1 5. Fázová petrologie Petrologie G3021 5. Fázová petrologie Osnova: • Zobrazení složení horninotvorných minerálů a minerálních asociací • Petrogenetické mřížky • T-X a P-X řezy • Fázové pravidlo • Metamorfní reakce • Anatexe • Metasomatóza • 1. Celkové chemické složení horniny (zjednodušené) • - kvarcity SiO2 • - křemen-živcové horniny SiO2-Al2O3-K2O-Na2O-CaO-H2O • - metapelity SiO2-Al2O3-K2O-MgO-FeO-H2O • - metabazity SiO2-Al2O3-Na2O-MgO-FeO-H2O • - vápenatosilikátové horniny SiO2-Al2O3-K2O-CaO-MgO-H2O • - metakarbonáty MgO-CaO-SiO2-CO2-H2O • - ultramafity SiO2-MgO-CaO-CO2-H2O jiné chemické systémy (méně časté) • - cordierit-antofylitové horniny SiO2-Al2O3-MgO-FeO-H2O • - železná formace SiO2-FeO-Fe2O3-H2O • - manganolity, smirky • jiná označení chemických systémů: • - křemen-živcové horniny NASH, CASH a CKNASH • - metapelity KMASH, KFASH a KFMASH • - ultramafity MS-H2O-CO2, CMS-H2O-CO2 Znázornění chemického složení = Mg/(Mg+Fe) • dvoukomponentní systém znázorňující složení olivínu minerály – bodový chemismus z elektronové mikrosondy 1) váhová procenta kysličníků/molekulová hmotnost = molekulární proporce (kvocienty) 2) počet atomů kovů na určitý počet atomů O = kvocient kovu x (počet at. O/suma kvocientů O) např. Slavík et al. (1972) poměr počtu molů = molární zlomek součet molárních zlomků = 1 En MgSiO3 = 1 MgO + 1 SiO2 MgO/(MgO+Al2O3) = 1/1+1 = 0,5 Prp Mg3Al2(SiO4)3 = 3MgO + 1Al2O3 + 3SiO2 MgO/(MgO+Al2O3+SiO2) = 3/7 Al2O3 /(MgO+Al2O3+SiO2) = 1/7 enstatit Mg2Si2O6 na 6 O SiO2 57,73 Si 1,972 TiO2 0,04 Al 0,028 Al2O3 0,95 Al 0,01 Fe2O3 0,42 Ti 0,001 Cr2O3 0,46 Fe3+ 0,01 FeO 3,57 Cr 0,012 MnO 0,08 Mg 1,839 NiO 0,35 Ni 0,01 MgO 36,13 Fe2+ 0,102 CaO 0,23 Mn 0,002 Na2O - Ca 0,008 K2O - Na H2O+ 0,52 K H2O- 0,04 100,52 Mg 93,9 Fe 5,7 Ca 0,4 Enstatit (Ca 0.008 Mg 1.839 Fe 0.102 Mn 0.002 Cr 0.012 Al 0.01 Fe3+ 0.01 ) (Si 1.972 Al 0.028 )O6 Mg/(Mg+Fe )= 0,94 Mg/(Mg+Si)=0,48 MgOnumber of moles number of moles SiO2 1 0 1 2 ForsteriteEnstatiteQuartz Per E n F o Qtz phase vector SiO2 Mg2SiO4MgSiO3 MgO Periclase X Qtz F oEn Per 0 1 MgO X+ = 1X SiO2MgO 2 Ternární diagramy Převzato z An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, John Winter, Prentice Hall. X YZ Incr%X Incr %Y Incr %Z 30 20 10 10 20 30 10 20 30 %Z 20 10 30 %X A %Y %Z Jak vynést hodnoty do ternárního diagramu: a) zdrojová data XYZ normalizujeme na 100% b) vyneseme do diagramu: Metoda č. 1 : 70% X, 20% Y, a 10% Z Y X Z 70 67 A Metoda č. 2 : pro komponenty 70% X, 20% Y, a 10% Z Postup: 10 + 20 = 30 = 100% Y = 20 = 67% Z = 10 = 33% Převzato z An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology, John Winter, Prentice Hall. Talc 0.38 intersection of talc phase vector with the mole fraction triangle MgO X = 1 SiO2 X = 1H2OX = 1 H2Mg3Si4O12 X =0 S iO2 0.13 0.50 H2O = 1 MgO = 3 SiO2 = 4 Sum = 8 3 2 1 1 2 3 4 X =1i 1 Talc mole fraction triangle MgO H2Mg3Si4O12 SiO2 H2O phase vectorunit vector a) A(B)FM Diagram (J.B.Thompson 1957) Metapelity A=Al2O3 B=K2O F=FeO M=MgO Běžně užívané ternární diagramy b) ACF Diagram (Eskola, 1900) A= Al2O3+Fe2O3-(Na2O+K2O) C= CaO - 3,3 P2O5 F= MgO+FeO+MnO 3 c) AKF Diagram (Eskola, 1900) A= Al2O3-(CaO+Na2O+K2O) K= K2O F= FeO+MgO+MnO Fázové pravidlo systém ⊃⊃⊃⊃ fáze (Phase) ⊃⊃⊃⊃ složka (Component) ⇓ ⇓ ⇓ hornina minerál (s, l, g) e.g. Al2O3 systém (hornina) uzavřený - přes hranice systému může být přemísťována energie ale ne hmota otevřený - hmota a energie mohou být přemísťovány přes hranice systému fáze - fyzikálně oddělitelné části systému (pevné - minerál, kapalné, plynné) složky (komponenty) - části systému nutné k vytvoření fází, které chceme v systému uvažovat - z hlediska fáz. pravidla - nejmenší počet chemických jednotek potřebný k popisu složení uvažovaných fází - hlavní složky více než jedné fáze (SiO2, Al2O3, Cr2O3, Fe2O3, FeO, MgO, K2O, Na2O, CaO, MnO, P2O5, H2O) • rovnováha – nejstabilnější uspořádání atomů v systému, nastává když je systém v určitých P-T podmínkách dostatečně dlouhou dobu • rovnovážná asociace – počet minerálů které mohou existovat stabilně v rovnováze určen fázovým pravidlem • F = P – C + 2 • F – počet nezávislých stupňů volnosti čili počet nezávisle proměnných (lze je nezávisle měnit aniž by se měnila stabilita minerálních fází v systému) • fáze – minerál (P) • složky – oxidy (C) • proměnné P, T, X (chemické složení fází) • při změně P či T – koexistující fáze již nejsou v rovnováze ⇒⇒ metamorfní reakce Příklad použití fázového pravidla Příklad F = C + 2 – P C = 1 (H2O) A P = 1 – voda • F = 2 – dva stupně volnosti, • Je zde stabilní jen jedna fáze voda teplota i tlak se mohou měnit nezávisle. B Bod B leží na hranici mezi dvěma poli P = 2 – Led a pára, • F = 1 – jeden stupeň volnosti • jestliže se změní tlak změní se zároveň teplota T P = 3 – voda, pára a led • F = 0 – žádný stupeň volnosti • Všechny tři fáze jsou v rovnováze (equilibrium). Jestliže se změní jedna z proměnných systém se posune mimo bod T • znázornění – P-T diagramy • počet stupňů volnosti • divariantní pole 2 • univariantní křivka 1 • invariantní bod 0 ddůůsledek fsledek fáázovzovéého pravidla:ho pravidla: minermineráálnlníí asociace sasociace s velkvelkýýmm popoččtem ftem fáázzíí bude mbude míít jent jen mmáálo stuplo stupňůňů volnostivolnosti, tedy, tedy rozsah podmrozsah podmíínek za nichnek za nichžž krystalizovala bude pkrystalizovala bude přřesnesněějiji omezen a bude snadnomezen a bude snadněějjšíší jejjej ururččit na zit na záákladkladěě vvýýsledksledkůů experimentexperimentůů 4 Fázové pravidlo v metamorfovaných horninách Máme jednoduchý systém (C=2), MgO-H2O – V systému mohou vznikat tyto fáze periklas (MgO), voda (H2O), a brucit (Mg(OH)2) – může