Granity a kontinentální kůra II (geochemické modelování granitů) David Buriánek pouze pro potřeby výuky •II. 1. Experimenty-úvod •II. 2. Binární systém alkalických živců Ab-An •II. 3. Binární systém alkalických živců Ab-Kfs •II. 4. System KAlSi2O6 - SiO2 •II. 5. Systém Qtz-Ab-Or (Haplogranity) •II. 6. Systém Ab-H2O •II. 7. Třísložková soustava Kfs-Ab-An •II. 8. Vodou saturovaný granitový systém (Qtz-Kfs-Pl) •II. 9. Oxidačně redukční podmínky a vliv slíd a amfibolu •II. 10. Role vybraných prvků v granitové tavenině •A. Chování fosforu v magmatickém procesu •B. Chování fluoru v magmatickém procesu •C. Chování bóru v magmatickém procesu •II. 11. Systém Qtz-Ab-Or-Al2O3 •II. 12. Systém Qtz-Ab-Or-B2O3 •II. 13. Systém KFMASH •II. 14. Voda v tavenině granitů •II. 15. Shrnutí experimentů •Ve soustavách složených ze dvou komponent mají invariantní asociace čtyři fáze, univariantní asociace mají tři fáze, divariantní asociace mají dvě fáze a trivariantní asociace mají jednu fázi. • •je zpravidla uveden v pascalech (v MPa nebo GPa), obvykle ale v barech (1 bar = 0,1 MPa) • •Vnější podmínky pro platnost většiny použitých stavových diagramu: děj je izochorický (stejnotlaký – tj probíhá při neměnném okolním tlaku) a většinou také dostatečně pomalý aby mohly probíhat difuzní děje v pevné látce. • •Pole stabilních asociací jsou oddělena křivkou likvidu (l) a linií solidu (s). • •Difuze je pronikání částic (zpravidla molekul i atomů) z oblasti vyšší koncentrace do oblasti nižší koncentrace, probíhající do té doby, než se koncentrace vyrovnají. K difúzi dochází v plynech, kapalinách a omezeně i v pevných látkách. • II. 1. Experimenty-úvod •1) tavením sedimentárního protolitu v kůře (jílovce, pískovce) •Ms+Qz+Pl = melt+Sill+Kfs (740ºC, 7kbar) •Bt+Sill+Qz+Pl = melt+Grt/Crd+Kfs (850ºC, 10 kbar) •Bt+Qz+Pl = melt+Opx±Cpx+Kfs (900ºC, 10 kbar) • •2) intenzivní frakcionací plášťového magmatu Vznik granitické taveniny BRS Bowenovo reakční schéma Gabro Diorit Granit C:\WINDOWS\Desktop\PGS\CD650\OBRPOM\gfinn\petrology\ab-an.gif C:\WINDOWS\Desktop\PGS\CD650\OBRPOM\gfinn\petrology\ab-an1.gif II. 2. Binární systém alkalických živců Ab-An •Plagioklasy tvoří izomorfní řadu s úplnou mísivostí •Likvidus: křivka v T-X diagramu určuje spodní hranici taveniny bez krystalů a zároveň popisuje složení taveniny, která koexistuje v rovnováze s krystaly. •Solidus: křivka určuje spodní hranici výskytu taveniny v systému •Likvidus a solidus vytváří smyčku, která spojuje body tání čistého albitu a anortitu •V tomto univariantním systému spolu koexistují v dvoufázové oblasti (2) krystaly s vyšším obsahem An a tavenina s vyšším obsahem Ab než je průměrné složení systému. • • D f d e de ef Princip pákového pravidla: Množství taveniny Množství pevné fáze de ef = kde d = složení taveniny, f = složení solidu a e = celkové složení liquidus solidus eq 5-6 •výsledkem jsou chemicky homogenní krystaly •mají stejné složení jako původní tavenina • C:\WINDOWS\Desktop\PGS\CD650\OBRPOM\gfinn\petrology\ab-an2.gif •Rovnovážná krystalizace •Musí docházet k difuzní výměně iontů mezi taveninou a krystaly přičemž ta je rychlejší než krystalizace. C:\WINDOWS\Desktop\PGS\CD650\OBRPOM\gfinn\petrology\ab-an3.gif •Frakční krystalizace •Krystaly a tavenina spolu nemají možnost reagovat v důsledku oddělení krystalů (gravitační diferenciace nebo rychlá krystalizace). •výsledkem jsou chemicky zonální krystaly okraje krystalů mají v ideálním případě složení čistého Ab water_Ab_An_binary 000549C7Alta HD B746699A: Diagram (Johannes, 1978; Morse, 1980) ukazující vliv tlaku H2O a další komponenty (Di) na teplotu tavení v binárním systému An-Ab C:\MyFiles\232 Notes\plag phase2.JPG •Přidáním vody případně dalších komponent snížíme teplotu krystalizace Diagram (Johannes, 1989, Contrib. Min. Pet. 84, 264 - 273) ukazuje že, pokud do systému přidáme Qtz, vodu a případně Or