O CD 91 O) -ř» ^1 o 00 CO 00 K> ■>J O) O) O) O) Ol K O O O o o O O O O O O O O O O O ^ -n K> K> K> K> "n 5' Ol -ŕ» Ol Ol _^. O _^. O _^. _^. _^. _^. O _^. _^. O 3, M CD ^J -^ Ol o -^ ^1 -^ CD Ol O O) O -^ O) O) Ol CQ TI -»• O -». -». o O O O o o o o O o o o -»• -v| Ol o O) O) O) Ol Ol -^ -^ -^ co -^ -^ co TI 3 S, 9í. CO -ř» Ol o CD —^. co Ol —^. ■>J -^ K> ■>J co o co -v| K> —i. o Ol co CD O co co CD O o CD 00 co DD ^* O O o o O o O O o o O O o O O o K> CO _i. K> _i. _i. _i. _i. K> K> K> K> K> K> K> co ^ K> K> O) Ol O) ^1 ■>J CD K> CO Ol O) 00 O) 00 _^. O) CD -^ o CO Ol 00 ■>J -^ K> 00 ^ ^ -^ -^ Ol S CD CD 00 00 00 00 00 00 CD CD CD CD O O O o CD -v| -v| ^1 ^1 K> K> ■>J ■>J K> K> ■>J ■>J <, -\ O O -^ -^ CO CO K> K> -^ -^ -»■ 3 to O O O o O O O O O O O O o O O o £ , O O o o O o O O O O O O o O O o O O o o O o O O O O O O o O O o /T Ivins _^. _^. _^. _^. _^. _^. _^. _^. _^. _^. _^. _^. o O O o O o —i. —i. K> K> __i __i O O O O CD CD CD CD co co -^ -^ K> K> Ol Ol 00 00 co co CD 00 CO CO ^ ^ bo co 00 ^1 ■>J O) -^ -^ co co K> CO K> ' 3 ^ 00 -»■ o 00 —i. -^ K> K> CD Ol Ol -^ ■>J CO Ol Ol -vl -»• ^i O) "* "* 00 CO ■>J CD co K> "* O 00 Ol fi) CT (D K) ■ m -g CD CD —i CD to c_ to" o CD Q) Q. 03 CD Q) CD ^1 00 O Q) CD Q) -^ CD CD o' CD" CD CD o CD I ^ c T"C lnKD =-2108-T(K) +0.781 + PAV + 3 RTlnK D (l^ as vTy + 3R 0.00090 0.00095 0.00100 0.00105 1A t(°c) = _52,090 + 2.494P(MPa) 19.506 -12.943 In K -273 D Graph of l«K vs. 1/T (in Kelvins) for the Ferry and Spear (1978) garnet-biotite exchange equilibrium at 0.2 GPa from Table 27-2. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. • AG = AH-TAS + (P-1)AV 1. a 2. zákon termodynamiky • AGPT = 0 rovnováha systému (reakční křivka v P-T) • 0 = AH°-TAS°+ (P-l)dV°+RTlnK (P a T závislost rovnovážné konstanty) • distribuční koeficient Kd - pro výměnné reakce • Alm + Phi = Prp + Ann (Fe-Mg Grt-Bt) • KD = X <* XFeBt/XFeGrtXM Bt = (Mg/Fe)^/(Mg/Fe)Bt Termometry - malá závislost na P (malá A V) velká A S a A H (výměnné reakce - exchange) 400 500 600 700 800 900 Temperature °C • Výměnné termometry 1- Olivín-ortopyroxen-spinel-granát (Ol-Sp, Ol-Opx, Grt-Ol): • Fe-Mg výměna mezi fázemi Většinou kalibrováno experimentálně (vysoké teploty) Plášťové horniny (peridotity, nebo jiné horniny v eklogitové a granulitové facii) 2- Granát-klinopyroxen: Velmi rozšířený, řada kalibrací (Ellis and Green (1979)) Určení T v eklogitech, peridotitech, granulitech (granulitová až amfibolitová facie). 3- Granát-biotit: Rada kalibrací (např. Ferry and Spear (1979)) • Amfibolitová facie v metapelitech 4 - Reakce ovlivněné fluidní fází • The magnetite - ilmenite thermometer. System Fe-Ti-O. Dvě reakce • A) závislá na f02: Mgt + 02 = Hm; B) závislá na T: Usp + Hem = Mgt + lim. Termometry pomocí solvu 1200 O 1000 a— O Q. E 800- fl .- ■_. Ab-rich feldspar liquid Or single feldspar wt.