1. Úvod do metamorfních procesů Petrologie G3021 http://www.engr.usask.ca/~reeves/prog/geoe118/images/stress.gif 1. Úvod do metamorfních procesů •Osnova: •Horniny - odraz geologických procesů •Přeměny při metamorfóze •Hlavní činitelé metamorfózy •Typy metamorfózy •Stavební znaky typické pro jednotlivé typy metamorfóz http://www.pitt.edu/~cejones/GeoImages/6MetamorphicRocks/Slate/SlateFourColors.jpg http://www.gc.maricopa.edu/earthsci/imagearchive/GARNET_SCHIST_1_big.jpg Horninový cyklus (Hutton 1785, 1795) E:\UE3e\content\ue03\interactive\images\rockcycle_all.jpg Horniny - odraz geologických procesů Ø sedimentární horniny = větrání+eroze, uložení, pohřbení a litifikace Ømagmatické horniny = tavení hornin v kůře/svr. plášti – krystalizace z taveniny Ø metamorfované horniny = vyšší P a T, rekrystalizace minerálů v pevném stavu E:\Chap. 0\subduction.jpg hornina - odráží geologické procesy -chemické složení -minerály -struktura E:\Vybrusy\Janavybrusy\Dia\DiaLUA3.jpg C:\Prednasky metpet Brno\JK ad Milan podz 02\obr\obr_1_1a.gif Schematický PT diagram s vyznačením polí pro různý stupeň metamorfózy (Konopásek et al. 1998). metamorfóza z řec. slova „metamorphosis“ (přeměna) Hranice: diageneze (asi 200 °C) tavení (asi 650 °C – 1100 °C) http://www.geolab.unc.edu/Petunia/IgMetAtlas/meta-micro/slate.UX.jpg 1. • http://t0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcR7L-GzJWHXXjR1Jclx4tPcMRRbeOCG8XD3zxECUbx_f8oQcVNV 1. • http://t2.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcSuU8xeS8XT4197EBU1NqwTYbCOGjw8UUGCOL8cmb6iACPHRgFf 1. • http://t1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcSJsnro2a5h3TB0TwusLNTm7VZMM92TZY2r37VYKH7DjQx2D0bM METAMORFÓZA • postihuje horniny sedimentární, vyvřelé či již přeměněné • k přeměnám dochází v důsledku změny fyzikálních podmínek (teplota, tlak atd.) • hornina se přizpůsobuje novým fyzikálně-chemickým podmínkám • od zvětrávání a diageneze se liší vyššími T a P a vznikem nových met. minerálů • horninový materiál zůstává v průběhu metamorfózy v pevném stavu • tím se liší od magmatických procesů kde je tavenina • hornina se tedy nezmění na taveninu avšak může docházet k parciálnímu tavení • při metamorfóze horniny vznikají metamorfní minerály = blastéza protolit (původní hornina před metamorfózou) F:\Foto\NICA2009\prezentace\D107ab.jpg Problém spodní hranice metamorfóz u metapelitů • kaolinit a smektit vznikají alterací živců v důsledku přínosu H2O • tyto jílové minerály tvoří důležitou součást pelitů • při růstu T se jílové minerály mění na illit (<100°C) a při 300°C na chlorit a sericit • vznikají tak fylity C:\Prednasky metpet Brno\JK ad Milan podz 02\obr\obr_1_1a.gif â velmi nízký stupeň (200 - 350°C) â nízký stupeň (350 - 550°C) â střední stupeň (550 - 650°C) â vysoký stupeň (nad 650°C) The IUGS-SCMR has proposed the following definition of metamorphism: Metamorphism is a subsolidus process leading to changes in mineralogy and/or texture (for example grain size) and often in chemical composition in a rock. These changes are due to physical and/or chemical conditions that differ from those normally occurring at the surface of planets and in zones of cementation and diagenesis below this surface. They may coexist