teplota se sníží a celá smyčka je plošší Diagram ( Johannes & Holtz, 1991, Trans. Roy.Soc.Edin. Earth Sci. 83, p 417-422) při nízkém tlaku se teplota dále snižuje a smyčka je ještě více plochá •Za nižších tlaků je teplota krystalizace nízká Vznik normální zonálnosti plagioklasů •Vznik oscilační zonálnosti plagioklasů •a) Opakující se ostrá zonálnost (magma mixing). •b) Malé nepravidelné oscilace způsobené s lokální nerovnovážnou krystalizací. •c) Komplexní oscilace způsobená magma mixingem a lokální nerovnovážnou krystalizací. D:\Fig 3-5b.jpg C:\Book Stuff\Color Figures\Ch 03\Fig 3-6.jpg II. 3. Binární systém alkalických živců Ab-Kfs •Při tavení v bezvodém systému Ab-Kfs se objevuje poměrně rozsáhlé pole stability leucitu. •Takový systém pak není binární a mluvíme o inkongruentním tavení. •Vzniká tak tavenina rozdílného složení, než původní pevná fáze a nová fáze leucit (KAlSi2O6). C:\WINDOWS\Desktop\PGS\CD650\OBRPOM\gfinn\petrology\ab-or1.gif •Pokud ale zvýšíme tlak vody, pole stability leucitu se zmenší nebo úplně zmizí. •Vznikne tak binární systém, jehož chování je výrazně ovlivněno tlakem vody. •Sledujeme-li chování systému Ab-Kfs při vzrůstu obsahu vody v tavenině, vidíme že se vyvíjí od krystalizace hypersolvu až ke krystalizaci v subsolvu. C:\WINDOWS\Desktop\PGS\CD650\OBRPOM\gfinn\petrology\ab-or2.gif C:\WINDOWS\Desktop\PGS\CD650\OBRPOM\gfinn\petrology\ab-or3.gif dianerozp1 Změny teploty během krystalizace taveniny •Eutektikum je tavenina takové poměrové směsi dvou nebo více složek, z níž tyto složky při dosažení určité minim. teploty krystalizují najednou. •Například v některých granitech takto krystalizuje prorůstající se směs křemene a živce. • Hypersolvus: •Při malých obsazích vody (několik hm. %) spěje tavenina při krystalizaci do teplotního minima. •Při krystalizaci z taveniny s převahou Kfs komponenty vzniká pevný roztok draselného živce s podílem albitové komponenty. •Takto vzniklé krystaly jsou však stabilní jen po určitou teplotu-teplotu solvu. •Klesne-li teplota pod solvus, rozpadne se původní pevný roztok na dva nové (jeden s převahou Kfs, druhý s převahou Ab). Tímto odmíšením na dvě fáze vznikají pertity. AbOr hypersolvus Ringový komplex Cauro-Bastelica (Korsika, přehrada Tolla) hypersolvní fayalitový granit • Subsolvus: •S nárůstem množství vody v systému se k sobě křivky solidu a solvu přibližují, až se dotknou. •Místo bodu teplotního minima se objevuje eutektický bod. •V takovém případě tavenina utuhne přímo v podobě dvou živců. •Oba živce se během dalšího chladnutí pod solvem mohou dále rozdělit, ale toto odmíšení již nebývá tak patrné a často jej pozorujeme jen u draselných živců. Hypersolvní vs. Subsolvní granity Ab_kfsp_binaries 000549C7Alta HD B746699A: granite_photo_a.jpg 000549C7Alta HD B746699A: granite_photo_b.jpg 000549C7Alta HD B746699A: Yoder et al., 1957; Morse, 1970 C:\WINDOWS\Desktop\PGS\David\granity\diser\hotovo\OB2.JPG Schematický nákres znázorňující vliv vzrůstu množství vody v tavenině na chování křivky likvidu v systému Ab-Kfs při tlaku 0.5 GPa. Teplotní minimum (M) po překročení kritické koncentrace (C) vody v tavenině mění na eutektikum (E). F:\USB\PDFvulkanologie\GranityMigmatity\data\Igneous and Metamorphic Petrology - Lecture 7_soubory\binary4.gif Tavenina D Tavenina D chladne až na teplotu E, kdy se objeví leucit a jeho krystalizace pokračuje dokud se složení pohybuje po křivce leucit+tavenina až k bodu C (1150°). V peritektickém bodě C vzniká Kfs reakcí: Liquid + Leucit —> K feldspar a Kfs vzniká dokud se nespotřebuje všechna tavenina a leucit, Po tuto dobu zůstává teplota stejná, na konci tohoto procesu zůstane pouze Kfs II. 4. System KAlSi2O6 - SiO2 •Systém KAlSi2O6 - SiO2 je dobrým příkladem inkongruentního tavení. •Při teplotě peritektického bodu dojde k reakci taveniny s leucitem za vzniku K-živce. •Eutektickém bodě bude mít tavenina