% Ab ií-n m mW-': ■ ^ 0.5 mm 1) Nutná dostatečná velikost odmíšenin 2) Nesmí být postižen metasomaticky » KAJSiJOS Ab Ha AIS JOS Hagiodas« feldspars An Ca Al ZS ZO 900PC 750PC 650PC 1) ENSTATIT - DIOPSID 2) TERNÁRNÍ ŽIVCE (Granulitová facie) 3) KALCIT - DOLOMIT (dobře kalibrován v rozmezí 400 CD 600 800 1000 1200 Temperature °C t------------1------------1------------1------------1------------1------------r-----------1------------1----------t 400 500 600 700 800 900 Temperature DC P-T diagram contoured for equilibrium curves of various values of K for the GASP geobarometer reaction: 3 An = Grs + 2 Ky + Qtz. From Spear (1993) Metamorphic Phase Equilibria and Pressure-Temperature-Time Paths. Mineral. Soc. Amer. Monograph 1. Table 27-3. Mineral Compositions, Formulas, and End-Members for Sample 90A from Mt. Moosilauke, New Hampshire Wt. % Oxides Garnet Biotite Muscovite Plagioclase Si02 37.26 34.22 44.50 64.93 AI2O3 21.03 18.97 34.50 22.59 Ti02 1.23 0.40 FeO 32.45 17.50 0.70 MgO 2.46 9.98 0.46 MnO 6.08 0.12 0.02 CaO 1.03 0.01 0.03 2.90 Na20 0.27 1.64 9.36 K2O 7.79 8.05 0.45 Total 100.31 90.09 90.30 100.23 Cations Si 3.00 5.43 6.17 2.84 AIIV 2.00 2.57 1.83 1.17 AIVI 0.98 3.81 Ti 0.15 0.04 Fe 2.19 2.32 0.08 Mg 0.30 2.36 0.10 Mn 0.42 0.02 0.00 Ca 0.09 0.00 0.14 Na 0.08 0.44 0.83 K 1.58 1.42 0.03 Fe/(Fe+Mg) 0.88 Prp 10 Alm 73 Sps 14 Grs 3 0.50 0.46 An 14 Ab 83 Or 3 From Hodges and Spear (1982) and Spear (1993). . AG = A H - TAS + (P-l)AV 1. a 2. zákon termodynamiky • AGp T = 0 rovnováha systému (reakční křivka v P-T) • 0 = AH0 - T AS° + (P-1) dV°+ RT In K (P a T závislost rovnovážné konstanty) . Alm + 3Rt = 3 Um + Alsil + 2 Qtz (GRAIL) • ^e(l ~ ailm aAlsil aQtz ' aAlm aRt ~ aAlm + aRt " ailm " aAlsil " • a = y X (čisté koncové členy = 1, ideální míšení = XA) • Geobarometry 1) Anorthite = Grossularite + Al-silicate + Qz (GASP): • Metapelity (Koziol and Newton (1988)), amfibolitevá facie 2) Ilmenite + Kyanite + Qz = Almandine + Rutile (GRAIL): • Metapelity (Bohlen et al. (1982)) 3) Albite = Jadeite + Qz: • Modré břidlice (metabazity a některé metapelity a metagranity) (5) Ilmenite + Anorthite + Quartz = Garnet + Rutile (GRIPS): • Dvě reakce: Gt + Ky + Qz = An, and Gt + Rt = lim + Ky + Qz. • Kalibrováno experymentálně (Bohlen a Liotta (1986)). GSs ^p 1.0 I ľl ill ' ľ ' i rL I ' ' " 0.8 - llM'íl IM í ■U 0.6 G J /40&\)\ — í j í í | é^\& - 0.4 — | Ufl ^r — 0.2 Ti I H \ í im íl. /i 1 1 CD i r CD FS Ferry and Spear (1978) FS" with Berman (1990) garnet G Gessmanneŕ ai (1997) GS Ganguly and Saxena (1984) s - symmetrical garnet model a - asymmetrical garnet model H HoldawayeŕaA (1997) HS Hodges and Spear (1982) IM Indares and Martignoie (1985) IM' with HS model KR Kleeman and Reinhardt (1994) P Porchuk and Lavrenťeva (1983) GS Ganguly and Saxena (1984) CL HC Hodges and Crowley (1985) tf> i HS Hodges and Spear (1982) § Kozoif (1989) " NH Newton and Haselton (1961) 400 / V 500 HS GSa & FS' T°C 600 700 Výměnné termometry (záměnné reakce, exchange thermometers) •výměna prvků (zejm. Fe a Mg) mezi dvěma koexistujícími minerály •distribuční koeficient KD = (Fe/Mg)A/(Fe/Mg)B •Grt-Bt, Grt-Crd, Grt-Cpx, Grt-Hb, Grt-Chl, Grt-Opx, Grt-01, Bt-Tour, Grt-Ilm (Fe-Mn) •Minerály se musí dotýkat Solvní termometry (solvus thermometers) •distribuce prvků v rámci solvu, pro isostruktumí fáze (založeno na mísitelnosti minerálů za různých teplot). •Za nižších teplot se původně homogenní pevný roztok rozdělí na dvě fáze •2 Px, 