with partial melting. http://www.msnucleus.org/membership/html/jh/earth/metamorphic/images/metclass.gif Přeměny při metamorfóze minerály a horniny jsou stabilní jen za podmínek za nichž vznikly změna podmínek – přeměna horniny C:\Prednasky metpet Brno\JK ad Milan podz 02\obr\obr_1_2.gif â změny v chemismu â texturní změny (velikost zrna, deformace) â krystalizace nových minerálů (chemické reakce – fázové změny) Metamorfované horniny na povrchu země mají metastabilní minerální asociace. E:\Public\scan\LUA3a11.jpg Grt Crd+Opx â krystalizace nových minerálů Metamorfní reakce (fázové změny a chemické reakce): 1) prográdní (dehydratační) – T: Ø probíhají snadno a vesměs kompletně (s rostoucí teplotou roste rychlost reakcí), Ø často uvolňují vodu – dehydratační 2) retrográdní (hydratační) – ¯ T: Ø málokdy proběhnou úplně, Ø často konzumují vodu – hydratační Ø tam kde není fluidní fáze přítomna nemusí proběhnout vůbec – metastabilní asociace E:\Public\scan\LUA20a38.jpg C:\PTt\Lv60.jpg Grt Qtz Fsp Grt Bt Qtz Fsp • minerály vznikly společně • jsou produktem jedné metamorfózy • jsou v rovnováze • minerály se vyskytují v hornině společně • vznikly v různých obdobách vývoje horniny • granát vs. biotit • sillimanit vs. andalusit minerální parageneze minerální asociace contact_aureole.jpg 000A3928Alta HD B746699A: Best, 2003 Prográdní metamorfóza retrograde_meta_eclogite.jpg 000A3928Alta HD B746699A: • podél puklin pronikají do eklogitu fluida • původní minerální asociace Grt+Cpx+Rt • mění na Chl+Ep+Amp+světlá slída • Retrográdní eklogit eklogit Best, 2003 Retrográdní metamorfóza MO011871 Přeměny při metamorfóze â texturní (strukturní) změny - změna velikosti zrna, - deformace tvaru zrna, - změny uspořádání minerálů (makrostavby – mikromikrostavby) E:\pokorna\P3190017.JPG textura, struktura, stavba Důležité pojmy foliace (schistosity) – plošný strukturní prvek lineace – lineární strukturní prvek F:\Foto\NICA2009\prezentace\P4190116.jpg Přeměny při metamorfóze texturní (strukturní) změny změna velikosti zrna, deformace, změny uspořádání minerálů Přeměny při metamorfóze â změny v chemismu -isochemická metamorfóza -metasomatóza â natavení (anatexe) - magmatické horniny Migmatite2 migmatit D:\prednasky\mineral\Skarn\retro.jpg skarn Hlavní činitelé metamorfózy Odhadovaný rozsah oceánské a kontinentální geotermy After Sclater et al. (1980), Earth. Rev. Geophys. Space Sci., 18, 269-311. Fig 1-9 A) teplota geotermální gradient (gg) • nárůst T na 1 km hloubky • obv. 15-30 °C/km • max. 60 °C/km geoterma • indikuje dT s hloubko • v různých částech kůry odlišný průběh Meta_rnx_PT_space.jpg 000A3928Alta HD B746699A: Spear, 1993 Hlavní činitelé metamorfózy A) teplota zdroje tepla • tok tepla ze zemského pláště • teplo uvolněné při radioaktivním rozpadu v kůře (U, Th) • teplo přinesené magmatickými horninami • exotermní metamorfní reakce (řada hydratačních reakcí) C:\Prednasky metpet Brno\JK ad Milan podz 02\obr\obr_1_4b.gif Variace povrchového tepelného toku měřeného v různých částech Země (a) ve vztahu k deskové tektonice (b). Podle Yardley (1989) Přenos tepla: a) kondukce - tepelná energie je transportována jako kinetická energie z jednoho atomu na další, bez pohybu geologických