eutektické složení a bude z ní krystalizovat K-živec a tridymit až do jejího úplného utuhnutí. •Výsledná hornina tedy bude tvořena relativně starším K-živcem (produkt peritektické reakce) a relativně mladším K-živcem a tridymitem (produkt utuhnutí eutektické směsi). F:\USB\PDFvulkanologie\GranityMigmatity\data\Igneous and Metamorphic Petrology - Lecture 7_soubory\binary4.gif Tavenina F Tavenina F chladne až do chvýle kdy začne vznikat leucit a pak krystalizace pokračuje až do peritektického bodu C V bodě C se leucit mění na Kfs ale leucitu je více než taveniny a tak zůstane zachován a výsledkem je směs leucitu a Kfs. Procentuální zastoupení pevné fáze pákovým pravidlem (50% leucit a 50% Kfs). Tavenina H Chová se zpočátku jako předchozí ale v peritktickém bodě C je v nadbytku tavenina. Tavenina + Kfs se proto dále pohybuje do bodu I kde utuhne jako směs tridimitu a Kfs. C:\MyFiles\232 Notes\QNeKs phase3.jpg C:\MyFiles\232 Notes\QNeKs phase.jpg II. 4. System NaAlSiO4 - KAlSiO4 - SiO2 http://www.mpch-mainz.mpg.de/~jesnow/Ozeanboden/2001/Lecture3/tern-eut-480.jpg http://www.brocku.ca/earthsciences/people/gfinn/petrology/ternary2.gif Kotektická křivka (Cotectic lines) linie ve fázovém diagramu na níž dochází ke krystalizaci dvou nebo více fází zároveň II. 5. Systém Qtz-Ab-Or (Haplogranity) •V případě, že je tavenina nasycena vodou, můžeme pozorovat v intervalu od tlaku 1bar do 4 kbar značný pokles teploty solidu s nárůstem tlaku. •S dalším nárůstem tlaku je již pokles teploty podstatně menší. •S poklesem aktivity vody v haplogranitické tavenině se teplota solidu posouvá do vyšších teplot. •Poněkud jinak se chová „suchá“ haplogranitická tavenina, u níž s nárůstem tlaku naopak stoupá teplota solidu a to zhruba o 10°C na 1 kbar (obr.). C:\DAVID\Granit\Disertace\hotovo\ob1b.gif PT Diagram zobrazující křivky solidu pro taveninu vodou nasycenou a bezvodou v systém Qtz-Ab-Or (akfs – alkalické živce, jd – jadeit, cos - coesit, m – tavenina). Diagram je převzat z práce Johannese a Holtze (1996). II. 6. Systém Ab-H2O The effect of H2O saturation on the melting of albite, from the experiments by Burnham and Davis (1974). A J Sci 274, 902-940. The “dry” melting curve is from Boyd and England (1963). JGR 68, 311-323. C:\Book Stuff\Color Figures\Fig 7-19.jpg •Tvar křivky vodou nasycené a bezvodé taveniny je odlišný C:\Book Stuff\Color Figures\Fig 7-22.jpg From Burnham and Davis (1974). A J Sci., 274, 902-940. •Červená křivka = tavení pro dané množství mol % vody v tavenině (Xmw) •Modrá křivka = obsah vody ve vodou nasycené tavenině •Pod modrou křivkou je tavenina s určeným množstvím vody přesycená • • C:\Book Stuff\Color Figures\Fig 7-22a.jpg •Isotermální podmínky •Vývoj taveniny s poměrem Ab:voda = 1:1 (Xmw = 0,5) z bodu a 925°C a 1 GPa množství mol % vody v tavenině do bodu d při zemském povrchu. •Stoupající magma s fixním obsahem vody nekrystaluje •Z bodu b do c se magma zahřívá (superheated) v bodě c je tavenina vodou saturovaná •Z bodu c do d roste množství volné vody a množství vody v tavenině klesá na 30%. •Při povrchu dokonce uvolňuje vodu do okolí C:\Book Stuff\Color Figures\Fig 7-22b.jpg •Isobarické podmínky •Vývoj taveniny s obsahem vody 10 mol % z bodu i 0,6 Gpa. •Se snižující se teplotou klesá množství taveniny. •V bodě e je albit krystalovaný a v bodě f vzniká tavenina avšak protože obsah vody je jen 10% vznikne jen 15% taveniny (10/65) •V bodě g vznikne 20% taveniny (10/50) v bodě h 50% a teprve v bodě i 100% •Teplotu tavení výrazně ovlivňuje přítomnost vody ale množství taveniny je výrazně závislé na množství vody. 15% 20% 50% 100% C:\Book Stuff\Color Figures\Fig 7-24.jpg •Tavení albitu s fixní aktivitou vody •Fluida se skládají ze směsy CO2-H2O (Pf = Ptotal) • From Burnham and Davis (1974). A J Sci., 274, 902-940. C:\Book Stuff\Color Figures\Fig 7-26.jpg C:\Book Stuff\Color Figures\Fig 