zde proběhnout tato reakce: MgO + H2O → Mg(OH)2 Per + Fluid = Bru Jde o retrográdní reakci, protože se teplota snižuje a hornina hydratuje. F (T, P, X) = C + 2 – P A) Per + H2O = 2 = 2+2-2 B) Per + H2O + Bru = 1 = 2+2-3 Winter (2001). An Introduction to Igneous andWinter (2001). An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.Metamorphic Petrology. Prentice Hall. B A • shrnutí možných invariantních bodů a mezi nimi ležících reakcí v určeném chemickém systému • založeny na experimentech, nebo termodynamické výpočty Petrogenetické mřížky - definice • možnost umístění zjištěných minerálních asociací do specifických P-T polí • lze sledovat vývoj horniny v P-T dle pozice pozorovaných reakcí • důležité je celkové složení hornin Rocks as Chemical Systems rock type system system acronym quartzite SiO2 S quartzite SiO2 - H2O SH metabauxite Al2O3 - H2O AH iron formation FeO - SiO2 - H2O FSH siliceous bauxite Al2O3 - SiO2 - H2O ASH metaperidotite MgO - SiO2 - H2O MSH haplogranite KAlSi3O8 - NaAlSi3O8 - SiO2 KNAS iron formation FeO - SiO2 - H2O - O2 FSHO carbonated BIF FeO - SiO2 - CO2 - H2O FSCH limestone CaO - SiO2 - CO2 - H2O CSCH whiteschist MgO - Al2O3 - SiO2 - H2O MASH metabauxite K2O - Al2O3 - SiO2 - H2O KASH dry metaperidotite CaO - MgO - Al2O3 - SiO2 CMAS haplogranite KAlSi3O8 - NaAlSi3O8 - SiO2 - H2O KNASH metagranite K2O - Na2O - Al2O3 - SiO2 - H2O KNASH dry metabasalt CaO - FeO - MgO - Al2O3 - SiO2 CMFAS siliceous dolomite CaO - MgO - SiO2 - CO2 - H2O CMSCH haplopelite K2O - FeO - Al2O3 - SiO2 - H2O KMASH metaperidotite CaO - MgO - Al2O3 - SiO2 - H2O CMASH metabauxite K2O - Na2O - Al2O3 - SiO2 - H2O KASH metapelite K2O - FeO - MgO - Al2O3 - SiO2 - H2O KFMASH metagranite K2O - Na2O - Al2O3 - SiO2 - H2O KNASH haplo-amphibolite CaO - FeO - MgO - Al2O3 - SiO2 - H2O CFMASH amphibolite Na2O - CaO - FeO - MgO - Al2O3 - SiO2 - H2O NCFMASH most rocks K2O - Na2O - CaO - FeO - MgO - Al2O3 - SiO2 - CO2 - H2O - O2 Celkové složení horniny a petrogenetická mřížka petrogenetická mřížka pro systém SiO2-MgO-H2O pro metamorfované ultrabazické horniny ACF diagram • Při vynášení koncových členů minerálů postupujeme takto: • Anortit CaAl2Si2O8 • A = 1 + 0 - 0 - 0 = 1, C = 1 - 0 = 1, F = 0 • celkem 2 ⇒ provedeme normalizaci na 1 a výsledkem pak je: A = 0.5 C = 0.5 F = 0 Váhová procenta jsou převedena na molární ekvivalenty. Provedou se korekce na minerály s kterými se v diagramu nepočítá (apatit, titanit, ilmenit). Tyto korekce nemají na výsledek podstatnější vliv: A = Al2O3 + Fe2O3 - Na2O - K2O C = CaO – 3,3 P2O5 F = FeO + MgO + MnO ACF diagram se užívá pro bazické horniny Ehlers a Blatt (1982). Petrology. Freeman. And Miyashiro (1994) Metamorphic Petrology. Oxford. 