2 Fs, Clc-Dol, Ms-Pg 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 •Grt-Pl-Qtz-Al2Si05 (GASP, Grt-Pl-Ms-Bt, Grt-Pl-Hb-Qtz, Grt-Pl-Ol, Grt-Pl-Opx/Cpx-Qtz, Grt-Pl-Rt-Ilm-Qtz (GRIPS), Grt-Rt-Ilm- Al2Si05-Qtz (GRAIL), Grt-Crd-Sill-Qtz, Px-Ol-Qtz, Px-Plg-Qtz, Phengite Postup při určení P-T podmínek 1. měření složení koexistujících minerálů - elektronová mikrosonda 2. výběr vhodné kalibrace (rozmezí složení fází, podmínek kalibrace) 3. AH, AS, AV, popř. ACp (ACV) - z experimentů či termodynamických tabulek 4. do P-T diagramu vyneseme linie získané z termometrů a barometrů j . data vyneseme do PT diagramu, a průsečík dává P-T podmínky Interpretace - pozor na: • opravdu minerální složení odpovídají rovnovážné koexistenci? testy rovnováhy - rovnováhu nelze dokázat, lze ji jen vyvrátit • reekvilibrace - průběh spojitých reakcí - odráží se na zonalitě minerálů výměnné reakce - na kontaktu minerálů Tc (Fe-Mg Grt-Bt 525-580°C), v jádrech vyšší T ale ne nutně „peak" kontinuální reakce -jsou přítomny všechny minerály v asociaci ODLIŠNÁ ZONALITA o analyzovat zonalitu a snažit se přiřadit správné části minerálů k sobě • komplikace i difuzní homogenizace minerálů (Grt) - jádro už nemusí mít složení odpovídající vrcholu met. • důležitými faktory ovlivňujícími složení minerálů při výměnných reakcích jsou - rychlost difúze v obou minerálech - rychlost ochlazování - velikost zrn termobarometrie konvenční-jednotlivé termometry a barometry vnitřně konsistentní termodynamické databáze - určení pozice reakce studium fázových vztahů a minerálních rovnováh TWQ (Berman 1991) (ex-GEO-CALC -Berman et al. 1987) THERMOCALC (Powell - Holland v. 2.75 1999, dataset JMG 16, 1998) konstrukce fázových diagramů v P-T diagramy kompatibility (X za konst. P a T, eg AFM) pseudosections (řezy) - pole stability fází a asociací (P-T, P-X, T-X) Správnost a přesnost Precise, but Accurate, but Precise and not accurate not precise accurate 10 8 cö 6 .Q M O. 4 2 0 400 500 600 700 800 T°C Figure 15-13. P-T diagram showing calculated uncertainties in the application of the GASP geobarometer and the garnet-biotite geothermometer. The small ellipsoid represents propagated analytical precision, the small dark parallelogram is the error from natural compositional heterogeneities, the larger parallelogram is the error from the choice of activity models, the large, thin ellipse is the error from uncertainties in the calibration of the geobarometer and geothermometer and the largest region is the combination of all of these uncertainties. After Kohn and Spear (1991b). 5) Mikrotektonické indikátory PT (Indikátory PT podmínek během deformace) • Jednotlivé minerály se chovají pří deformaci rozdílně • Def.: plastická , křehká • Založeno na experimentech • Vliv fluidní fáze --■* "fc&í «K/- "s**-- Minerals present: Quartz, plagioclase, microcline, biotite, others too small to see. Rock type: Granite, Town Mtn. porphyritic General Location: Wolf Mountain Intrusion, Wolf Mtn. Ranch dominant brittle fracturing incohesive —■*! brittle fault rocks cohesive brittle fault rocks mylonite dominant ductile deformation striped gneiss undeformed parent