7-11.jpg II. 7. Třísložková soustava Kfs-Ab-An •Trojúhelník ukazuje složení koexistujících živců při teplotě 900oC Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. •V trojsložkových soustavách mají invariantní asociace po pěti fázích, univariantní po čtyřech, divariantní po třech, trivariantní po dvou a asociace se čtyřmi volnostmi mají jen po jedné fázi. •Asociace s 5 nebo více volnostmi nejsou v trojsložkových soustavách možné. http://www.brocku.ca/earthsciences/people/gfinn/petrology/ternary1.gif Průřez přes povrch likvidu Ab_An_kfsp_ternary_b 000549C7Alta HD B746699A: Ab_An_Kfsp_ternary_c 000549C7Alta HD B746699A: teplota padá z E směrem k M Ab_An_Kfsp_ternary_a 000549C7Alta HD B746699A: An-Kfs An-Ab Ab-Kfsp Nekvasil & Lindsley, 1990; Brown, 1993 Systém An-Kfs-Ab Ab_An_Kfsp_perspective.jpg 000549C7Alta HD B746699A: An-Ab-Kfs perspektiva Solvus or Miscibility Gap Vývoj chemického složení v systému An-Ab-Kfs An_Ab_Kfsp.jpg 000549C7Alta HD B746699A: Ab_An_Kfsp_liq_line 000549C7Alta HD B746699A: F:\PDF\PDFN\html\petrology3\Igneous and Metamorphic Petrology - Lecture 11_files\avegranite.gif II. 8. Vodou saturovaný granitový systém (Qtz-Kfs-Pl) Kfs Qtz Pl Qtz_Ab_Kfsp_ternary 000549C7Alta HD B746699A: •Tutle a Bowen (1957) studovaly systém Qtz-Kfs-Pl-H2O pro tlaky 0,05-0,3 Gpa. •Diagram představuje složení eutektika a zároveň první taveniny v definovaném systému. •Za tlaků v rozsahu atmosferického až 0,35 Gpa leží termální minimum na kotektické linii tavenina-Kfs-Qtz-H2O a za tlaků nad 0,35 Gpa se mění na ternární eutektikum tavenina-Kfs-Pl-Qtz-H2O. Ternární granitový systém Ab-Or-Qtz pro tlak H2O 1 bar (Schairer, 1957 a Tuttle a Bowen, 1958) Ternární granitový systém Ab-Or-Qtz pro tlak H2O 5 kbar (Schairer, 1957 a Tuttle a Bowen, 1958) LL_ternary.jpg 000549C7Alta HD B746699A: LL_variation.jpg 000549C7Alta HD B746699A: Počáteční celkové složení Qtz_Ab_Kfsp_pressure_effect 000549C7Alta HD B746699A: granite_modes_Qtz_Ab_Kfsp 000549C7Alta HD B746699A: Qtz Pl Kfs •Je poměrně dobrá shoda mezi složením většiny granitů a tímto diagramem ale mnoho granitů je oproti předpokladům obohaceno o Kfs ve srovnání s předpokládaným eutektickým složením. •To můžeme vysvětlit přítomností anortitové komponenty v tavenině. •Granity se také většinou netaví za podmínek kdy je tavenina nasycena H2O. Diskriminační diagram pro granity Hf-Rb/20-Ta x 3 (Harris et al., 1986) pelite melting P-T diagram ukazuje křivky solidu pro haplogranitickou taveninu za podmínek taveniny bezvodé a taveniny nasycené vodou (tlustá plná čára) Přerušovaná tenká čára označuje křivky solidu pro různé obsahy vody Dehydratační reakce muskovitu je označena červeně a biotitu zeleně. Tlustá přerušovaná čára je maximum stability biotitu Tenké plné čáry značí minimální obsah vody v granitické tavenině Tenké přerušované čáry ukazují solidus granitické taveniny pro různou aktivitu vody Nabelek a Bartlett (2000) Trans. Roy. Soc. Edinburgh 91. Vliv tlaku na krystalizaci granitů •teplota ternárního minima klesá se vzrůstem tlaku •ternární minimum se mění na ternární eutektikum v důsledku protnutí solvu a solidu taveniny II. 9. Oxidačně redukční podmínky a vliv slíd a amfibolu biotite_breakdown_fO2-T 000549C7Alta HD B746699A: biotite_breakdown_reactions 000549C7Alta HD B746699A: Wones & Eugster, 1965 •fO2 má vliv nejen na stabilitu tmavých minerálů ale i na stabilitu tektosilikátů (Dall’Agnol et al., 1994). •Pro danou teplotu a obsah H2O platí že redukční podmínky korespondují s nižším poměrem krystaly tavenina než oxidační podmínky (Scaillet et al., 1997). F:\USB\PDFvulkanologie\Html3\Granite Geology_soubory\fO2.jpg II. 10. Role vybraných prvků v granitové tavenině •Koncentrace bóru v granitových taveninách bývá nízká, obvykle nepřesahuje 1 hm. % (Pichavant a Manning, 1984). •Během frakcionace však může obsah boru v tavenině výrazně narůstat. The