6. P-T-t dráhy v metamorfovaných horninách interpretace a modely Popis drah P-T -t P-T CW (clockwise) - po směru hodinových ručiček = pohřbení, subdukce magmatic underplating - prográdní část dráhy Fault Plane Mono 400 Temperature, °C • P-T a vrcholné metamorfní podmínky - vysoce metamorfované horniny. • pojmy prográdní a retrográdní spojeny s tektonickým procesem, nejen sT • A) Prográdní část dráhy: nebývá zachována - starší metamorfní procesy překryty vrcholnými PT podmínkami • B) Retrográdní část dráhy : 1) izotermální snížení tlaku neboli dekomprese (isothermal decompression - ITD): tektonické ztluštění kůry a následná erozní či tektonická exhumace 2) izobarické chladnutí (isobaric cooling - IBC) například horniny v kontaktním dvoře magmatických těles. P-T-t drahá (a) je typická pro orogenetická pásma kde dochází ke stluštění kontinentální kůry is (crustal thickening) • během nárůstu mocnosti kontinentální kůry roste tlak (vzrůst tlaku se v horninách projeví okamžitě (Pmax ),ale tepelný tok je pomalý proces a tak nějakou dobu trvá než dosáhne teplota maximálních hodnot) • v kontinentální kůře je hodně radioaktivních prvků a určité teplo také mohou dodávat magmatické horniny a proto roste teplota hornin až na hodnotu (Tmax) • Eroze způsobí že tloušťka kůry se brzy začne snižovat a tlak začne klesat • k poklesu tlaku dochází většinou dříve než hornina dosáhne rovnováhy s orogenetickou geotermou (proto většinot teplota roste i během poklesu tlaku) Temperature (°C) 1.4 500 800 900 1.4 1.2 1.0 - I 0.8 h U to 0.6 - to 0.4 0.2 t------T-1--------1--------1—;-----1--------r A B+ C[ HaO 100 200 300 400 500 600 700 Temperature (°C) 800 900 P-T-t drahá (b) je typická pro magmatickou intruzi do malých hloubek • v první fázi nárůst a poté pokles teploty spojené s intruzi a chladnutím tělesa vyřelin, vše za relativně konstantního tlaku • často přechody mezi a-b (regionální kontaktní met.) 1 1 1,2 i i i i i ,- i 1 40 1.0 / / /£*-* -• / f i B + C i □ t-- -"/ 30 ÍP 0.8 (3 2 =s 06 OJ o) CW dráha P-T (ztluštění kůry) • IBC =^> magmatická tělesa, magmatická akrece na bázi kůry • CCW - různé mechanismy 14 12 10 i— CO -Q 8 .*: CL 6 (a) ErosionaL denudatior path Tectonic denudation 14 12 10 CO Q- -^ 8 Erosional__ denudation path Tectonic denudation Mag matic heat source path 450 550 650 750 850 T °C 21-27. P-T diagrams showing possible P-T paths that would give rise to (a il decompression or (b) granulite isobartc cooling paths. From Spear (1991). T-> T-> Figuře 21-28. Tectonic cartoons and P-T paths showing two possible senarios to produce isobaric cooling paths, (a) Crustal doubling model. Rocks at the base of the upper crust (labeled 1) will have clockwise P-T loops and will be exhumed during the first orogenic cycle. Rocks labeled 2 will have overall clockwise loops but will have a significant period of isobaric cooling, which may obscure any evidence for early high pressure metamorphism. A second orogeny is required to exhume these rocks, (b) Magma underplating model. An elevated geotherm caused by magma underplating will eventually evolve to a steady state geotherm and rocks will undergo isobaric cooling. A subsequent orogeny is required to exhume these rocks. From Ellis (1987). ■con ■ p «oh £ *no i +WJ ■ ZOO- ■ifftii» —t¥t- ^U, 4« MŮ **. IMfll O o 700 600 500 400 Křivka chladnut í syenitu Glen Desscpy, Skotsko, odvozená na základě blokujících teplot různých izoiopkkých systémů 3qq '_ (van Breemen et al. 1979). Kolečka: U-Pb, hvězdičky: Rb-Sr, čtverečky: K-Ar. 200 Časové zařazení metamorfózy °U/Pb Monazite *Rb/Sr Muscovite OK/Ar Muscovite • Rb/Sr Biotite 16 18 20 22 Age [Ma] Termochronologie = historie T-t (datování minerálů s různou Tc ) Tc - teplota kdy přestává difúzni ztráta dceřinného prvku krystalu rychlé chladnutí - odpovídá krystalizaci krystalu QO 700 -ÓOO -500 - fe 400 -I E 300 - 200 - 100 - O O os» Shafat cooling history í±: Dun DD DD 10 15 20 25 Age (Ma) 30 35 o Ap FT * Zŕn FT ■ BtK-Ar n Ms K-Ar o HbIK-Ar • Mnz U-Pb o Grt5m-Nd — T-time path Tektonické interpretace •Dráhy PT = odraz souhry tektonických procesů a tepelného toku •Metamorfóza - tektonicky aktivní pásma se zvýšeným tepelným tokem, i.e. aktivní kontinentální okraje (konvergentní, divergentní, mobilní, orogenní pásma) - velký rozsah •Metamorfóza indikuje určité geotektonické prostředí. Simulace metamorfních událostí •Na základě zjištěných PTt dat se tvoří model. •Modely vychází z numerického modelování nebo z experimentů •Termální a mechanické modely umožňující sledovat veličiny, které kontrolují metamorfózu: procesy jako zanoření (burial) a zdvih (exhumation) rychlé - silně ovlivní tepelnou strukturu zemské kůry Fig. 4. Current models for the formation of Mediterranean back-arc basins. Top: a subducting slab includes extension in the back arc accompanied by rollback of the subduction hinge. Middle: delamination of lithospheric mantle creates a pettem of induced mantle convection and assymetrically disposed extension and compression of the overlying crust. Bottom: connective removal of lithospheric mantle creates a region of high gravitational potential energy, which then extends. These models predict differing thermal structures in the crust and Hthosphere beneath the basin. • Důležité údaje • (1) Teplotu > 800°C nemůžeme v kůře dosáhnout bez tepelného zdroje (magma). • (2) Při vzniku příkrovů je možné pozorovat rozdílnou P-T-časovou dráhu pro spodní a svrchní příkro v. • (3) Délka trvání regionální metamorfózy se počítá na desítky miliónů let zatímco kontaktní metamorfóza 10000 let. • 1) Porušení tepelné a geologické struktury kůry • (a) Subdukce studené oceánské desky pod oc/kont —> stlačené geotermy • (b) Ztluštění kůry (kontinentální) - násuny homogenní ztluštění kůry • (c) Ztenčení kůry - extenzí (intrakontinentální rifting), gravitační skluz příkrovů • (d) Vrásnění • (e) Intruze magmatu f ( A Simple Wilson Cycle The Opening and Closing of An Ocean Basin A - Stable Chaton Is H -r kg.* k \| -r H ' H * h f P g ^Zi -r •* "'t'I -* -t * ■* -r A -* -r*i " -f ^ •* -r + jt| y *i H v --i ^ ľ *i ^ y *i ^ v ■* V y^H v --i ^ v? ** k g -t kg* k-j-r kg«* k-j * k -í -r kg L-^-r-* * -» * ^ -r -i. 'f-,-* 4-^-4 ** -. -1 '" Xi_ i u -j. ■< ■ i h ľ ,i g - - i - . g ■■ <1ľľi B - Early Rifting (!•: iiHiňňnl üi h» ptac«; m* tuen baän C - Full Úgun Basin Gorifrmts wMriy sapáräfeil D - Suenvcnnn ZnníE £3, E -Closing Remnant^^^— onnnbijhaifÉťistítusd; F - CíMJLIflKiní OrOGENCY Left conínent ovsnWes it(l* ľJ'rinŕnr; f.ífur hífin .iIhís.í . t„_ t- i, „. t- j, ,- r- '-&-^ G - řEMKPtAINim MíJHNTAIN Mount*! wadedtDStt tew); tedatta JtabllHv anafc_______ -L _ *.. *—-Lt*—*—>—~^ \ ^ 2) Relaxace tepelného porušení směrem ke stálému stavu (steady state) • po skončení tektonického procesu 3) Změna hloubky horniny v důsledku zdvihu a eroze nebo tektonického ztenčování • ztluštělá kůra je isostaticky nestabilní (není v isostatické rovnováze) • =^> zdvih a eroze (pohoří geomorf. nestabilní) eroze =^> denudace/odstranění nadložních hornin =^> exhumace hornin Model ET84 - eroze 0.29mm/rok • =^> tektonické ztenčování - svrchní kůra - gravitační skluzy či poklesy (low-angle) střední a spodní kůra - duktilní střižná deformace. Model ET86 - tektonické ztenčování 1 mm/rok • změna mocnosti kůry - hornina se „vrací" od relaxované geotermy ke stálé - snížení tlaku a pohyb horniny blíže k povrchu - chladnutí Rychlost výstupu hornin a tvar retrográdní dráhy P-T • Zachování minerálních asociací z P-Tmax • podmíněno rychlým transportem horniny, ne výměna tepla s okolím, rychlé zchlazení =^> původní minerální asociace zachovány až k povrchu • pomalá rychlost transportu , výměna tepla s okolím =^> reekvilibrace minerální asociace v transporto váném bloku, zanikají informace o původní metamorfóze Faktory kontrolující metamorfní dráhy P-T • procesy tektonické i sedimentární (mocné sedimentární sekvence, eroze) • přenos hmoty a tepla během vývoje orogenních zón time - 0 my Fig. 3.12. A pTt path of a volume element at depth r of Fig. 3.11. The mineral assemblage stable at the tangent point of the path with dehydration reaction 2 will, in general, be preserved in metamorphic rocks. The tangent point corresponds to the least hyd rated state of the rock. B Clockwise pTt loops for volumes of crust from different depth levels (Fig. 3-J1). The mineral assemblage of the individual volumes corresponds to the least hyd rated state for that volume. The pT points of the least hydratcd slate from all samples of a metamorphic terrain define a curve that is known as piczo-thermic array (iMKtyilM* B by the element in pT s^cCc(,nltncn^on""c"' «»»«»n and the corresponding paths followed Teplota H N 80-70 Ma USH ;\\\\* Figure 21-7. A series of tectonic cartoons depicting the evolution of the Tauern Window in the eastern Alps, Austria. Dot = The Lower SchieferhiiUe (LSH) ; Square = Upper SchieferhiiUe (USH); Parallelogram = Eclogite zone (EZ). P-T diagrams show approximate positions of units along P-T paths at various stages of convergence. Modified after Selverstone (1985). Příklad 1200 1ÜÜQ — 800 — 600 — 400 — £00 — 500 o 700 Zones minérales | Disthéne | Staurolide G renal Storřie Chlorite i ■■■■■■ ii i ■ 1100 T[K] ľ —|---------r™n^ a. Q — 40 — 30 — 20 — 10 200 300 400 500 600 700 eoo T [X] Q 30 H 20 -A 10 Leucogranite U-Pb Mz äge 0 400 500 600 700 800 T [ŮC] 56 700 300 900 1000 1100 T [K] ca 1000 -i 800 - 600 - 400 - 200 - 0 400 500 600 700 800 T [ŮC] Modely 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 T(°C) 1) Subdukce i ,'.l!r< ,,,ív.™tI; /iDh'í Arc magmatism Important hydrous phases in oceanic crust: Chlorite 12 wt% H20 Lawsonite 11 wt% H20 Chloritoid8wt%H20 Amphibole 2 wt% H20 Zoisite 2 wt% H20 Intermediate-depth earthquakes & dehydration reactions? H2O transport deep into the mantle? Pacific Ocean Shikoku Japan Sea km 100' 200" 0 0 100 200 greenschist (3.3) epidote blueschist (3.1) 300 400 km 100- 200 n serpentinized chlorite dunite (6.2) chlorite harzburgite (1.4) H20 (Wt%) 15r zoisite aniphibole eclogite (0.7) zoisite eclogite (0.3) eclogite (0.1) -coesite eclogite (0.1) diamond eclogite garnet harzburgite (0) 0 100 200 (0.1) 300 400 km 100- 200' H20 (wt%) 15 100 200 300 400 (A) Subducting Oceanic Crust Oceanic crust: Variably hydrate d basalt and gabbro Blueschist fades: Na-amphibole Chlorite Lawsonite/epidote Na-clino pyroxene Quartz o o 100 km Eclogite fades: Na-dinopyroxene Garnet Amphibole Lawsonite/epidote Quartz (B) Mantle Wedge (Simon Peacock) Low temperature: Serpentine Talc Brucite % 100 km Hydration HoO Partial melting (High temperature: Amr' " phibole Phlogopite v v 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