rock (phenocryst granite) brittle fault with cohesive cataclasite brittle fault with pseudotachylyte narrow ductile shear zone with mylonite wide ductile shear zone with striped gneiss Pouze hrubý odhad PT rp XT Type II 150-300 °C Type IV >250 °C Dvojčatné lamely v kalcitu vzniklé v důsledku deformace 6) Fluidní inkluze Inkluze (uzavřenina) reprezentuje část krystalu, která z hlediska látkového neodpovídá jeho zákonité struktuře, je během růstu či rekrystalizace krystalu hermeticky isolována a vytváří s ním fázovou hranici. primární (vznikly současně s hostitelským minerálem a jejich složení zhruba reprezentuje prostředí vzniku minerálu), sekundární inkluze (vznikly později, než hostitelský minerál a jsou situovány podél mladších trhlin v krystalech) primárně-sekundární (vznikaly během růstu krystalu). Využití: • teplota vzniku minerálu • tlak při vzniku minerálu • látkové složení fluida z něhož minerál vznikl • přibližnou koncentraci jednotlivých složek v tomto fluidu • stav fluida ze kterého minerál vznikl (homogenní x heterogenní) Podmínky • Hostitelský kry stal j e "chemicky nepropustný". • Inkluze představují chemicky uzavřený (isopletový) systém. • Objem inkluze je konstantní, tzn. isochorický systém. Výhody: • levné • široké spektrum informací Nevýhody: • pracné založeno na zkušenosti • omezené využití v metamorfní petrologii • Tm-ice = teplota tání ledu (teplota při niž z inkluze zmizí všechen led). • Th = teplota homogenizace (teplota, při níž se celý obsah inkluze přemění v jednu fázi nej častej i kapalinu nebo plyn). Jestliže známe tlak, při němž inkluze vznikla, můžeme vypočítat z této hodnoty teplotu roztoku při uzavření inkluze. • Te = teplota eutektika (teplota, při níž se v zcela zmrazené inkluzi poprvé objeví kapalná fáze). Umožňuje nám zhruba určit chemické složení solí, které jsou v inkluzi obsaženy. • Při výpočtu salinity podle teploty tání ledu vzorec (Bonar, 1993) pro systém H20-NaCl: • Salinita (hm % NaClekJ = 0,00 + 1,780- 0,0442 ff + 0,000557 ff • Kde 6 odpovídá -1 *(Tm-ice). Tato rovnice platí pro rozmezí salinit 0 až 23,2 hm% a Tm-ice od 0 do -21,2 °C. rw O ■.i t -10 ľZ "O GJ _2 CC -t—" w £> t -20 £; "c T3 _0J O □. 1 -30 -t—1 tu |o Q. (Ľ -40 pomer CaCI3 / NaCI hm. % CaCI2 • PT podmínky při vzniku inkluzí můžeme určit, jestliže známe teplotu homogenizace, chemické složení studované inkluze a teplotu vzniku minerálu zjištěnou jiným nezávislým termometrem. • Teplota vzniku takových inkluzí pak leží v průsečíku izochor a hodnot zjištěných nezávislým termometrem. Diagramy izochor byly pro řadu typů roztoků publikovány nebo můžeme izochory vypočítat. • Pro vodné roztoky (H20, H20-NaCl, H20-KC1, H20-CaCl2) se nejčastěji užívá rovnice odvozená autory Zhang a Frantz (1987). 1200 co J3 800 400 100 10hm.%NaCI 25hm.%NaCI kriticky bod "Ť í 300 TT |A) Tr (B) 500 teplota °C A •t 1 m I / ' / ^ geobaromctr 7 J 99 H f /h /-: lir i v L i * i f§f Ml* v i: U i AD; --------!