G4021 Magmatická a metamorfní petrologie 5. P-T-t dráhy v metamorfovaných horninách •Připomenutí: • •typy metamorfních změn: 1) metamorfní krystalizace 2) texturní změny 3) chemické složení •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 •Přírodní systémy směřují do stavu s minimální vnitřní energií. C:\Book Stuff\Color Figures\Ch 05\Fig 5-1.jpg D:\prednasky\met\met\mineral stability_files\Fig10-7.gif •G = H - TS •G = Gibbsova volná energie •H = Entalpie •T = Teplota (Kelviny) •S = Entropie Tremolit Ca2Mg5Si8O22(OH)2 Ferroaktinolit Ca2Fe5Si8O22(OH)2 Antofyllit Mg7Si8O22(OH)2 Fe7Si8O22(OH)2 Actinolite Cummingtonite-grunerite Ortoamphiboly Klinoamphiboly –Pevné roztoky –Řada minerálů tvoří plynulé přechody –substituce –ortopyroxeny (Fe, Mg)SiO3 C:\Book Stuff\Color Figures\Ch 27\Fig 27-3.jpg Vztah mezi aktivitou a složením pro ortopyroxeny skupiny enstatit-ferrosilit při 600oC a 800oC. 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. C:\Book Stuff\Color Figures\Ch 27\Fig 27-4.jpg efekt přítomnosti Ca pro reakci albit = jadeit + křemen čísla označují hodnotu K 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). K Jd Pyx SiO Q Ab Plag = X X X 2 Fázové pravidlo systém É fáze (Phase) É složka (Component) ß ß ß hornina minerál (s, l, g) e.g. Al2O3 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 (SiO2, Al2O3, Cr2O3, Fe2O3, FeO, MgO, K2O, Na2O, CaO, MnO, P2O5, H2O) - 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 Invariant důsledek fázového pravidla: minerální asociace s velkým počtem fází bude mít jen málo stupňů volnosti, tedy rozsah podmínek za nichž krystalizovala bude přesněji omezen a bude snadnější jej určit na základě výsledků experimentů C:\David\Skola\met\met\Composition and Stability_files\fig10-5.gif Grafické zobrazování minerálních asociací •2 komponenty •3 komponenty C:\David\Skola\met\met\Composition and Stability_files\Fig10-3.gif Mineral Moles CaO Moles Al2O3 Moles SiO2 % CaO % Al2O3 % SiO2 anorthite 1 1 2 25 25 50 grossular 3 1 3 43 14 43 C:\David\Skola\met\met\Composition and Stability_files\ternary.gif C:\David\Skola\met\met\Graphical Representations = Lecture 22_files\Igmet22-2.jpg Metamorfní změny • •1) Fázové změny (isochemická metamorfóza) •2) Odmíšení •3) Metamorfní reakce •a) diskontinuální - zánik minerálu/minerální asociace a krystalizace/stabilizace nové, rovnováha reaktantů a produktů jen na univariantní křivce, reaktant či produkt 1 fáze (terminálové reakce)/2 fáze (křížení spojovacích linií) •b) kontinuální - mění se chemické složení zúčastněných minerálů (vzájemná konzumace): nevzniká žádný nový minerál, divariantní pole •c) Devolatilizační reakce •d) Ox-Red. reakce •4) Natavení •5) Metasomatóza •II. Metody odvození P-T podmínek • • •1 Metamorfní facie •2 Petrogenetické mřížky •3 Zonálnost minerálů •4 Geotermobarometry •5 Fluidní inkluze •6 Indikátory Pt podmínek def. •(mikrotektonické indikátory PT) D:\prednasky\minobr2\images\splendor_l_col_11.jpg •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.). 1. Metamorfní Facie tab_2_2 •On the basis of the relationship between rock composition and mineral assemblage, and the worldwide occurrence of virtually identical mineral assemblages, Eskola (1915) developed the concept of metamorphic facies: •At the time Grubenmann’s epizone, mesozone, and catazone were very broad and poorly defined and the isograd-zones were restricted to pelitic compositions, and were too narrow for easy correlation from one locality to another •Eskola’s facies were initially based on metamorphosed mafic rocks •Basaltic rocks occur in ~ all orogenic belts, and the mineral changes in them define broader T-P ranges than those in pelites, so facies provided a convenient way to compare metamorphic