Ab-Or-Qtz system with the ternary cotectic curves and eutectic minima from 0.1 to 3 GPa. Included is the locus of most granite compositions from Figure 11-2 (shaded) and the plotted positions of the norms from the analyses in Table 18-2. Note the effects of increasing pressure and the An, B, and F contents on the position of the thermal minima. From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. C:\Book Stuff\Color Figures\Ch 18\Fig 18-3.jpg F:\data\Html\1Html\Volatiles - Lecture 19_soubory\volatile8.gif F:\data\Html\1Html\Volatiles - Lecture 19_soubory\volatile1.gif •vodou nasycená tavenina (water saturated melt): obsahuje tolik vody kolik za daných PT je možné a musí koexistovat s fluidní fází (závisí na složení taveniny a XH2O). • •přítomnost vody vede ke: snížení teploty solidu a likvidu + depolymerizaci: rozpadu O-O vazeb mezi tetraedrickými skupinami (drasticky se snižuje viskozita). Vzrůst PH2O snižuje teplotu krystalizace albitu a anortitu ve vodou nasycené tavenině •Složení magmatických fluid: CO2, H2O, SO2, CO, H2, S2 , HCl, F, B F:\data\Html\1Html\Volatiles - Lecture 19_soubory\volatile5.gif Vliv dalších komponent na teplotu solidu taveniny. A. Chování fosforu v magmatickém procesu •Při tavení metapelitů je zdrojem fosforu pro granitovou taveninu především apatit, zatímco ostatní fosforečnany (xenotim, monazit) mají jen okrajový význam. Apatit v granitu A. Chování fosforu v magmatickém procesu •Peraluminické granitické taveniny mohou při teplotě 750 °C obsahovat až 0,7 wt % P2O3 (Wolf a London, 1994). •Během krystalizace je P v peraluminických granitech vázán nejen do akcesorických fosforečnanů, ale i do alkalických živců. •Distribuční koeficient mezi alkalickými živci a taveninou je 2,05(ASI)-1,75 (London et al., 1993). •Avšak obsahy P v horninách jsou obvykle nižší, než jaké by podle obsahu živců měly být. •Tento jev autoři vysvětlují buď oddělením fosforem bohaté zbytkové taveniny (Bea et al. 1994), nebo mladší alterací (sericitizace), při níž se fosfor z živců uvolnil (London, 1992). •Vysoce diferenciovaná magmata mohou obsahovat 1-2,5 wt % P2O5 , v takových granitech se může objevit celá řada Fe-Mn-Al fosfátů. •Fosfor patří mezi prvky, které výrazněji nevstupují do fluidní fáze (London et al., 1993). Chování fosforu v granitické tavenině (London, 1997). B. Chování fluoru v magmatickém procesu •Zdrojem fluoru při tavení kontinentální kůry jsou především slídy a amfiboly (Icenhower a London, 1995). •Distribuční koeficient mezi biotitem a taveninou experimentálně určili Icenhower a London (1997): DFBt/melt = 0,1008*(100* (Mg/{Mg+Fe+Mn}))-1,08. •Taveniny vzniklé dehydratačním tavením slíd mívají desítky až tisíce ppm F (Visonà a Lombardo, 2002). •V peraluminických magmatech jsou hlavními minerály, které koncentrují fluor, slídy a apatit; ve výrazně diferenciovaných granitech se mohou objevit fluorit a topaz (Audétat et al., 2000). •Topaz a fluorit však často nekrystalují přímo z magmatu, ale z fluid provázejících závěrečné fáze krystalizace (pneumatolytické a hydrotermální procesy). •Pro obsahy 1-4 wt % F v tavenině se distribuční koeficient mezi fluidní fází a taveninou pohybuje kolem 0,3. Vliv fosforu, bóru a fluoru na viskozitu haplogranitické taveniny. Bezvodá tavenina má složení: Qtz36Ab39Or25 (Dingwell et al. 1993). C:\DAVID\Granit\Disertace\hotovo\ob3.gif •Aby mohl turmalín z peraluminické taveniny krystalovat, musí podle experimentů prováděných za teplot 700-450 °C obsah B2O3 v tavenině přesáhnout 2 hm.