Magmatická a metamorfní petrologie 3. Anatexe Prof. RNDr. Milan Novák, CSc. Osnova: 1. Úvod 2. Dehydratační tavení 3. Migmatity 4. Anatexe 5. Restity 1. Úvod • Anatexe (tavení) je jedním z nejdůležitějších procesů probíhajících v horninách. Dochází při něm k natavení (popř. úplnému roztavení) hornin různých typů (magmatických, metamorfovaných) s různým chemickým složením (nejčastěji metapelity ale i jiné např. metadroby a amfibolity) v různých úrovních zemské kůry i v plášti. Při segregaci taveniny od protolitu tak vzniká široká škála magmatických hornin, pokud k segregaci nedojde, vznikají migmatity. Důležité je také to, že při tomto procesu dochází k zásadní redistribuci chemických prvků, hlavních i stopových, a tak tento proces zásadně podporuje diferenciaci látek v zemské kůře a zemském plášti. 1. Úvod 2. Dehydratační tavení • Dehydratační tavení Pro proces tavení je důležité chemické složení horniny a složení a množství fluidní fáze (H[2]O, CO[2], F, B aj.). Protože je v běžných metamorfovaných horninách (vyšší amfibolitová facie), v nichž dochází k natavení, množství fluid v hornině nízké, je nutná pro tavení přítomnost minerálu nebo minerálů se zvýšeným obsahem vody, většinou slíd, také amfibolů popř. i jiných minerálů (např. epidot). • Hydratační tavení Je nutný přínos H[2]O po nějakých oslabených zónách z okolí. 2. Dehydratační tavení • Kombinací různých aktivit H[2]O odvodíme křivku dehydratačního tavení. • Důležité termíny: • solidus • subsolidus • protolit • leukosom – metatekt • mesosom • melanosom – restit 2. Dehydratační tavení • Tavení hornin s muskovitem (+křemen) • horniny: muskovitické ruly a popř. svory, křemen-živcové horniny s muskovitem • Systém: SiO[2]-Al[2]O[3]-K[2]O-H[2]O • Byla provedena řada experimentů v solidu a subsolidu a vzhledem k relativní jednoduchosti systému, jsou výsledky různých autorů dobře srovnatelné. 2. Dehydratační tavení • důležité reakce: • subsolidus Qtz + Msc + Ab = Alkf + Sil + H[2]O • solidus Qtz + Msc + Alkf + H[2]O = melt Qtz + Sil + Alkf + H[2]O = melt 2. Dehydratační tavení • Petrogenetický význam: • Muskovitické granity vznikají v poměrně úzkém poli PT podmínek - 640 °C pro 4 kbar až 700 °C pro 9-10 kbar, pokud není přítomen ve fluidech např. F a B. • Horniny s muskovitem produkují jen malé množství taveniny a nemohou být protolitem pro velkoobjemové granitové taveniny, hornina s 25 obj.% muskovitu vyprodukuje max. 11-12 hm.% taveniny složením blízké granitickému minimu. 2. Dehydratační tavení • Tavení hornin s biotitem (+křemen) • horniny: různé typy biotitických rul a metadrob • Systém: SiO[2]-Al[2]O[3]-K[2]O-MgO-H[2]O • Dehydratační tavení metapelitických hornin s biotitem bylo studováno v řadě experimentů a byla jim věnována největší pozornost. Vzhledem k poněkud větší komplikovanosti systému, jsou výsledky experimentů jednotlivých autorů poněkud méně konzistentní než u muskovitických hornin. 2. Dehydratační tavení • důležité reakce: • subsolidus Qtz + Phl + Ab = Alkf + Opx + H[2]O • solidus Qtz + Phl + Ab = Alkf + Opx + melt Qtz + Alkf + H[2]O = melt Bt + Plg + Qtz = Kfs + Opx + tavenina + Grt (Crd, Spl) 2. Dehydratační tavení • Petrogenetický význam: • Dehydratační tavení biotitu je velmi efektivní pro vznik taveniny především pro velké rozšíření biotitu v horninách zemské kůry. • Začátek tavení, množství taveniny a její složení jsou závislé na složení protolitu (např. obsah Na[2]O, CaO, poměr Fe/Mg) V metapelitu může vznikat 30-60 % taveniny při teplotě 800-900 °C a tlaku asi 7 kbar, metadroby vyžadují pro efektivní tavení asi o 100 ° vyšší teploty. • Vyšší obsahy F, Ti a Al zvyšují pole stability biotitu do vyšších teplot a snižují množství taveniny. • Granát, ortopyroxen, cordierit a spinel jsou typické produkty natavení a tak vznikají Al bohaté granulity, popř. Al-přesycené restity. 