areas around the world •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 • 2. Petrogenetické mřížky Konstrukce petrogenetické mřížky •1) experimenty • •2) termodynamické výpočty •A) definice systému •B) výpočet všech reakcí •C) určení stabilních a metastabilních větví křivek Petrogenetické mřížky a celkové složení systému obr_3_9 3) Zonálnost minerálů •Závisí na chem. složení systému a PT petrogr\granát\Gr3.gif •Využití granátu v petrologii •A)Zonálnost granátu •Dobrá mísivost jednotlivých granátových komponent umožňuje vznik zonálních zrn. Zonálnost může poskytnout informace o procesech jimiž hornina při růstu granátu ale i po skončení jeho růstu prošla. •Zonálnost dělíme na: •1) Růstovou zonálnost - Vzniká při růstu granátového zrna a odráží změny P-T podmínek nebo změny v chemizmu v blízkém okolí granátu •2) Difúzní zonálnost - Vzniká v granátu až po jeho vzniku díky difúzi. Procesy difúze se výrazněji projevují na malých zrnech a na zrnech z více metamorfovaných hornin (difúze roste exponenciálně s rychlostí s níž klesá teplota a proto se difúzní zonálnost výrazněji projevuje u hornin vyššího stupně metamorfózy než u hornin, které prošly jen metamorfózou nižšího stupně. •Zonálnost přírodních granátu je většinou výsledkem kombinace růstové a difúzní zonálnosti. petrogr\granát\růstová.gif petrogr\granát\difuzní.gif •pojetí: rovnovážný stav existující v metamorfovaných horninách odráží vrcholné teplotní podmínky metamorfózy •využití složení minerálů v rovnovážné asociaci – to může být velmi citlivým indikátorem P-T podmínek a P-T drah •geotermobarometrie je založena na rovnovážných reakcích – rovnovážná konstanta či distribuční koeficient = f (P,T) – určuje jednu linii na diagramu P-T 4) Geotermobarometry •Rovnováhy: porfyroblasty mohou poskytovat informaci o části PT dráhy. Okraje zaznamenávají podmínky kdy naposledy hornina dosáhla termodynamické rovnováhy ve středech se mohou zachovat lokální rovnováhy (starší met.) •Retrogrese: u hornin, které chladly pomalu dochází k retrográdním přeměnám (chloritizace). •Kalibrace a citlivost: kalibrace na jiné PT, různá citlivost za rozdílných teplot (solvní, izotopové) •Efekt dalších komponent a chemického složení • •Typy •kalibrace experimentální – měření K jako funkce P a T, idealizované systémy •empirické - měření K v přírodních asociacích, kde P a T zjišťováno jinak •termodynamické • Geotermometry - kalibrace Graph of lnK 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. C:\Book Stuff\Color Figures\Ch 27\Fig 27-5.jpg lnKD = -2108 · T(K) + 0.781 DGP,T = 0 = DH 0.1, 298 - TDS0.1, 298 + PDV + 3 RTlnKD •DG = D H - TDS + (P-1)DV 1. a 2. zákon termodynamiky •DGP,T = 0 rovnováha systému (reakční křivka v P-T) •0 = DH0 – T DS0 + (P-1) dV0+ RT ln K (P a T závislost rovnovážné konstanty) •distribuční koeficient Kd – pro výměnné reakce •Alm + Phl = Prp + Ann (Fe-Mg Grt-Bt) •KD = XMgGrt XFeBt/XFeGrtXMgBt = (Mg/Fe)Grt/(Mg/Fe)Bt C:\Book Stuff\Color Figures\Ch 27\Fig 27-6.jpg C:\Book Stuff\Color Figures\Ch 27\Fig 27-7.jpg Termometry – malá závislost na P (malá D V) velká D S a D H (výměnné reakce – exchange) • 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: •Řada 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 fO2: Mgt + O2 = Hm; •B) závislá na T: Usp + Hem = Mgt + Ilm. • Termometry pomocí solvu • http://www.geolab.unc.edu/Petunia/IgMetAtlas/plutonic-micro%7F/perthite.jpg 1) Nutná dostatečná velikost odmíšenin 2) Nesmí být postižen metasomaticky NOTES_41.GIF 1) ENSTATIT – DIOPSID 2) TERNÁRNÍ ŽIVCE (Granulitová facie) 3) KALCIT - DOLOMIT (dobře kalibrován v rozmezí 400 82Pb206 decay constant= 1.5369x10-10/let U--- > Pb poločas rozpadu U238 --- > Pb206 = 4,5 miliardy let zirkon (Zr,U)SiO4 •minerály musí být produktem