Magmatické a metamorfní procesy _ Hydratační a dehydratační metamorfní reakce II David Buriánek pouze pro potřeby výuky Osnova 1.Chování fluidní fáze během retrográdních metamorfních reakcí 2.Význam ultramafických hornin při interpretaci geologických procesů 3.Fázové vztahy v ultramafických horninách 4.Hydratační reakce v ultramafických horninách 5.Retrográdní reakce v metakarbonátech 6.Metamorfóza nízkého stupně bazických hornin a vápenatosilikátových hornin (význam hydratačních reakcí) •retrográdní vznikají během poklesu teplot a často produkují fluida •většinou neproběhnou úplně •často tvoří retrográdní minerály lemy kolem reliktů prográdní asociace •pokud není dostatek fluidní fáze nebo je pokles teplot příliš rychlý nemusí proběhnout vůbec •velmi často dochází k reakcím ve velmi malém objemu horniny kolem 1 cm3 (lokální rovnováhy) •během retrográdních přeměn jsou rovnováhy mezi minerály závislé na difuzi •difuze je ovlivněna strukturou horniny 1. Chování fluidní fáze během retrográdních metamorfních reakcí Vznik retrográdního lemu Cdr+Spl+Grt který odděluje Silimanit od prográdního granátu (Vernon-Clarke 2008/ Principles of Metamorphic Petrology) Schematický nákres výbrusu (upraveno podle Stuwe, 1997) složená ze čtyř rozdílných minerálů Grt+Bt+Fsp+Qtz s vyznačením oblasti v nichž došlo k rovnováze. Oblasti 1 až 3 ukazují že pro rozdílné prvky může být velikost této oblasti rozdílná. Oblast 1 znázorňuje prvek u kterého je poměr mezi difuzí po hranici zrn ku difuzi přes krystalovou mřížku je nízký a to za podmínek vrcholné metamorfózy i při nižších teplotách (2). Oblast 3 znázorňuje element jehož poměr difuze po intergranulárách vůči difuzi přes krystalovou mřížku je vyšší. Oblast 4 má podobnou velikost jako oblast 2 (Vernon-Clarke 2008/ Principles of Metamorphic Petrology) 2. Význam ultramafických hornin při interpretaci geologických procesů Øhlavní horninový typ zemského pláště Øsloženy hlavně z Mg-silikátů, světlé součástky < 10 % Øgeochemicky – utrabazické horniny (SiO2 < 45 hm %) Øprimární minerály: olivín bohatý Mg (Fo 88-95), ortopyroxen (enstatit), klinopyroxen (Cr-diopsid), chromit (akcesorie), granát (pyrop 60-75 mol.%), spinel, plagioklas Øsekundární minerály: minerály skupiny serpentinu (chryzotil, antigorit, lizardit, aj.) - nahrazují olivín nebo ortopyroxen (bastit), amfiboly (tremolit), mastek, magnezit, Mg-chlority, Mg-biotit, ilmenit, magnetit D:\Zal\Zal\PDF2\b8Html\PETROLOGYign\Petrology\Igneous and Metamorphic Petrology - Lecture 15_files\iugsmafic.gif D:\disertace\NovCD\Cd2\Html\Horninotvorné minerály_soubory\olivin.jpg obr_7_1 PT-diagram ukazující pole stability lherzolitu s různými asociacemi •ultramafické horniny tvoří plášť •v kontinentální kůře jsou vzácné •v orogénech jsou často tělesa peridotitů uspořádána v nesouvislých pásech X00- 1000 km dlouhých, paralelních se strukturními prvky orogénu • •dehydratační reakce •Tc + Fo = Ath + H2O (MSH) •Ath + Fo = En + H2O (MSH) •Tc = En + Qtz + H2O (MSH) •Tr = En + Di + Qtz + H2O (CMSH) •Chl = Opx + Fo + Sp + H2O (CMASH) ENSTATITE CHANGING TO TALC En Tc Fo Tc = En + Qtz + H2O •3) Fázové vztahy v ultramafických horninách •systémy: CMS, MSH, CMSH, ± FeO (FMSH, CFMSH), Al2O3, CO2 •důležité minerály: •Antigorit Mg6Si4O10(OH)8 •Mastek Mg3Si4O10(OH)2 •Aktinolit Ca2(Mg,Fe)5Si8O22(OH)2 •Tremolit Ca2Mg5Si8O22(OH)2 obr_7_3 Zjednodušená MSH mřížka pro ultramafické horniny (sestaveno na základě termodynamických databází Bermana, Konopásek et al. 1998 převzato ze Speara 1993) • Diopsid CaMg Si2O6 • Anthofyllit Mg7Si8O22(OH)2 • Enstatit MgSiO3 • Forsterit Mg2 SiO4 http://serc.carleton.edu/images/research_education/equilibria/cmsh.v2.jpg http://serc.carleton.edu/images/research_education/equilibria/cmshpseudo.v2.jpg Převzato http://serc.carleton.edu/research_education/equilibria/TXdiagrams.html D:\PC\PDF2\8Html\PETROLOGYmet\M2\CMSPTrxns.jpg Prográdní metamorfóza ultrabazických hornin v systému CMSH obr_3_9 Petrogenetická mřížka pro systém SiO2-MgO-H2O pro metamorfované ultrabazické horniny • D:\PC\PDF2\8Html\PETROLOGYmet\M2\CMSrxns.jpg D:\PC\PDF2\8Html\PETROLOGYmet\M2\CMSPTrxns.jpg D:\PC\PDF2\8Html\PETROLOGYmet\M2\CMSPTrxns.jpg A) Atg + Br (± Di, Chl) D:\PC\PDF2\8Html\PETROLOGYmet\M2\CMSrxns.jpg B) Atg + Di + Fo (±Chl) C:\David\obr\ult2-86 n.jpg C:\David\obr\ult86 n.jpg C) Tr + Atg + Fo + Chl D:\PC\PDF2\8Html\PETROLOGYmet\M2\CMSPTrxns.jpg D:\PC\PDF2\8Html\PETROLOGYmet\M2\CMSrxns.jpg D:\PC\PDF2\8Html\PETROLOGYmet\M2\CMSPTrxns.jpg D) Tr + Tc + Fo (±Chl) D:\PC\PDF2\8Html\PETROLOGYmet\M2\CMSrxns.jpg C) Tr + Atg + Fo (± Chl) D:\PC\PDF2\8Html\PETROLOGYmet\M2\CMSrxns.jpg D:\PC\PDF2\8Html\PETROLOGYmet\M2\CMSPTrxns.jpg ENSTATITE CHANGING TO TALC F) Tr + Ath + Tc (± Chl) E) En + Tr + Tc (± Chl) En Tc tab_7_2 Granát (grt): pyropové složení, při Ca metasomatóze grossular Spinel (sp): chromit-spinel Plagioklas: anortit, albit Chlorit (chl): (Mg5Al)vi (AlSi3)ivO10(OH)8 > klinochlor – chamosit, substituce : FeMg-1 Význam hliníku v systému ultrabazických hornin •během prográdní metamorfózy dochází k postupné změně chemického složení původního chromitu •vzniká chrómem bohatý magnetit na úkor chromitu má několik fází (Farahat 2008) •za podmínek velmi nízkého stupně metamorfózy je původní chromový spinel lemován v důsledku přínosu Fe a odnosu Mg chromovým magnetitem •ve facii zelených břidlic dochází k reekvilibraci s okolními silikáty (Al, Mg, Cr) •relikty původního chromového spinelu lemuje ferichromit, který jej odděluje od chromového magnetitu na okraji •v amfibolitové facii často dochází k úplnému nahrazení původního chromového spinelu ferichromitem a ten je lemován chromovým magnetitem (Farahat 2008) Spinelidy jako indikátor stupně metamorfózy •v ultramafických horninách dochází k hydrataci bezvodých minerálů již za velmi nízkých teplot • •nejčastěji jsou postiženy minerály: ØOpx: (Mg,Fe)2 Si2O6 ØCpx: CaMg Si2O6 ØOl: (Mg,Fe)2 SiO4 • •nejčastější nízkoteplotní alterace: ØOlivín → serpentin Øortopyroxen → serpentin ØOlivín + ortopyroxen → serpentin + Fe oxidy + mastek + brucit ØKlinopyroxen → amfibol + hydratované Ca-Al silikaty + chlorit ØPlagioklas → Ca-Al silikáty + jílové minerály + kalcit D:\PC\s1.jpg 4) Hydratační reakce v ultramafických horninách Serpentinizace •Přeměna začína podél puklin a štěpných trhlin (pyroxen, olivín) •minerály serpentinové skupiny jsou stabilní v podmínkách facie zelených břidlic •lizardit a chrisotil stabilní do 300 ºC •antigorit stabilní do cca 500-600ºC •serpentinizace » otevřený systém •Mg – bohatá hornina tvořená bezvodými minerály se mění na směs hydratovaných silikátů •minerály serpentinové skupiny obsahují 12 – 14 % H2O •serpentinity vznikly interakcí s mořskou vodou nebo meteorickou vodou (18O) •lokálně může serpentinizace probíhat za velmi nízké fugacity kyslíku (vzniká přírodní Fe nebo slitiny Fe-Ni-Co) » Fe obsažené v olivínech a pyroxenech reaguje s O v pronikající vodě a vzniká magnetit ale volný H redukuje část Fe případně Co a Ni až do kovové formy C:\WINDOWS\Desktop\PGS\CD650\D\x4_files\mrizX.jpeg D:\Zal\Zal\PDF2\7PPT\AA\serp_xpl.jpg •sepentinity mohou vznikat v důsledku těchto dvou rozdílných reakcí : D:\PC\s2b.jpg •v tenké oceánské kůře může rozsáhlá serpentinizace na středooceánském hřbetě vyvolat výzdvih •nebyly pozorovány projevy expanze •nemůžeme to ale říci s jistotou, protože velká tělesa serpentinitů porušují četné zlomy •zlomy mohou souviset s expanzí •všechno Mg a Si v oceánu může být produktem reakcí na středooceánských hřbetech •avšak v různě intenzivně serpentinizovaných peridotitech je poměr SiO2 / (MgO + CaO + MnO + NiO + FeO) zachován •Zdroje H2O: •a) pozdní granitické intruze bohaté vodou •b) okolní horniny (nemet.- nízko met.) •c) litologická rozhraní a zlomy D:\PC\s3b.jpg •Ca je obsaženo v primárních Cpx ale není ve většině novotvořených fází → v otevřeném systému přechází do roztoků a migruje (rodingitizace) D:\PC\PDF2\8Html\PETROLOGYmet\M2\Metamorphic Petrology; Geology 102Cf_soubory\CMSplot.jpg D:\PC\skola\Serpentinisation7_soubory\serp074.jpg C (Ctl) = chrisotil, A (Atg) = antigorit •sepentinity mají nižší hustotu oproti primárním dunitům a peridotitům (2,6-2,8 g/cm3 vs. 3,3 g/cm3) • ØLizardit < 200 ºC, do ~ 20 kbar facie zelených a modrých břidlic ØChrisotil < 200 ºC do ~300 ºC, < 3-4 kbar ØAntigorit < 300-500 ºC, do ~ 20 kbar Serpentinizace kumulátových ultrabazik D:\PC\skola\Serpentinisation4_soubory\serp041.jpg D:\PC\skola\Serpentinisation4_soubory\serp042.jpg D:\PC\skola\Serpentinisation4_soubory\serp043.jpg D:\PC\skola\Serpentinisation4_soubory\serp044.jpg Ol = olivín, CPX = klinopyroxen, MT = magnetit, K = lizardit, A = antigorit , B = bastit (složený převážně s lizarditu), CHR = chrisotil (převzato) D:\PC\skola\Serpentinisation5_soubory\serp051.jpg D:\PC\skola\Serpentinisation5_soubory\serp052.jpg B = bastit (složený převážně s lizarditu), C = chrisotil, PO = pseudomorfóza po olivínu (lizardit), K = pseudomorfóza po olivínu lemovaná magnetitem (převzato) D:\PC\skola\Serpentinisation6_soubory\serp061.jpg