% (Wolf-London, 1997). •Podle těchto autorů může turmalín vznikat reakcemi (1) a (2): •KFe3AlSi3O10(OH)2 + NaAlSi3O8 + 2,5 Al2SiO5 + 0,5 SiO2 + 1,5 B2O3 + H2O = NaFe3Al6(BO3)3Si6O18(OH)4 + KAlSi3O8 (1) •Fe2Al4Si5O18 + FeAl2O4 + NaAlSi3O8 + 1,5 B2O3 +2 H2O = NaFe3Al6(BO3)3Si6O18(OH)4 + 0,5 Al2SiO5 + 1,5 SiO2 (2) •Pokud v tavenině nemohou probíhat reakce (1) a (2), přechází bor do zbytkových fluid. Distribuční koeficient mezi fluidy a taveninou se pohybuje od < 1 do 3 (London, 1997). • Zbytková fluida pak reagují především s biotitem a amfibolem v horninách obklopujících intruzi a vytváří akumulace turmalínu. •Bór ovlivňuje fyzikální vlastnosti taveniny. •Snižuje teplotu solidu granitové taveniny - experimentálně bylo zjištěno, že již 5 hm. % B ve vodou nasycené granitové tavenině snižuje teplotu solidu o 60°C i více (London, 1996). •Bór zvyšuje rozpustnost H2O v tavenině (Pichavant, 1981 a 1983) a zároveň (obr.) snižuje viskozitu taveniny (Dingwell et al., 1993). C. Chování bóru v magmatickém procesu Chování bóru v granitické tavenině (London, 1992). •Bór se poměrně špatně začleňuje do struktury většiny v granitech běžných minerálů (Qtz, Pl, Kfs). •Často se koncentruje ve zbytkové tavenině nebo vytváří turmalín. •Při krystalizaci peraluminických granitů často z počátku krystaluje biotit, cordierit, či granát. •Jak krystalizace pokračuje, klesá v magmatu obsah femických prvků a stoupá obsah B2O3. •Tento proces vede k tomu, že místo biotitu (cordieritu, granátu) začíná krystalovat turmalín. •Při teplotě 700-450 °C může turmalín krystalizovat jen když obsah B2O3 v peraluminické tavenině přesáhne 2 wt. % (Wolf a London, 1997). II. 11. Systém Qtz-Ab-Or-Al2O3 •Tento systém lze při určitém zjednodušení ztotožnit s peraluminickými granity, které vznikají tavením kontinentální kůry. •Porovnáme-li složení taveniny v minimu u subaluminické horniny a peraluminické horniny, vidíme posun k vyšším obsahům Qtz. •Peraluminické horniny také mají nižší teploty tavení (o 20-25 °C). Teplota solidu v peraluminických horninách může být navíc výrazně snížena přítomností prvků, které se obvykle koncentrují v zbytkové tavenině (B, F, Li). •Právě nižší teplota tání (obr.) spolu s přesycením magmatu hliníkem je příčinou toho, že v některých granitech krystalují alumosilikáty především andalusit, které jsou v ostatních granitech interpretovány jako restity. PT diagram zobrazující pozici křivek solidu pro subaluminickou křemen-živcovou taveninu a peraluminickou křemen-živcovou taveninu. Trojný bod pro Al2SiO5 je stanoven podle Holdaway (1971) Vyšrafovaná plocha vyznačuje podmínky za nichž může z peraluminické taveniny krystalovat andalusit (Johannes a Holtz 1996). C:\WINDOWS\Desktop\PGS\David\granity\diser\hotovo\xgr1.jpg And Sill Kfs Qtz [USEMAP] •Vztah mezi solidem granitové taveniny a stabilitou mezi Sill a And závisí nejen na složení taveniny. •a) Kombinace haplogranitické taveniny (Tuttle & Bowen, 1958 ) a And = Sil hranice podle Holdawaye (1971) ukazuje že by andalusit v granitech vznikat neměl. •Kombinace haplogranitické taveniny (Tuttle & Bowen, 1958 ) a And = Sil hranice podle Pattisona (1992 ; P92) krystalizaci And za omezených PT podmínek umožňuje. •b) Kombinace solidu peraluminické taveniny (Johannes & Holtz, 1996 ) a And = Sil hranice podle Richardsona et al. (1969 ; R69) rozšiřuje pole stability And + tavenina na maximum (AND MAX’). CLARKE, D. B. et al. J. Petrology 2005 46:441-472 • •Diagram A/CNK vs. procento krystalizace haplogranitické taveniny zobrazuje dráhy krystalizace pro různé taveniny: •1) krystalizuje jen Qtz + Fsp •2) krystalizují slídy ve slabě peraluminické taveninině •3) dojde k saturaci Al2SiO5 v důsledku kombinace frakcionace živců a saturaování taveniny vodou, nebo poklesem tlaku což vede k poklesu rozpustnosti hliníku a vody •4) dojde k saturaci Al2SiO5 v důsledku krystalizace živců •5) od začátku saturace Al2SiO5 CLARKE, D. B. et al. J. Petrology 2005 46:441-472 Vznik magmatického andalusitu v PT diagramu. Oblast oblast definovaná jako AND MAX ohraničuje vodou saturovaný solidus peraluminické granitové taveniny (Johannes & Holtz, 1996), reakce And = Sil (R69; Richardson et al. 1969). (a) Dráha isobarického chladnutí (Isobaric cooling