Magmatické a metamorfní procesy Metasomatóza Prof. RNDr. Milan Novák, CSc. •Osnova: 1.Úvod 2.Definice 3.Faktory důležité pro metasomatózu 4.Mechanismus přenosu látek 5.Příklady metasomatických procesů 6.Závěr 1. Úvod •Geologické procesy jsou extrémně mnohotvárné z různých hledisek zahrnujících: • •- Změny a kolísání P-T-X podmínek •- Variabilitu chemických systémů •- Velikost studovaných systémů •- Časový faktor •- Otevřenost a uzavřenost systémů (i v čase) 1. Úvod rock_cycle 1. Úvod •Příklady: • •Svrchní část pláště • (obrovský objem stovky km3, vysoké P-T, obrovské přesuny látek, téměř neomezený čas) •Metabazity na dnech oceánů • (obrovský objem stovky km3, vysoké až nízké T, nízké až střední P, značné přesuny látek, téměř neomezený čas) •Krystalizace granitu • (značný objem desítky km3, vysoké T, nízké až střední P, malé přesuny látek, středně dlouhý čas) •Metamorfóza arkózy • (značný objem desítky km3, nízké až vysoké T, nízké až střední P, velmi malé přesuny látek, poměrně dlouhý čas) 1. Úvod Různá geotektonická prostředí. 1. Úvod •Příklady • •Kontakt granitu a enklávy mramoru • (objemy v řadu cm3 až desitek m3, středně vysoké T, nízké až střední P, výrazný gradient v X, relativně krátký čas) •Zatlačování K-živce albitem v pegmatitech • (objem of mm3 do m3, střední až nízké P-T, relativně krátký čas) •Zatlačování kalcitu dolomitem v diagenetické zóně • (objem of mm3 do km3, nízké P-T, středně dlouhý čas) •Zatlačování křemene kerolitem v pegmatitu z hadců • (objem cm3 až dm3, nízké T-P, středně dlouhý až krátký čas) 1. Úvod •Geologické procesy mohou probíhat v uzavřených nebo v otevřených systémech. Zda se systém chová jako uzavřený nebo otevřený je zásadní otázkou pro interpretaci řady geologických procesů a ne vždy je tomuto problému věnována dostatečná pozornost. Právě metasomatóza je typickým procesem probíhajícím v otevřeném systému. Vlastějovice, kontakt Fe-skarn-pegmatit 1.Úvod - definice •Izolovaný systém – je látkově izolován od okolí, a nemůže přijímat nebo uvolňovat energii a nemůže konat práci. Izolované systémy v geologických objektech zřejmě neexistují. • •Uzavřený systém – je látkově izolován od okolí, ale může přijímat nebo uvolňovat energii a může konat práci anebo na něm může být vykonána práce jeho okolím. • •Otevřený systém – může s okolím vyměňovat energii, ale i některé chemické specie (složky). • •V geologické literatuře jsou požadavky na termodynamické definice obvykle respektovány poněkud méně striktně než v experimentálních pracích fyziků a chemiků a řada systémů označovaných v geologii jako uzavřené se ve skutečnosti uzavřenosti jen více či méně blíží. 2. Definice •Definice: • Metasomatóza je proces, který vede ke změně celkového chemického a většinou i mineralogického složení horniny (popř. minerálu) a který probíhá v pevném stavu a ve velmi širokém rozpětí tlaků a teplot od zemského pláště až po sedimentární horniny na zemském povrchu. • •Co je změna chemického složení? • • Zahrnuje především prvky, které můžeme označit jako kationty, a to jak Na, Ca, Mg, Fe, Al, Si ale také H. • Za změnu nepovažujeme např. pokles obsahu H2O nebo CO2 (např. diageneze), i když viditelná změna prvků (látek), které označujeme jako anionty, a to např. OH, F, B nebo CO2 naznačuje i změny ve složení kationtů. Už proto, že odnášená H2O obsahuje určité množství rozpuštěných látek. 2. Definice •Co je změna mineralogického složení? • •Nahrazení např. grosularu klinozoisitem nebo kalcitu dolomitem je jasným příkladem mineralogické změny. Metasomatóza ale může probíhat i bez změny mineralogického složení, např. změna poměru Fe3+/Fe2+ v granátu nebo změna poměru Fe/Mg v pyroxenu. Tyto změny mohou být velmi nenápadné a těžko pozorovatelné. • •Co je pevný stav? • •Za pevný stav můžeme považovat běžné metamorfované a sedimentární (zpevněné) horniny, v jejich přirozeném prostředí v zemské kůře. Metasomatóza ale může probíhat i na hydrotermálních žilách a v magmatické tavenině, takže pevný stav není naprosto nutnou podmínkou a jeho definice je poněkud volnější. 