D:\PC\skola\Serpentinisation6_soubory\serp063.jpg 5. Retrográdní přeměny metakarbonátů •většina retrográdních reakcí v systémech CMSH, CMASCH má na straně reaktantu CO2 ± H2O •minerální asociace jsou odolnější proti retrográdním přeměnám než v metapelitech •častěji zachovávají podmínky blízké vrcholným podmínkám metamorfózy •zároveň se mnohdy setkáváme s nerovnovážnými asociacemi Wo + CO2 = Cal + Qtz 5 Di + 1 H2O + 3 CO2 = 1 Tr + 3 Cal + 2 Qtz a2) 34 Fo + 20 Cal + 20 CO2 + 31 H2O = Srp (Atg) + 20 Dol (Ferry 2000) a1) 34 Fo + 51 H2O = Srp + 20Brc (Ferry 2000) a1 a2 •T-XCO2 diagram ukazující vztahy mezi dolomitem (Dol), brucitem (Brc), antigoritem (Atg), forsteritem (Fo), a CO2-H2O fluidy při 3000 bars •čárkované a šedé čáry ukazují vývoj periklasového a dolomitového mramoru během chladnutí (Ferry 2000) C:\Book Stuff\Color Figures\Ch 24\Fig 24-1.jpg 6. Metamorfóza nízkého stupně bazických hornin a vápenatosilikátových hornin (význam hydratačních reakcí) •retrográdní změny v těchto horninách jsou důsledkem reakce mezi bezvodými minerály a fluid •často jde o metasomatické přeměny s přínosem některých prvků jako je Si (An + 2H4SiO4 = Prh + 2H+) •v bazických horninách probíhají hydratační reakce hlavně v podmínkách zeolitové facie až facie zelených břidlic •retrográdní reakce v kontaktních aureolách často souvisí s fluidy uvolňovanými během chladnutí magmatu •rozpadem bazického plagioklasu mohou v závislosti na teplotě vznikat: zeolity, světlé slídy, albit, prehnit, pumpellyit, zoisit, kalcit •kyselé plagioklasy se rozpadají převážně na albit, světlé slídy •tmavé minerály (pyroxen, granát, amfibol) se mění na pumpellyit, chlorit, epidot, aktinolit Wol + An + H2O = Prh Prh + Czo + Chl + H2O = Pmp + Otz •Reakce v systemu NCMASH (Liou •et al.,1985a, 1987): •Na2O CaO MgO Al2O3 SiO2 H2O • 1.Anl + Qtz = Ab 2.Jd + Qtz = Ab 3.Gln + Lws = Pmp + Chl + Ab + Qtz 4.Gln + Czo + W = Pmp + Chl + Ab 5.Pmp + Chl + Qtz = Czo + Tr + W 6.Pmp + Qtz = Prh + Czo + Chl + W 7.Pmp + Qtz + W = Prh + Chl + Lmt 8.Pmp + Chl + Qtz + W = Tr + Lmt 9.Tr + Lmt = Prh + Chl + Qlz + W 10.Pmp + Tr + Qtz = Prh + Chl + W 11.Tr + Czo + W = Prh + Chl + Qtz 12.Prh + Lmt = Czo + Qtz + W 13.Pmp + Lmt = Czo + Chl + Qtz + W 14.Lws + Qtz + W = Lmt 15.Pmp + Lws = Czo + Chl + Qtz + W 16.Gln + Lws = Czo + Chl + Ab + Qtz + W 17.Czo + Gln + Qtz + W = Tr + Chl + Ab 18.Pmp + Gln + Qtz + W = Tr + Chl + Ab •zeolity mohou vznikat: Øv podmínkách diageneze Øv důsledku interakce hydrotermálními roztoky Øv podmínkách metamorfózy pohřbením •horní hranice diageneze : 200°C Øanalcim + křemen = albit + H2O (NASH) Østilbit = laumontit + křemen + H2O (CASH) úlomek vulkanického skla přeměněný na zeolity Příklad hydrotermální alterace vulkanického lávového proudu A) zeolitová facie •zeolity jsou hydratované alumosilikáty obsahující alkálie (K, Na), alkalické zeminy (Ca, etc.) a vodu • jejich struktura umožňuje opakovanou hydrataci a dehydrataci stejně jako iontové výměny •nejdůležitější zeolity: ØNatrolit – kosočtverečný (Na2Al2Si3O10 . 