-----------------------------h Teplota Další možnosti • Krystalinita ilitu • Odraznost vitrinitu • Index barevné přeměny konodontu (Conodont Colour index ) • Isotopové geothermometry (2 Si1802 + Fe31604 = 2 Si1602 + Fe31804 ) Kromě izotopové geoterometrie j sou ostatní určeny výhradně pro slabě metamorfované sedimenty. P-T-t dráha pojem a základní koncept •P-T-t path (metamorfní dráha P-T-t) = Pressure - Temperature - time •vývoj metamorfovaných hornin v poli P-T v čase • odrážejí tlakové a teplotní podmínky které prodělala hornina od začátku své metamorfní historie do své exhumace na zemském povrchu. •základní koncept: • rovnovážné asociace v metamorfované hornině odrážejí Tmax •=>=> stanovení P-T podmínek vrcholu metamorfózy • metamorfované horniny zaznamenávají sled rovnovážných stavů •=>=> odvození dráhy P-T většina hornin je produktem více metamorfních událostí, které po sobě následovaly a ty starší byly více či méně dokonale překryty mladšími pochody většinou je v hornině dobře zachycena především retrográdní fáze li 1.0 - co Q_ O 0.9 CD i_ 3 W CO CD 0.8 - 0.7 1 T . b i i i Core - - \ V\\\ - ■ - v VJHt AXalm&X gross "1 , □X &X J1 spess gross -" • X &Xgross ľ \ V / \ v/ i i i i Rim ■ i i 530 _ 540 550 Temperature °C P-T diagram ukazuje tři modelované "clockwise" P-T-t dráhy vypočtené na základě zonálností granátů (Seiverstone et al. I (1984) /. Petrol, 25, 501-531 and Spear (1989). After Spear (1989) Metamorphic Phase Equilibria and Pressure-Temperature-Time Paths. Mineral. Soc. Amer. Monograph 1). P-T-t P = litostatický tlak (lkb = OJ GPa), T = teplota (°C, termodynamika Kelvin: T (K) = T (°C) + 273.15 t = čas 1) relativní 2) absolutní (Ma) - geochronologie - přiřazení zjištěného stáří k určité metamorfní události (konkrétní PT data) metoda U/Pb - zirkon, monazit, granát metoda Ar/Ar - amfibol, biotit, muskovit metoda Sm/Nd - Grt, WR 1) litostatický tlak litostatický tlak (confining pressure, všesměrný) P = pgh p- hustota hornin nadložního sloupce (granity 2,7, bazalty 3,0, peridotit 3,3 gcrrr3,) g - tíhové zrychlení (9,8 ms-2) h - hloubka 2.6-3.2kb * 10km hornin => tj. nárůst s hloubkou cca 1 kbar/3 km používané jednotky: 1 bar = 105 Pa = 0,1 MPa 1 kbar = 0.1 GPa 2) Tepelný tok, geotermální gradient, geoterma zdroje tepla • tok tepla ze zemského pláště • teplo uvolněné při radioaktivním rozpadu v kůře (U, Th) • teplo přinesené magmatickými horninami • endotermní metamorfní reakce (řada dehydratačních reakcí) Rozdíly tepelného toku v různých geotektonických kontextech (Konopásek et al. 1998) velmi nízký oký t ^ # tepelný tok«j| i velmi vysoký tepelný tok *%> chladnoucí oceáne W* ^nízký 'S 1 """■" ^tepelný tok ^1 stará p ■ oceánská kůra r V r •ZVYSENI t.t. = výstup magmatu (konvexe, advekce), nebo tektonika - pohřbení hornin (ztluštění kůry - příkrovy), rychlý zdvih a eroze. •relativní přemístění části zemské kůry vůči P a T gradientům (zdvih či pohřbení) nebo gradientů vůči kůře (intruze či snížení tepelného toku) geotermální gradient (dT/dz) - avg. 15-30°C/km = sklon geotermy. Měření tepelného toku na povrchu různý geotermální gradient v různých geotektonických prostředích Geothermal Gradient Temperature i— W Variace povrchového tepelného toku měřeného v různých částech Země (a) ve vztahu k deskové tektonice (b). Podle Yardley (1989) MID-OCEANIC OCEANIC CRUST OF RIDGE INCREASING AGE