paths). (b) Dráha adiabatické dekomprese (Adiabatic decompression paths). CLARKE, D. B. et al. J. Petrology 2005 46:441-472 II. 12. Systém Qtz-Ab-Or-B2O3 •Pichavant (1981) zjistil, že teplota solidu výrazně klesá, jestliže ve fluidní fázi narůstá množství B2O3 (obr.). Experiment byl prováděn při tlaku 1kbar v systému saturovaném vodou. Změna teploty počátku tavení v systému Q-Ab-Or v závislosti na koncentraci B2O3 ve fluidní fázi při tlaku 1 kbar (Pichavant, 1981): L = tavenina, V - fluidní fáze, Ctx = krystalická fáze. C:\WINDOWS\Desktop\PGS\David\granity\diser\hotovo\g3.jpg •Při vzrůstu obsahu B2O3 se kotektická křivka v trojúhelníkovém diagramu Qtz-Ab-Or posouvá směrem k spojnici Ab-Or (Pichavant, 1987). •Tento posun kotektické křivky a s ním spojený pokles kotektické teploty je výraznější v systémech bohatších na Ab-komponentu (obr.). •Současně je možné pozorovat posun složení taveniny v teplotním minimu s nárůstem obsahu B2O3 k Ab vrcholu trojúhelníku. •Jestliže snižujeme obsah H2O v tavenině za konstantního tlaku, stoupá teplota likvidu. •Zároveň se složení taveniny v teplotním minimu posouvá ke spojnici Qtz-Or, přičemž obsah Qtz je konstantní. C:\DAVID\Granit\Disertace\hotovo\ob2.gif Projekce kotektických křivek a minim taveniny v systému Qtz-Ab-Or pro 0, 1, 4,5 hmot.% B2O3. Experimenty byly prováděny ve vodou nasyceném systému pří tlaku 1 kbar (Pichavant, 1987). Body znázorňují pozici minima a eutektika v systému nasyceném vodou. Hvězdička složení minima pro 4,5 hmot. % B2O3 v systému nenasyceném vodou (zhruba 2,8 hmot.% vody v tavenině). Křížek znázorňuje hypotetickou pozici minima pro 4,5 hmot.% B2O3 a 3,7 hmot.% vody v tavenině. Plná šipka znázorňuje vývoj složení minima s nárůstem obsahu B2O3 za podmínek nasycení magmatu vodou (s teplotou narůstá obsah vody v tavenině). Přerušovaná čára znázorňuje vývoj minima při konstantním obsahu vody v tavenině (3,7 hmot.% vody). •Složení fluidní fáze, která je v rovnováze s haplogranitickou taveninou, je přítomností či nepřítomností bóru výrazně ovlivněno. •Pro fluidní fázi v systémech bohatých bórem je typická převaha Si nad alkáliemi a velmi nízký poměr Al/alkálie. •Jestliže v haplogranitickém systému stoupá množství bóru, vzrůstá zároveň i podíl Na a klesá podíl Si a Al ve fluidní fázi. •Přítomnost bóru ovlivňuje chování fluid podobně jak přítomnost chlóru. •Chlór se ale chová kvantitativně poněkud jinak. Například poměr alkalií ve fluidní fázi stoupá výrazněji, než tomu bylo při vzrůstu koncentrace bóru. •Dehydratačním tavení metapelitů Bt + Ms + Qtz + Fsp vzniká tavenina a reziduum Sil + Grt + Cdr + Px (hypersten). •Tavenina vzniká v teplotním rozsahu 600-650 °C v celém rozsahu kůry s přínosem vody nebo 650-750 °C při tavení dehydratačním (15-40 km). II. 13. Systém KFMASH Diagram znázorňující hlavní reakce v systému NKFMASH Thompson 1982 • Skupina granátu • • Krychlový nesosilikát X3Y2Si3O12 • X: Fe 2+, Mg, Mn Ca; Y: Al, Fe 3+, Cr •Pyrop Mg3Al2Si3O12 •Almandin Fe3Al2Si3O12 •Spessartin Mn3Al2Si3O12 •Grosular Ca3Al2Si3O12 •Andradit Ca3Fe3+2Si3O12 • •Pro peraluminosní horniny je typický granát s výrazným podílem spessartinové komponenty (Deer et. al., 1992). •Avšak nemusí to platit pro granitické horniny metaluminosní. •Granát v peraluminických granitech bývá výrazně nabohacen na HREE a má slabou negativní Eu anomálii (Harris a Ayres, 1997). • •Při vzniku taveniny se fluidní fáze uvolňují reakcemi, které spotřebovávají minerály obsahujících ve své struktuře vodu (biotit, amfibol) a produkují minerály bezvodé jako je například granát nebo pyroxen. •Granát se tedy při tavení metapelitů hromadí v restitu. •V granitech se podle Clarkeho (1981) objevuje granát jako součást xenolitů nebo jako xenokrysty. •Může vznikat jako důsledek reakce xenolitu metapelitu s taveninou (xenolit je vůči magmatu bohatý na Mn, a Al případně i Fe) či přímo krystalovat