Sedimentární petrologie KARBONÁTOVÉ HORNINY I. Flügel, E. Microfacies of Carbonate Rocks Analysis, Interpretation and Application. Springer, 2010, 984 s. Hladil, J. KARBONÁTOVÁ SEDIMENTÁRNÍ TELESA I. Jejich vznik a vývoj. Masarykova univerzita, 1996, 99 s. Úvod • •Karbonáty sensu stricto – karbonátové minerály •Karbonáty sensu lato – horniny tvořené karbonátovými minerály •Karbonátové sedimenty/Sedimentární karbonátové horniny • •Vznik především v marinním prostředí, na které bude přednáška především zaměřena (existují ale samozřejmě i kontinentální prostředí s karbonátovou depozicí) • •Velmi specifické sedimenty, mající značný význam : •ložiskový (čistý vápenec velmi cenná surovina pro chemický a farmaceutický průmysl; značné množství uhlovodíkových pastí je právě v karbonátových horninách …) •jako paleoenvironmentální archivy • Karbonáty - mineralogie • •precipitace ve vodním prostředí probíhá jak biologickými tak abiotickými cestami • •materiál pro karbonátovou sedimentaci je extrahován z rozpuštěných karbonátových komponent v oceánu •precipitační reakce •Ca2+ + 2HCO3 − → CO2 + H2O + CaCO3 • •Struktura karbonátů v sedimentech - skupiny CO3 + kationty kovů M2+ • •Naprosto dominující kationt je Ca2+, méně Mg2+, • Ostatní kationty jsou jen akcesorické • • Karbonáty - mineralogie • •precipitace, uložení a nahrazování karbonátových hornin je silně ovlivněna jejich mineralogií • •Horninotvorný význam má jen kalcit, dolomit a aragonit • •kalcit, aragonit a dolomit se velmi liší rozpustností, což je velmi důležité pro sedimentaci •rozpustnost aragonit > kalcit > dolomit • Karbonáty - mineralogie • •Aragonit CaCO3 •Rombická kr. mřížka, často jehličkovité agregáty •Běžný biomineralizační karbonát •Nízká stabilita při diagenezi, rekrystalizuje v kalcit (často již při velmi rané diagenezi, přímo v moři za několik let) • • Karbonáty - mineralogie • •Kalcit CaCO3 •Trigonální kr. mřížka, typický habitus krystalů - klenec •Běžný biomineralizační karbonát •1) čistý kalcit (nízkohořečnatý kalcit - LMC) •2) hořečnatý kalcit (vysokohořečnatý kalcit - HMC) více jak 4mol% CaCO3 nahrazeno MgCO3 - HMC >12mol% MgCO3 je více rozpustný než aragonit • • • • Karbonáty - mineralogie •Dolomit (Ca0,53Mg0,45Fe0,02CO3) •Trigonální krystalová mřížka, běžné jsou rhomboedry •Karbonát, který běžně biomineralizací nevzniká •Vznik diagenetickou přeměnou z kalcitu nebo vysrážením ve specifickém prostředí •Velmi stabilní (proto je pro organizmy energeticky náročné z něj budovat skelety) • • • Karbonátová mineralogie •karbonátové sedimenty současného tropického prostředí - hlavně z aragonitu a HMC; jen malá část z kalcitu (v historii Země se však mění – aragonitová/kalcitová moře) •primární dolomit vzniká pouze ve speciálních prostředích (např. bakteriální činností), běžně je diagenetického původu • •karbonáty chladných vod jsou bohatší na kalcit ale obsahují stále převážně aragonit a HMC •důvodem je, že precipitace je především vázána na biotickou produkci, pro níž jsou aragonit a HMC termodynamicky nejvhodnější •většina bioticky vysráženého aragonitu a HMC však během diageneze přemění na kalcit a dolomit Aragonitová / kalcitová moře - závisí na chemizmu mořské vody (poměr Mg/Ca) - aragonitová moře mají Mg/Ca > 2 - především vliv aktivity rozpínání oceánského dna (aragonitová moře při pomalém rozpínání) „Karbonátové sedimenty nevznikají, ale rodí se“ • Noel James (1979) •Nejmarkantněji se liší mělkomořské karbonátové a siliciklastické depoziční systémy •Karbonátové systémy mohou růst vertikálně a sledovat růst mořské hladiny (agradační potenciál) a produkovat a exportovat sediment (produkční potenciál) •Důležité z hlediska sekvenční stratigrafie •Přepracované karbonáty se ale naopak chovají jako klastické sedimenty Sorbyho princip: vápence jsou převládající biogenní sedimenty • •1879 Henry Clifton Sorby •studoval fosilní karbonáty ve výbrusech a zjistil všudypřítomnost fosilií a jejich význam pro formování mikritu (vápnitého kalu) •Zjistil že množství karbonát produkujících organizmů silně závisí na environmentálních faktorech • • • •Přes 90% karbonátů v moderním marinním prostředí je biogenního původu •Bioticky indukované (biot. spuštěné – mikrobiální mikrit) •Biotou přímo