TRENCH VOLCANIC BACK-ARC AHC BASIN ^ ZONE OF BAÖIIM ^ SUBDUCTION b) Tectonic Model 100 5 200 Q- 300 400 lemperature ( C) 500 1000 1500 2000 2500 T ^> t Partial melting between 100-250 km T v závislosti na hloubce v určitém čase •stálá (dT/dt = 0) - stabilní oblasti kůry •porušená - orogeny, tendence přiblížit se stálé I000 I200 •geoterma (dT/dz - °C/km): z částí o různém geotermálním gradientu Metamorphlc Facies Temperature °C □ 200 400 1 6ŮÍ i í SOD 1000 F-^>^ A' ■ x v* y^ \ - \ \*\\" \ \ \ \ \ \ Ecl - ^frrrfůfs if \ ^ r \ ' J o gite ' i ^ ■ • Granulite \ 1 \ 1 \ 1C 1 1 J----------------------------i--------a---- \ Vtfet Partial Lilting of Granite A= High Geothermal Gradient (contact metanwrphisnO. Low P. high T E= Normal Geothermal Gradient (regional metamoiphism"], High P. High T C= Low Geothemal Gradient feubductionj, High P, Low T • Cas • 1) relativní • a) pre-tektonická žíla • b) post-tektonická žíla Cas 2) absolutní TJ238 92 u TJ235 92 u 92 92 proton 146 143 neutron 238 235 TJ238-92 u --rozpad-- - > 82Pb206 decay constant= 1.5369x10-10/let U—> Pb • radioaktivita j e samovolný rozpad nestabilních prvků na stabilní dceřinné prvky • radioaktivita není závislá na chemických a fyzikálních faktorech poločas rozpadu U238 — > Pb206 = 4,5 miliardy let zirkon (Zr,U)SiOz • Minerály musí být produktem metamorfózy • Pozor na starší jádra • Minerály mohou být modifikovány mladší metamorfózou (k-aio U-Pb monazit Pb = — [exptFV) - lJzOS + ^^-[exp(F8r) - l|z06 + ^^[exp(FV) - l]z07 238.4 where 1 = decay constants x = time in y ears polished surface npílyral {rein analysis volume where x-reys. arc gcnerntcd Mineral Method T(°C) Zircon U-Pb >800 Monazite U-Pb >800 Titanite (Sphene) U-Pb 600 Garnet Sm-Nd >550 Hornblende K-Ar 500 Muscovite Rb-Sr 500 Muscovite K-Ar 350 Apatite U-Pb 350 Biotite Rb-Sr 300 Biotite K-Ar 280 K-Feldspar K-Ar 200 Apatite Fission Track 120 Tc - „closure temperature" teplota kdy přestává difúzni ztráta dceřinného prvku krystalu U-Pb zirkon >900 mo nažil 650-740 titanit 500-670 K-Ar a Ar- Ar am H bol 500-450 muskovit 350-400 biotil 300 mikroklín 150-250 Rb-Sr muskovit 450-500 biotil 350 ortoklas 320 Postupy a indikátory konstrukce trajektorií P-T-t Rekonstrukce drah P-T • sled rovnovážných stavů v hornině =^>^> odvození dráhy P-T • analýza vztahů krystalizace a deformace =^> rozlišení pre-, syn- a post-kinematických minerálů (asociací) Krystalizace a deformace 1) Postkinematická stavba: Nová minerální asociace vznikla až po deformaci. Proto nové minerály přerůstají deformační stavby jako je foliace nebo vrásy. 2) Synkinematická stavba: Minerály nové minerální asociace rostou během deformace (např. rotovaný granát vznik foliace). 3) Pretektonická stavba: minerály byly po svém vzniku postiženy deformací (vynikají tlakové stíny a undulosní zhášení). %0ŕ ^v indikátory konstrukce trajektorií P-T: * inkluze * reakční struktury * diagramy P-T-X * zonalita minerálů • prográdní zonálnost minerálů - lze využít k rekonstrukci části dráhy P-T • retrográdní zonálnost minerálů • výměna prvků během chladnutí po vrcholu metamorfózy • vzniká difuzní profil na okraji zrn (minerál s pomalejší difusí) • vrcholné podmínky metamorfózy mohou být zachovány v jádrech minerálů • Tc - „closure temperature" teplota zaznamenaná geotermometrem který byl ovlivněn chladnutím, pro Grt-Bt (Fe-Mg) « 525-580° P-T dráhy Gamet '8 ?"