z taveniny. •Konečně může vznikat reakcí dříve vzniklých minerálů s taveninou například reakcemi: Liq + Bt = Grt + Ms a Liq + Sil = Bt + Grt. •Při krystalizaci z magmatu, zvláště u aplitů a pegmatitů, roste Mn/(Mn + Fe + Mg) v granátu s nárůstem stupně diferenciace. Sp Grt Grt Ms Cdr Bt Diagram Al-Fe/(Fe+Mg) pro klasifikaci biotitů s vyznačeným polem do nějž spadá většina přírodních biotitů (Deer et. al., 1992). •Flogopit: KMg3[AlSi3]O10(OH)2 •Annit: KFe3[AlSi3]O10(OH)2 •Eastonit: K[Mg2Al][Al2Si2]O10(OH)2 •Siderofylit: K[Fe2Al][Al2Si2]O10(OH)2 •Nejvýrazněji se v biotitech mění poměr Fe/Mg a obsah Al dále se může měnit obsah Ti (jestliže přibývá v biotitu množství Ti, mění se jeho barva ze zelené přes hnědou až na oranžovou). •Obecně v magmatických systémech platí, že s nárůstem kyselosti horniny roste v biotitu obsah Fe2 a klesá Mg (Deer et. al., 1992). •Podobný trend je možné pozorovat i v jednotlivých intruzích, porovnáme-li biotity, které vznikaly v raných stadiích krystalizace s biotity pozdními. •Navíc mohou být pozdní biotity bohatší na Al a Fe3 a naopak klesá obsah Si a Ti. •Podobně se mohou chovat i stopové prvky: poměry Ge:Al, Li:Mg, Mn:Fe2 a Rb:K stoupají a poměry Ni:Mg, Co:Fe2 a Ba:K klesají. Biotit •Stabilitou flogopitu v peraluminické granitové tavenině se zabývali Grochau a Johannes (1997). Pří 5 kbarech a aktivitě H2O = 1 je flogopit stabilní do teplot 1000°C, s poklesem aktivity H2O se pole stability flogopitu zmenšuje. •Při experimentech vznikal rozpadem flogopitu enstatit. Grochau a Johannes (1997) předpokládají, že část biotitu v granitech bohatých na mafické minerály nemusela krystalizací z magmatu. •Biotit v takových horninách mohl vznikat reakcí restitových minerálů (jako je například granát, nebo pyroxen) s magmatem během jeho výstupu k povrchu (změna P-T podmínek). •Granity chudé na mafické minerály (leukogranity) vznikaly za nízkých teplot (< 800°C). •Množství vody které je rozpuštěné v granitické tavenině závisí na tlaku teplotě, složení taveniny, a aktivitě vody (Holtz 2001). •Taveniny které vznikaly za vysokých teplot (např. A-typové granity) obsahují při PT podmínkách 800-900 °C a 3-7 kbar obsahují až do 20%. •Taveniny generované tavením křemen-živcových hornin za nízkých teplot (kolem 750 °C) obsahují pod 5%. II. 14. Voda v tavenině granitů •Množství vody ovlivňuje množství taveniny vzniklé při určité teplotě. •Množství taveniny ale zůstává konstantní po dosažení saturace taveniny •Za velmi vysokých teplot vzniká velké množství taveniny i v systému chudém na vodu F:\USB\PDFvulkanologie\Html3\Granite Geology_soubory\MeltGranit.jpg Role vody při produkci taveniny červené čáry značí teplotu modré viskozitu (Pa.s) //www.geosci.usyd.edu.au/users/prey/Teaching/Granite/ F:\USB\PDFvulkanologie\Html3\Granite Geology_soubory\MeltTonalite.jpg H2O-saturated (solid) and H2O-free (dashed) solidi (beginning of melting) for granodiorite (Robertson and Wyllie, 1971), gabbro (Lambert and Wyllie, 1972) and peridotite (H2O-saturated: Kushiro et al., 1968; dry: Ito and Kennedy, 1967). C:\Book Stuff\Color Figures\Fig 7-21.jpg II. 15. Shrnutí experimentů •Solidus všech hornin je nižší za přítomnosti vody •Teplota tavení a krystalizace je výrazně ovlivněna chemickým složením taveniny a složením fluidní fáze která sní koexistuje •Ke krystalizaci může dojít snížením tlaku (adiabaticky) nebo teploty (isobaricky) •Během krystalizace dochází k oddělení plynné fáze. K hlavním těkavým složkám magmatu patří H2O HCl, HF, SO2, SO3, H2S, CO2, CO, N2, Cl. Dehytratační tavení metapelitů •Ms-Bt bohaté metapelity •Rozpad Bt 760-800°C/10 kbar. •Tavenina je ganitická Dehytratační tavení bazaltů •Metabazalty a amfibolity mohou být postiženy dehydratačním tavením. •Hb + Qtz = tavenina + Opx + Cpx + Grt + Pl •Tavení začíná při 850-900°C/10 kbar. •Tavenina je tonalitická až tronhjemitická (bohatá Ca)