2. Dehydratační tavení • Tavení hornin s amfibolem (±křemen) • horniny: amfibolity, různé typy metabazitů • Systém: SiO[2]-Al[2]O[3]-Na[2]O-MgO-FeO-H[2]O • Byla provedena řada experimentů, ale jejich interpretace nejsou jednoduché vzhledem ke komplikovanosti systémy ve srovnání s horninami s muskovitem i biotitem. • důležité reakce: • solidus • Amf + Plg + Qtz = Cpx + Opx + Plg (vyšší An) + tavenina + Ilm • Amf + Plg = Cpx + Opx + Plg (vyšší An) + tavenina + Ilm • Petrogenetický význam: • Dehydratační tavení amfibolitů začíná za nižšího tlaku, pod 10 kbar za teplot kolem 850 °C, pro vyšší tlaky i kolem 650 °C. Složení taveniny je relativně chudé Fe, Mg a Ca ve srovnání s tonality, teprve za teplot vyšších než 900 °C vznikají tonalitové taveniny. • Restity mají složení granátických granulitů, amfibolitů nebo pyroxenických granulitů za nižších tlaků. • SiO[2], K[2]O a Na[2]O jsou v tavenině vyšší než v protolitu, Ca, Fe a Mg se koncentrují v restitu. • Tonalitové magma může vznikat natavením amfibolitů. 3. Migmatity • Horniny, u nichž nedošlo k segregaci taveniny od restitu a které svým vznikem leží mezi metamorfovaným a magmatickými horninami. Podle textury, která je úzce svázána z množstvím vyprodukované taveniny je dělíme na: • oftalmity • stromatity • agmatity • nebulity • a řada dalších typů založených na texturních vztazích 3. Migmatity 3. Migmatity • Segregace taveniny od restitu • Mechanismus segregace (oddělení) taveniny od restitu není dosud spolehlivě vysvětlen, i když jde o velmi důležitý proces v geologii. Pravděpodobně dochází k vytlačování taveniny do prostoru nižšího napětí (filter pressing). • RCMP (Rheological critical melt percentage) – množství taveniny, které vede ke zborcení horniny (kostry taveniny a restitu) a k následnému uvolnění taveniny. 4. Anatexe • Chemické složení taveniny a produktivita tavení • Experimentální práce především v systémech blízkých metapelitům popř. metadrobám prokazují závislost množství vyprodukované taveniny na chemickém (mineralogickém) složení protolitu a teplotě tavení. Vzhledem ke složitosti systému a poněkud rozdílných experimentálních přístupech nejsou výsledky publikovaných prací zcela konsistentní, níže uvedené závěry jsou ale společné většině prací. • Granitické taveniny vznikají podle zjednodušených rovnic: • Bt + Plg + Als + Qtz = Grt + tavenina • Bt + Plg + Als + Qtz = Cor + tavenina • Als + Grt = Spl + Qtz + tavenina 4. Anatexe 4. Anatexe 4. Anatexe 4. Anatexe • Petrogenetický význam: • Muskovit a plagioklas se taví za relativně nižších teplot (pod 800 °C), produktivita tavení je ale nízká, do zhruba 10 %, protože i obsah obou minerálů v protolitech, především muskovitu, je poměrně nízký. • Biotit je zřejmě nejdůležitějším minerálem pro produkci taveniny. • Taveniny mají granitické složení, se zvyšováním teploty tavení se zvyšuje produkce taveniny a postupně mění také její chemické složení. V tavenině se vzrůstem teploty tavení přibývá Fe, Mg, Al a Ti, zvyšuje se poměr K/Na, tento nárůst ale není zcela pravidelný. Někdy se mění postupně, jindy téměř skokem. 5. Restity • Chemické a mineralogické složení restitů • Srovnáním chemického složení protolitu (např. metapelitu) a granitů (naše tavenina nebo sklo) je zřejmé, že restit je při tavení neustále obohacován na Al, Ti, Mg a Fe, klesá ale poměr Fe/Mg. Zároveň se mění mineralogické složení restitů, přibývá granátu, alumosilikátů (sillimanit, kyanit), oxidů Ti (rutil, ilmenit), v počátku přibývá také biotitu (s vysokým obsahem Ti) při vysokých teplotách se objevuje spinel (hercynit). Postupně se mění také chemické složení minerálů v restitu. 5. Restity 5. Restity 5. Restity 5. Restity • Petrogenetický význam: • Složení restitů se mění v závislosti na složení protolitu a především na množství vytavené a segregované taveniny. Obecně jsou restity horniny bohaté Al, Fe, Mg a Ti, naopak ubývá H[2]O, složené hlavně z granátu, alumosilikátu (nejčastěji sillimanitu), rutilu a při vysokých teplotách také hercynitu. Bývá přítomen biotit, cordierit, popř. další minerály (safirín). • Restity patří mezi vzácné horniny, i když je jasné, že vzhledem k množství granitických hornin v zemské kůře musí být poměrně hojné. K restitům se řadí Al-bohaté granulitické horniny a jiné granátem bohaté horniny. • Rozpoznávání restitů v přírodě je velmi komplikované. Především proto, že při retrográdních reakcích, je-li dostatek vody popř. alkálií hlavně K, dochází k tzv. back reakcím a v restitu se zpětně objevují minerály s OH hlavně biotit.