metamorfózy •pozor na starší jádra •minerály mohou být modifikovány mladší metamorfózou (K-Ar) http://www.geol.ucsb.edu/faculty/hacker/geo102C/lectures/SognCL.jpg C:\inout\uc\datmonazit_soubory\age-eqtn.gif U-Pb monazit C:\David\Skola\METPEThotovo\Rincon Research Monazite Dating Page_soubory\monz.gif C:\David\Skola\METPEThotovo\Rincon Research Monazite Dating Page_soubory\cartoon.gif •TC - „closure temperature“ teplota kdy přestává difuzní ztráta dceřinného prvku krystalu 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 •Postupy a indikátory konstrukce trajektorií P-T-t •Rekonstrukce drah P-T •sled rovnovážných stavů v hornině ÞÞ odvození dráhy P-T •analýza vztahů krystalizace a deformace Þ rozlišení pre-, syn- a post-kinematických minerálů (asociací) C:\Book Stuff\Color Figures\Fig 23-37.jpg 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). textur_soubory\over1.jpeg textur_soubory\foli.jpeg textur_soubory\strain.jpeg Grt Ca X-Ray map http://www.ugr.es/~jsoto/J.Petrol/Fig.8-Ca.jpg http://www.ugr.es/~jsoto/J.Petrol/Fig.5f.jpg http://www.ugr.es/~jsoto/J.Petrol/Fig.20d.gif •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 je ale častější •· 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° C:\Book Stuff\Color Figures\Ch 27\Fig 27-12.jpg P-T dráhy Chemická zonálnost Grt z metapelitů (Wopmay Orogen, Canada). a. Chemický profil přes Grt. b. An-obsah v Pl inkluzích v Grt ktrý koresponduje se zonálností v Pl, St-Onge (1987) J. Petrol. 28, 1-22 . http://www.facstaff.bucknell.edu/cdaniel/cgd_WebSite/RinconPage/garnetsill.gif porfyroblast Grt obsahuje inkluze Chl a je lemován Sill 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). C:\Book Stuff\Color Figures\Ch 27\Fig 27-13.jpg C:\Book Stuff\Color Figures\Ch 28\Fig 28-2.jpg http://www.facstaff.bucknell.edu/cdaniel/cgd_WebSite/RinconPage/grid1.gif http://www.facstaff.bucknell.edu/cdaniel/cgd_WebSite/RinconPage/staur.gif http://www.facstaff.bucknell.edu/cdaniel/cgd_WebSite/RinconPage/garnetsill.gif http://www.facstaff.bucknell.edu/cdaniel/cgd_WebSite/RinconPage/leuc.gif chloritoid + biotit = granát + chlorit +H2O ganát+ chlorit + muskovit = staurolit + biotit +H2O staurolit = ganát + biotit + Al2SiO5 (sillimanit) biotit + Al2SiO5 (sillimanit) = ganát + K-živec + tavenina http://www.facstaff.bucknell.edu/cdaniel/cgd_WebSite/RinconPage/czmaps.gif 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 http://www.ugr.es/~jsoto/J.Petrol/Fig.20d.gif fig2.jpg - 81745 Bytes obr_2_1b C:\Book Stuff\Color Figures\Ch 25\Fig 25-14.jpg 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. 4. Now return to the question of whether the temporal and spatial mineralogical changes associated with progressive metamorphism are the same •Fig. 25-14 illustrates the difference between the spatial changes along the metamorphic field gradient and the temporal changes (P-T-t paths) for several rocks along the gradient •Note that every rock follows a path involving considerably higher pressures and lower temperatures than the final locus of T[max]-(P at T[max]) points along the metamorphic field gradient suggests •Implications for blueschists: most CW paths appear to -> blueschists in early stages, but not preserved, because T gradually increases to -> med P/T at T(max) where metamorphic imprint developed •Perhaps preservation is the main reason that blueschists are relatively rare, not generation Literatura •Dudek, A. - Fediuk F. - Palivcová M. (1962): Petografické tabulky •Hejtman, B. (1962): Petrografie metamorfovaných hornin •Konopásek, J. – Štípská P. – Klápová H. – Schulmann K . (1998): Metamorfní petrologie •Naprostá většina obrazového materiálu pochází z celé řady internetových stránek věnujících se metamorfní petrologii