5 • 1) horniny – celkový chemismus ze silikátové analýzy • korekce 1. - odpočet FeO, Fe2O3, CaO v akcesoriích (Mt, Ilm, Ttn) • 2) váhová procenta kysličníků / molekulární hmotnost = molekulární proporce (kvocienty) • korekce 2. – odpočet 3,3 x P2O5 (Apa) od CaO a Na2O+K2O od Al2O3+Fe2O3 amfibolit enstatit hm % molekulová molekulární (wt %) hmotnost kvocient A,C,F SiO2 48,09 60 0,8 TiO2 1,57 80 0,02 Al2O3 15,16 75 0,2 0,22-0,05 A=26 Fe2O3 2,92 160 0,02 FeO 9,22 72 0,13 0,31 B=47 MnO 0,21 71 0 MgO 7,24 40 0,18 CaO 10,35 56 0,18 0,18 C=27 Na2O 2,65 62 0,04 K2O 0,93 94 0,01 H2O+ 1,44 H2O- 0,24 P2O5 0,22 142 0 CO2 Suma 99,74 100 ACF diagram, pro určité PT podmínky (kyanitová zóna) Turner (1981), Metamorphic Petrology. McGraw Hill. AKF diagram A = Al2O3 + Fe2O3 - Na2O - K2O - CaO K = K2O F = FeO + MgO + MnO ProtožeProtože pelitipelitickécké sedimentsedimentyy mají vysoké obsahmají vysoké obsah AlAl22OO33,, KK22O, aO, a naopak nízké obsahynaopak nízké obsahy CaOCaO navrhlnavrhl EskolaEskola diagram kterýdiagram který KK22OO obsahuje AKFobsahuje AKF Ehlers and Blatt (1982). Petrology. Freeman. Zobrazení čtyř-komponentního systému V systému ABCQ zobrazíme složky: – X (ABCQ) – Y (A2B2CQ) Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. A(K)FM Diagram A = Al2O3 K = K2O F = FeO M = MgO 6 Minerály • V metapelitech 3 min. obsahují K2O (Ms, Bt, Kfs) • Almandin: Fe3 Al2 [SiO4]3 - Granát: A2+ 3 B3+ 2 [SiO4]3 • Muskovit: K Al2 [Si3AlO10] (OH)2 • Flogopit: K Mg3 [Si3AlO10] (OH)2 • Chlorit: (Mg, Fe)3 [(Si, Al)4O10] (OH)2 (Mg, Fe)3 (OH)6 • Albit: NaAlSi3O8 • Draselný živec: KAlSi3O8 Thompson (1957). Am. Min. 22, 842-858. • Jednotlivé minerály jsou promítány přes vrchol K (Mu nebo Kfs) A = Al2O3 - 3K2O (promítání přes Ms) = Al2O3 - K2O (promítání přes Kfs) F = FeO M = MgO • Muskovit: K Al2 [Si3AlO10] (OH)2 • do teplot kolem 750°C • K:Al 1:3 Biotit (Ms): KMg2FeSi3AlO10(OH)2 A = 0.5 - 3 * 0.5 = - 1 F = 1 M = 2 -1/(2 + 1 - 1) = -1/2 = -0.5 A = -0.5 F = 0.5 M = 1 • Almandin: Fe3 Al2 [SiO4]3 - Garnát: A2+ 3 B3+ 2 [SiO4]3 • Muskovit: K Al2 [Si3AlO10] (OH)2 • Flogopit: K Mg3 [Si3AlO10] (OH)2 • Chlorit: (Mg, Fe)3 [(Si, Al)4O10] (OH)2 (Mg, Fe)3 (OH)6 • Albit: NaAlSi3O8 • Minerál ((MsMs)) • 1) oxidy přepočítat na molární hmotnostní kvoc. a na procenta (celek 100%) • 2) F= X FeO • 3) M = X MgO (1-XFeO) • A = St ⇒(A12O3)/ (A12O3+FeO+MgO); • Bt ⇒ (Al2O3/2) – (3*(K2O/2)/((Al2O3/2)+ FeO+MgO) – (3*(K2O/2)) 7 • Draselný živec: KAlSi3O8 • od teplot kolem 750°C • K:Al 1:1 • Hornina ((MsMs)) • 1) oxidy přepočítat na molární hmotnostní kvoc. a na procenta (celek 100%) • nutná korekce na plagioklas • 2) F= X FeO • 3) M = X MgO (1-XFeO) • 4) A = (Al2O3 – 3*K2O-Na2O)/(Al2O3- 3*K2O-Na2O+FeO+MgO) V metapelitu o vyznačeném chemickém složení bude stabilní minerální asociace Grt+Bt+Chl P-X a T-X řezy • používají se k zobrazení fázových změn v horninách s různým chemickým složení za konstantního tlaku nebo teploty. 