° d An content of plagioclase 38 Plagioclase O kj\ v? o O-*—* % o,- 3/ Qď r ^ .6 porfyroblast Grt obsahuje inkluze Chi a je lemován Sill Chemická zonálnost Grt z metapelitů (Wopmay Orogen, Canada), a. Chemický profil přes Grt. b. An-obsah v PI in klužích v Grt ktrý koresponduje se zonálností v PÍ, St-Onge (1987) /. Petrol 28,1- 22. 1.0 i i i iii i jx Core J^jj s^ y< 0.8 - i? o06 8 0.4 k. Q. ■^>^And ^^^í? ^ 0.2 0 i i i i li i i i*^ 0 4C )0 500 600 700 80 Temperature °C The results of applying the garnet-biotite geothermometer of Hodges and Spear (1982) and the GASP geobarometer of Koziol (1988, in Spear 1993) to the core, interior, and rim composition data of St-Onge (1987). The three intersection points yield P-T estimates which define a P-T-t path for the growing minerals showing near-isothermal decompression. After Spear (1993). 2.0 4Q0 500 Temperature 'C 60° 700 800 Figure 2Ů-2. Peirogenetlc grid for the system KFMASH at P^ - P^. Orange curves represent the system KFASH and purple curves represent the system KMASH. Reactions are not balanced, and commonly leave out quartz, muscovfle, and water, which are considered to be present in excess . Typical high, medium, and low P/T metamorphic field gradients are represented by broad pink annws. After Spear and Cheney (19B9), and Spear {1999). chloritoid + biotit = granát + chlorit +H20 ganát+ chlorit + muskovit = staurolit + biotit +H20 Grt + Chl stability field ------o.z------ Mn/fMm-Fe+Mg) in grt = SPECULATIVE P-T PATH biotit + A12SÍ05 (sillimanit) = ganát + K-živec + tavenina Garnet chemical zoning maps showing minor core to rim increases in Fe/(Fe+Mg) and calcium. Plagioclase zoning map shows a core to rim increase in percent anorthite 400 500 800 700 SOO 900 Tra 500 600 700 300 900°C Fig. 2. Metamorphism of high-grade schist and pehtic gneiss from ODP Site 976. PT conditions are shown for garnet cores (A) and three successive mineral assemblages (B to D) in the high-grade schist, and for melting conditions in the pehtic gneiss (E). The P-T path for the high-grade schist is shown with a solid black arrow. k? a n D o d o D KÍ-X- ■■-•■■■•■".* JWAW.V^W •ivc'i'il'x'x—x^í^ *X'X*;»;x*oi'^ fXv O A. vŕS-xX; ^íxWxSxji jŕ<##$::::íx^i'x'$®^ .^xíSxW:*^ ■řX-X-X-X-X-Xvlr &> O ^j^ijj^^^p r A D >fxÉÄŠp /výX-XvX'X*Xy "^ ßvixx-xWx-inv. t>x-ňx««-x-X'X?s^ ^x>X;:::xx::::;x:x-xx* ^^ÍÉSxÍäS^Í: D r^n ^^^ijiitx-x-x k-.-,-.vx*x,x*:*í'^ vX-XX'X-.'.'S'^ ^ D WW! D O D r tú 111 D O non-pelitic lithologies isograd O CHL - MS - AB - QZ D BIO - CHL - MS - AB - QZ A GT - BIO - CHL - MS - AB - QZ ca ü_ 1.0 0.9 0,8 0.7 0-6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 -0 - ŕi-í™ --------?í*JR9ft / / / f I// t t / s ti '///-—°--^ ^000 300 400 500 600 700 A typical Barrovian-type metamorphic field gradient and a series of metamorphic P-T-t paths for rocks found along that gradient in the field. 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