tvořené (sklerální autotrofní a heterotrofní organizmy) Biologické srážení karbonátů • •Srážení karbonátů kolem organizmů – změny ve složení vodného roztoku kolem organizmů •Biomineralizace virů – bývají často na počátku nukleace karbonátového mikritu •Vysoké koncentrace karbonátů např. kolem řasových a sinicových rohoží •Sinice jsou schopny přímé biomineralizce (sádrovec, kalcit, dolomit a magnezit) • •Denní změny v absorbci a uvolňování CO2 při fotosyntéze •Dochází tak ke změnám chemismu vody v okolí fotosyntetizujících sinic •Nastává (i několikrát za den) vhodná chemická konfigurace pro srážení karbonátu •Nárůsty sinic a řas jsou tak periodicky prokládány krystaly kalcitu nebo aragonitu • •Velmi důležitá je přímá biomineralizace skeletálních tkání jednobuněčných i mnohobuněčných organizmů, jejíž význam roste po celé fanerozoikum • •Genetické důvody pro využívání CaCO3: • -stahování kationtů vápníku z okolí fyziologických membrán (nadbytek Ca brání životním funkcím) • •-energeticky a fyziologicky dobrá přijatelnost CaCO3 jako kosterního doplňku • Biologické srážení karbonátů Růst karbonátových hornin - procesy •Faktory ovlivňující karbonátovou produkci: •Biologické faktory •Klima/klimatické zóny •Teplota •Salinita •Množství přínosu klastického materiálu (kalnost) •Hloubka (prosvětlení/kalnost; dynamika) • • •Akrece karbonátu – hromadění karb.sedimentu •Řádově 10× až 100× nižší než produkce karbonátu •Silně se totiž uplatňuje rozouštění a odnos Růst karbonátových hornin - procesy •Fyzikálně-chemické vlastnosti v depozičním prostředí musí být „tak akorát“ pro efektivní produkci karbonátu. Voda nesmí být příliš horká ani příliš studená, ne moc hluboká ani moc mělká … •Goldilocks principle (~ Mášenčino pravidlo; pohádka o Máše a třech medvědech, kdy jí chutná jen kaše, která není ani moc horká a ani moc studená …) • • •Z. Kukal: „Karbonáty jsou sedimenty držící se hesla buď a nebo“ •- Když přestanou působit omezující faktory na mělkých šelfech, tato prostředí se stávají místy enormní produkce karbonátu – karbonátové továrny Karbonátová produktivita vs. teplota + suspenze Karbonátové továrny T – tropické karbonátové továrny C – karbonátové továrny chladných vod M – karbonátové továrny kalových kup Typy karbonátových továren rozdělené dle způsobu srážení karbonátů Karbonátové továrny (carbonate factories; Wolfgang Schlager, 2005) jsou mělká prosvětlená dna moří, kde rostou nebo se srážejí karbonátové částice Karbonátová produktivita vs. batymetrie Architektura karbonátových továren Platformy Izolovaná platforma - atol Rampa s kalovými kupami Kalové kupy morfologie karbonátových továren morfologie karbonátových továren - svahy Příkrý svah platformy typu by-pass Stavební komponenty karbonátových sedimentů •Alochemy (karbonátové klasty – skeletální/neskeletální) •Mikrit (vápnitý kal; základní hmota/matrix; ~od 4 mikrometrů) •Sparit (cement; později – ale často velice brzy – krystalizovaný karbonát, cementující alochemy a mikrit k sobě) • •Dunhamova klasifikace: Alochemy •Skeletální (bioklasty) a9_9-x2-ppl-2.jpg DC10_x4_2valves.jpg Neskeletální peloidy + bioklasty (foraminifery) Bioklasty (mlži) Alochemy •Neskeletální DC6_x2_baze_xpl.jpg Ooidy a povlékaná zrna + intraklasty Základní hmota •Mikrit – mikrosparit - pseudosparit DC3_x2_vyssi.jpg Sparit Mikrofacie a mikrofaciální analýza •Mikrofacie - složení, znaky a vzhled karbonátových hornin v mikroměřítku, studované především na výbrusech, ale částečně i na drobných vzorcích lupou (či dobře trénovaným okem :) •Mikrofaciální analýza karbonátových hornin •Výrazná podobnost a analogie mezi současnými a fosilnímu karbonáty: „Karbonátové nárůsty jsou jako Shakespeare; hry pokračují, jen se mění herci“ (R. N. Ginsburg) + nutno dodat, že značný vliv má inspicient, který často rozhodne o tom, jak bude vypadat jeviště (např. rozhraní prekambrium/fanerozoikum; perm/trias …) • Moderní karbonáty: povinná četba •Studium současných karbonátových systémů je nezbytné pro porozumění těm fosilním •ale platit to může i naopak, např. pro zodpovězení otázky, jak a kam se karbonátové systémy mohou vyvíjet, jakou intenzitou atd. •Informace z recentních karbonátů jsou základem pro interpretace fosilních mikrofacií