8 PT řezy (pseudosekce) • PT řezy jsou PT diagramy konstruovány pro určité chemické složení systému (horniny) • PT řezy zobrazují pole stability minerálních asociací, které v dané hornině o daném chemickém složení skutečně probíhají systém • Petrogenetické mřížky totiž zobrazují pouze univariantní reakce a prostor mezi nimi je reprezentován teoretickými poli stability odpovídajících divariantních minerálních asociací. I. Metamorfní reakce A) Diskontinuální Univariantní reakce • NaAlSi2O6 + SiO2 = NaAlSi3O8 Jd Qtz Ab • MgSiO3 + CaAl2Si2O8 = CaMgSi2O6 + Al2SiO5 En An Di And • 4 (Mg,Fe)SiO3 + CaAl2Si2O8 = (Mg,Fe)3Al2Si3O12 + Ca(Mg,Fe)Si2O6 + SiO2 • Opx Plag Grt Cpx Qtz zánik minerálu nebo minerální asociace a krystalizace ⇒ stabilizace nové rovnováha reaktantů a produktů jen na univariantní křivce termintermináálovlováá reakcereakce kkřříížženeníí spojovacspojovacíích linich liniíí reaktant či produkt 1 fáze (1 fáze zmizí nebo se v systému naopak objeví) reaktant a produkt 2 fáze • Reakční koróny • vznikají kolem minerálů, které jsou v minerální asociaci dané horniny nestabilní. Právě koróna uchránila tento minerál před přeměnou. 1) Koróna vznikla mezi plagioklasem a amfiboly obklopujícími plagioklasové zrno. Rovnoběžné a zkřížené nikoly Grt + Chl + Ms = St + Bt + Qtz + H2O Grt + Chl + Ms = St + Bt + Qtz + H2O 9 staurolit = granát + biotit + Al2SiO5 staurolit = granát + biotit + Al2SiO5 • staurolit = granát + biotit + Al2SiO5 (sillimanit) B) Kontinuální reakce Divariantní reakce – Chl + Ms + Qtz → Grt + Bt + H2O – Chl + Cld + Qtz → Grt + H2O Isobaric T-X phase diagram at atmospheric pressure After Bowen and Shairer (1932), Amer. J. Sci. 5th Ser., 24, 177-213. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. mění se chemické složení zúčastněných minerálů (vzájemná konzumace) ⇒ během divariantní reakce nevzniká žádný nový minerál 10 kontinuální reakce - nejčastější substituce FeMg-1 posun dílčích trojúhelníků s měnícími se P-T podmínkami k vrcholu F či M XMg = Mg/(Mg+Fe) pro minerály různé (různá preference v různých mřížkách) XMg Crd > XMg Chl > XMg Bt > XMg Cld > XMg St > XMg Grt (viz pozice v AFM) T-XMg diagram pro kontinuální reakci Cld = Grt + Ky Grt Cld • Hornina má složení: Qtz+Ms+Bt+Chl • Chl + Qtz => Grt + Mg- Chlorit + H2O MgSiO3 + CaFeSi2O6 = FeSiO3 + CaMgSi2O6 Annite + Pyrope = Phlogopite + Almandine • Mg-Fe substituce • oba minerály mají Mg a Fe komponentu ⇒ geotermometry Fig. 25Fig. 25--13a.13a. Chemical zoning profiles across a garnet from theChemical zoning profiles across a garnet from the TauernTauern Window. After Spear (1989)Window. After Spear (1989) C) Devolatilizační reakce (dehydratační a dekarbonační reakce) • pro většinu hornin postačuje system H2O-CO2 Pro karbonátoví horniny jsou důležité dekarbonační reakce CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 + CO2 11 • dehydratační reakce (typická pro metapelity): • KAl2Si3AlO10(OH)2 + SiO2 = KAlSi3O8 + Al2SiO5 + H2O • Ms Qtz Kfs Sill W • závisí na parciálním tlaku H2O (pH2O) • H2O-CO2 system [XH20 = H2O/(H2O + CO2)] • fluidní fáze může obsahovat také další podstatné složky (F, Cl, B) S poklesem obsahu x H2O je reakce tlačena do nižších teplot D) OxidačněD) Oxidačně –– redukční reakceredukční reakce 6 Fe6 Fe22OO33 = 4 Fe= 4 Fe33OO44 + O+ O22 (MH)(MH) 2 Fe2 Fe33OO44 + 3 SiO+ 3 SiO22 = 3 Fe= 3 Fe22SiOSiO44 + O+ O22 (FMQ)(FMQ) Isobaric T-fO2 diagram showing the location of reactions (26-13) (26-15) used to buffer oxygen in experimental systems. After Frost (1991), Rev. in Mineralogy, 25, MSA, pp. 469-488. II.II. AnatexeAnatexe (nataven(nataveníí)) proces na rozhranproces na rozhraníí magmatickmagmatickýých ach a metamorfnmetamorfníích procesch procesůů,, reakcereakce produkujprodukujííccíí novou fnovou fáázizi –– taveninutaveninu zazaččáátek taventek taveníí, mno, množžstvstvíí a sloa složženeníí taveniny ztaveniny záávisvisíí na:na: P, TP, T,, XX (slo(složženeníí protolituprotolitu)),, obsahu a sloobsahu a složženeníí fluidfluid ((waterwater--saturated vssaturated vs. fluid. fluid--absentabsent)) nejninejnižžšíší T tavenT taveníí –– vodou nasycenvodou nasycenýý granit (625granit (625°°C/5C/5 kbarkbar)) solidussolidus bazickýchbazických hornin zahornin za ppřřebytku Hebytku H22OO –– cca 650cca 650°°C (P = 6C (P = 6 kbarkbar)).. ppřři dehydratai dehydrataččnníím tavenm taveníí produkovprodukováán sn s taveninoutaveninou KfsKfs ++ OpxOpx,, GrtGrt , As, As III. Metasomotóza • Petrogenetický pochod, při němž dochází k výměnným reakcím mezi látkami přinášenými z vnějších zdrojů a látkami původními. - Výměnné reakce mezi látkami přinášenými fluidy z vnějších zdrojů (např. magma) a minerály v původní hornině. - Postihuje: karbonátové horniny (skarny), ultrabazika (rodingity) - Lokální rovnováhy Některé minerály reagují s fluidy a vznikají nové minerální fázeNěkteré minerály reagují s fluidy a vznikají nové minerální fáze 2 KAlSi2 KAlSi33OO88 + 2 H+ 2 H++ + H+ H22O = AlO = Al22SiSi22OO55 (OH)(OH)44 + SiO+ SiO22 + 2 K+ 2 K++ KfsKfs vodavoda kaolinitkaolinit Zonation in an experimental skarn formed at the contact between granodiorite and limestone at 600o C, Pfluid = 0.1 GPa (XCO2 = 0.07). After Zharikov, V.A. and G.P. Zaraisky (1991) Experimental modeling of wall-rock metasomatism. In L. L Perchuck (ed.), Progress in Metamorphic and Magmatic Petrology. A Memorial Volume in Honor of D. S. Korzhinskii. Cambridge University Press. Cambridge, pp. 197-245. Photo courtesy G. Zaraisky. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. 12 Metasomatóza Burham, 1959 Brucitová zóna (Cal + Br + Clhm + Sp) Granátová zóna (Grt + Di + Wol) Skarnoid (Pirin) 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