těles b) konvexe - tepelná energie je transportována pohybem teplejšího materiálu (tavenina, fluida) do studenějších částí systému c) advekce - pohyb určitého bodu v hornině přes tepelný gradient C:\Prednasky metpet Brno\JK ad Milan podz 02\obr\obr_1_4a.gif Rozdíly tepelného toku v různých geotektonických kontextech (Konopásek et al. 1998) q = Cp *δ* dT/dh, Cp = tepelná kapacita, δ= hustota látky, T = teplota, h = hloubka q = konduktivní tepelný tok [Wm-2] q = 40 mWm-2 kratony; q = 60 – 150 mWm-2 vulkanických oblouků Hlavní činitelé metamorfózy B) tlak 1)litostatický tlak (confining pressure, všesměrný) důsledek zatížení horniny sloupcem hornin v jejím nadloží P = rgh r- hustota hornin nadložního sloupce r = granity 2,7; bazalty 3,0; peridotit 3,3 g*cm-3 g – tíhové zrychlení (9,8 ms-2) h - hloubka tj. nárůst s hloubkou 0,25-0,3 kbar na 1 km hloubky = cca 1 kbar/3-4 km používané jednotky: 1 bar = 105 Pa = 0,1 MPa 1 kbar = 0.1 GPa mocnosti zemské kůry v km: oceanická – 5-10 kontinentální kratony – 35-40 (10 kbar) kontinentální orogenní oblasti – 70-80 (20 kbar) subdukční zóna - 100 (30 kbar) S hloubkou roste tlak a zmenšuje se objem 10 km = 260 Mpa 35 km = 1000 MPa 50 km = 1500 MPa Zuhelnatělé kmeny stromů v permských sedimentech (Vrchlabí) 2) orientovaný tlak (stress) Ø neovlivňuje fázové rovnováhy Ø vznik orientované stavby v horninách Ø kolem 10-150 Mpa, max. 700 Mpa C) fluida H2O, CO2, O2, H2, F2, N2, CH4 a S Ø součást minerálů (slídy, amfiboly, karbonáty, sulfidy) Ø v pórech mezi jednotlivými zrny, popř. v inkluzích prográdní met. – uvolňovány (dekarbonizace, dehydratace) Ø ovlivňují fázové rovnováhy Ø přenášejí teplo Ø způsobují přenos hmoty a mohou měnit izotopické i chemické složení horniny Turmalinizace v okolí Qtz žíly (Jeřmanice) Turmalinizace v okolí Qtz žíly (Mongolsko) Voda umožňuje průběh řady metamorfních reakcí: Bt + H2O ® Chl + Rt Amp + H2O ® Chl + Rt Cpx + H2O ® Act + Ep Ol/Opx + H2O ® Serp + Fe-oxidy Pl + Ca + Fe + H2O ® epidot Fsp + H2O ® Ms + Si + K (high T) Fsp + H2O ® jílové minerály + Si + Ca + Na F14-31 Hlavní činitelé metamorfózy Základní termíny používané pro popis metamorfózy Ømetamorfní stupeň (grade) – intenzita metamorfózy (T) – vysoký, nízký Ømetamorfní zóna – oblast výskytu indexového minerálu Ømetamorfní izográda – hranice metamorfní zóny Ømetamorfní facie – charakteristická minerální asociace (rozmezí P a T, chemické rovnováhy) Ømetamorfní P-T dráha – vývoj hornin v poli P-T Staurolitová zóna Granátová zóna metamorfní zóny a izogrády obr_2_1a Ø metamorfní zóna – oblast výskytu IM Ø metamorfní izográda – hranice MZ obr_2_2 metamorfní facie metamorfní PT dráha http://darkwing.uoregon.edu/~cashman/GEO311/311pages/L14_metamorphic%20rocks_files/image002.jpg metamorfní facie http://comp.uark.edu/~sboss/study32.jpg http://www.engr.usask.ca/~reeves/prog/geoe118/images/pyro.gif Metamorfní zóna index_minerals_isograds.jpg 000A3928Alta HD B746699A: obr_2_1b Metamorfní izográda Metamorfní P-T dráha P-T-time_paths.jpg 000A3928Alta HD B746699A: metamorfní PT dráha 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 •Naprostá většina obrazového materiálu pochází z celé řady internetových stránek věnujících se metamorfní petrologii