2H2O) ØChabazit - trigonální (CaAlSi2O6 . 3H2O) ØAnalcim – krychlový (NaAlSi2O6 . 6H2O) feldspathoid •zeolity jsou typickým produktem hydrotermální alterace vulkanického skla a plagioklasů •v sedimentech často jejich vysoký výskyt značí přítomnost vulkanické komponenty •zeolitizované horniny si často zachovávají strukturu protolitu • v sedimentech se nejčastěji vyskytuje: laumontit, analcim, heulandit a klinoptilot •ve vulkanitech je častější chabazite a phillipsit, •zeolity vystupují společně s křemenem, albitem, adularem, kalcitem, fylosilikáty (chlorit, světlé slídy atd.), titanit, prehnit, pumpellyit • C:\Book Stuff\Color Figures\Ch 26\Fig 26-3.jpg P-T reakční křivka pro dehydrataci laumontitu ukazující teoretickou smyčku kterou může reakce udělat za velmi vysokých tlaků. Většinou bývá horní část a část za nízkých teplot metastabilní. Avšak teoreticky může dojít k tomu že za nízkých teplot a vysokých tlaků dojde k retrográdní dehydrataci tohoto minerálu. Převzato: Winter (2001). An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, Prentice Hall. C:\Book Stuff\Color Figures\Ch 26\Fig 26-19.jpg •důležité reakce: ØCASH: laumontit = lawsonit + H2O ( 200-250°C, P > 3kbar) ØCASHCO2: laumontit + kalcit = prehnit + křemen + H2O + CO2 (ca 3kbar/300-400°C ) •horní hranici zeolitové facie: Øza nízkých tlaků: epidot + křemen + H2O = laumontit + prehnit Øza vyšších tlaků: epidot + chlorit + křemen + H2O = laumontit + pumpellyit B) prehnit pumpellyitová facie •Prh + Chl + Qtz = Act + Ep + H2O •Pmp + Otz = Prh + Czo + Chl + H2O •Prh + Chl + H2O = Pmp + Act + Qtz •10Pump + 21Qtz + 14H2O = 17Prh + 2Chl + 6Lmt C:\Book Stuff\Color Figures\Ch 25\Fig 25-5.jpg C) Facie zelených břidlic •typické minerály: chlorit, aktinolit, epidot, albit, křemen, titanit, kalcit •spodní hranice = vymizení pumpellyitu a objevení aktinolitu •reakce v CFMASH systému: chlorit + klinozoisit + křemen = aktinolit + kyanit + H2O (> 5-6kbar) Hranice hlavních LT facií GS= facie zelených břidlic; PA = pumpellyit-aktinolitová facie; PP = prehnit-pumpellyitová facie; PrA = prehnit-aktinolitová facie; ZEO = zeolitová facie (Frey et al. 1991). Facie Metabazity Pelity (+ Qz) Zeolitová zeolity jílové minerály (illit-paragonit, chlorit-smektit) Prehnit-pumpellyitová Prh – Pmp – Chl – Ab jílové minerály (illit, paragonit-smektit, chlorit-smektit) Pumpellyit-actinolitová Pmp – Act – Chl – Ab jílové minerály (illit, paragonit, chlorit-smektit) Zelených břidlic Act – Chl – Ab – Ep Chl – Bt ± Ctd ± Gt (Mn – rich) + Ms 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 •Kornprobst, J. (2002): Metamorphic Rocks and Their Geodynamic Significance. A Petrological Handbook. Petrology and Structural Geology Series Vol. 12. •Vernon, R.H. and Clarke, G.L. (2008): Principles of Metamorphic Petrology. Cambridge University Press, 446 pp., •Naprostá většina obrazového materiálu pochází z celé řady internetových stránek věnujících se metamorfní petrologii