2. Definice •Výše uvedené informace ukazují, že často neexistuje ostře definovatelná hranice mezi metasomatózou a některými geologickými procesy, např. • •kontaktní metamorfóza versus vznik skarnů • •diagenetické procesy versus metasomatické zatlačování karbonátů • •krystalizace albitu z taveniny versus metasomatické zatlačování K-živce albitem v pegmatitech • • které sice nepovažujeme za metasomatózu, i když jednoznačně probíhají v otevřeném sytému. 3. Faktory důležité pro metasomatózu •Vhodné PT podmínky • Otevřenost systémů a tedy i míra metasomatických změn obecně roste s rostoucí teplotou. • •Časový faktor • Pohyb látek je obecně poměrně pomalý a proto čas hraje velmi důležitou roli, např. kontaktní metamorfóza vulkanických hornin na povrchu nebývá spojena s metasomatickými změnami, i když jiné podmínky mohou být vhodné. • • •Medium, které umožní přenos • Jednotlivé prvky nebo látky se většinou nemohou pohybovat jako samostatné atomy, jsou přenášeny v různých komplexech složených hlavně z O a tzv., těkavých látek (F, B, Cl, S, CO2 aj. tzv. fluida. 3. Faktory důležité pro metasomatózu •Prostor, v němž přenos probíhá • Medium, které nese jednotlivé kationty nebo látky potřebuje volný prostor (póry mezi zrny, trhliny). Je-li hornina extrémně masivní, je metasomatóza ztížena, naopak porézní horniny jsou velmi příhodné a porozita zřejmě hraje velmi významnou roli. • • Pohyb může probíhat také difuzí kationtů uvnitř krystalů jednotlivých minerálů, v tomto případě není nutný volný prostor, kromě vhodné krystalové mřížky. • •Rezervoár prvků nebo jiných látek • Jestliže dochází k nahrazování jednoho prvku jiným, popř. jeden komplex prvků jiným komplexem, musíme mít zdroj, nejčastěji to bývá např. magma. Na druhé straně musí existovat také rezervoár nebo prostor pro prvky odnášené. 3. Faktory důležité pro metasomatózu •Hlavní faktory ovlivňující metasomatózu •teplota a tlak •čas •chemické složení protolitu •chemické složení a koncentrace infiltrujících fluid a např. XCO2, fO2, fS2, pH •permeabilita horniny • nový-16 4. Mechanismus přenosu látek •Infiltrace • je hlavním mechanismem při metasomatóze. Roztoky a fluida s rozpuštěnými látkami cirkulují těmi částmi hornin, kde je vyšší permeabilita (póry, trhliny a jiné oslabené zóny) a reagují s protolitem, a odnáší uvolněné prvky a látky. •Difuze v horninách • je řízena rozdíly v chemických potenciálech a fluida nesoucí prvky jsou stacionární. Difuzní metasomatóza je méně častá. •Difuze v minerálech (při metasomatóze většinou bezvýznamná) • dochází k pohybu atomů v rámci krystalové mřížky. Pro metasomatózu většinou bezvýznamná, snad kromě pláště. 4. Mechanismus přenosu látek Difuze v krystalech structure 4. Mechanismus přenosu látek Nový obrázek (11) Alterace slídy - biotit 4. Mechanismus přenosu látek grt KOV Difuze v granátech Difúze objemová je charakteristická pro granáty ve vysoce metamorfovaných horninách (nad sillimanitovou izográdu, přibližně nad 650°C). V granátech dochází v důsledku post-růstové objemové difúze, obvykle ve fázi chladnutí horniny, k homogenizaci granátů, případně ke změně pre-existující zonálnosti 4. Mechanismus přenosu látek nový-18 Difuze mezi horninami s kontrastním chemickým složením Kontakt mezi amfibolitem a kalcitickým mramorem Mirošov 4. Mechanismus přenosu látek •Difuze mezi horninami s kontrastním chemickým složení. •Infiltrace podél oslabených ploch a jiných odlišných litologií • 4. Mechanismus přenosu látek Koz F1 F4 pismenko_1_BSE_1 Dissolution-reprecipitation process – nový přístup k mechanismu metasomatózy (Putnis 1992). Dochází při něm k nahrazení jednoho minerálu jiným nebo dojde jen k více či méně výrazné změně chemického složení téhož minerálu. Tento proces probíhá v pevném stavu a je iniciován fluidy. Nejde o pouhou difuzi kationtu ve struktuře ale překrystalování minerálu. Křemen zatlačovaný kerolitem, Věžná Beryl I zatlačovaný berylem II, bavenitem a bazzitem, Kožichovice 5. Příklady metasomatických procesů •Příklady nejznámějších i ekonomicky nejvýznamnějších metasomatických procesů v metamorfních podmínkách •Metamorfní prostředí •Skarny •Fenity •Greiseny 5. Příklady metasomatických procesů •Skarny • Metasomatické silikátové většinou bezživcové horniny bohaté Ca vznikající jako výsledek reakcí fluid s karbonáty bohatými litologiemi. Jejich typickým znakem je často polyfázový vývoj. 5. Příklady metasomatických procesů nový-25 nový-24 5. Příklady metasomatických procesů •Magnezity a siderity • Ložiska magnezitů a sideritů v Západních Karpatech vznikla pravděpodobně metasomatickým zatlačením původně kalcitických, popř. kalcit-dolomitických vápenců v podmínkách nízkého stupně metamorfózy. Zdrojem Mg mohou být např. ultrabazické horniny v jejich okolí. • Magnesit, Štýrsko 5. Příklady metasomatických procesů •Na-K-Ca-Mg metasomatóza • Tento typ metasomatických změn je vázaný na vulkanismus oceanického dna. Dochází při ní k více typům zatlačování: •látky • Mg – Fe • Na – Ca, K • Ca – Mg, Na, H • K – Na, Ca •minerály • Ca-plagioklas – Na-plagioklas • (analcim, skapolit) • amfibol – chlorit, aktinolit, epidot • Ca-plagioklas – epidot • živce – zeolity 5. Příklady metasomatických procesů •Fenitizace • Tento proces je svázaný s alkalickým magmatismem a dochází při něm k intenzivnímu přínosu Na a K. Vznikají minerály s vysokým obsahem Na, popř. K a také s vysokým poměrem Na+K/Al a Fe/Mg. • 5. Příklady metasomatických procesů •H+- metasomatóza • Iont H+ nahrazuje jiné kationty, především Na, K a Ca a někdy se uplatňují i další prvky např. F. To vede k destrukci živců a jako hlavní procesy můžeme označit: •sericitizace •greisenizace • 5. Příklady metasomatických procesů Rundkvist et al. (1971) 5. Příklady metasomatických procesů Polard et al. 1987, Pirajno 2009 5. Příklady metasomatických procesů •Přínos B (Li, Cs aj.) v okolí komplexních pegmatitů • • V závěru magmatické krystalizace dochází k odmíšení fluid bohatých B, ale také Li, Cs, F, Al aj. Fluida opouštějí pegmatit a reagují s okolní horninou (především s tmavými minerály) za vzniku holmquistitu, turmalínů, Cs,Rb,F-obohaceného biotitu, aj. Tanco – kontaktní aureola 5. Příklady metasomatických procesů NovFig11Blizna Bližná BY AY hezký%20foto Novák et al. 1999 Novák et al. 2012 5. Příklady metasomatických procesů •Vlastějovice •pegmatity pronikající Fe-skarny •studium stupně kontaminace pegmatitové taveniny na základě studia vhodných minerálů 5. Příklady metasomatických procesů •Chemické složení minerálů – turmalín Vlastějovice Grafika18 5. Příklady metasomatických procesů Zatlačování křemene kerolitem, Věžná Dosbaba a Novák 2012 5. Příklady metasomatických procesů Zatlačování křemene kerolitem, Věžná •4 SiO2 + 3 MgCl2 + 6 H2O = Mg3Si4O10 (OH)2 . 2 H2O + 6 HCl • •20 (Na0.85Ca0.10K 0.05)Al1.15Si2.85O8 + 14 SiO2 + 4.5 H2O + 6 NaCl = 21 NaAlSi3O8 + 1 KAlSi3O8 + 1 NaCa2Si3O8 (OH) + 1 NaAlSi2O6 . H2O + 6 HCl 5. Příklady metasomatických procesů •Magmatické prostředí • V tomto případě probíhá metasomatóza přímo v magmatické hornině a to v různých stádiích vývoje horniny a v různých PT podmínkách. Zdrojem fluid je téměř výhradně samotná magmatická hornina, popř. jiná asociující magmatická hornina. • • Stádium pozdního solidu až ranného subsolidu •V tomto stádiu probíhá zřejmě většina metasomatických změn v magnmatických horninách. Rozpoznání metasomatických změn je ale většinou velmi komplikované. •- Alterace granitů postmagmatickými fluidy, např. alterace živců, při níž může dojít ke změně ve složení např. koncentrace Rb a Cs. •- Raně postmagmatické alterace v komplexních pegmatitech, např. nahrazení primárních Fe,Mn fosfátů širokou škálou mladších minerálů, zatlačení cordieritu turmalínem. •- Vznik metasomatických jednotek v pegmatitech, albit, lepidolit aj. 5. Příklady metasomatických procesů •Tavení granitů za UHP (ultravysoké tlaky 15 a více kbar) • • Granity se za těchto tlaků a přítomnosti vody chovají poněkud jinak, než předešlé taveniny. Nedochází k jejich tavení, ale postupně se rozpouštějí na fluidum, a to ne skokem, ale postupně. Za nepřítomnosti vody se ale uvolňuje postupně za nižších teplot ultrapotasické fluidum, leucitového složení, při kompletním rozpuštění se složení blíží granitu. 5. Příklady metasomatických procesů 6. Závěr •Termín metasomatóza = změna chemického složení horniny (minerálu) spojená s přínosem a odnosem látek - je velmi rozšířený proces. •Není ale jasně definován. Používá se především pro horniny, kde je změna chemismu výrazná a v relativně větších objemech, drobné změny mezi minerály v mikroskopickém měřítku, i když často mají rysy typické pro metasomatózu, se takto neoznačují (difuze v granátech). •Jasná hranice mezi metasomatózou a různými typy alterací atd. není striktně definována.