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 •K (na)tavení dochází v různých prostředích zemské kůry a pláště (např.): •- na kolidujících se deskách •- na riftových zónách • •- na kontaktu taveniny s velmi vysokou teplotou s okolní horninou •- při přínosu H2O do horniny v kombinaci s relevantní teplotou •- dehydratačním tavením 1. Úvod 1. Úvod 1. Úvod Schematická presentace anatexe v zemské kůře. Sawyer 2011 Inkluze granitu v granátu Sawyer 2011 1. Úvod Přítomnost taveni v horninách, 2 příklady, A – Mull, Skotsko, B - muskovitická rula; Holness et al. 2011 2. Dehydratační tavení •Dehydratační tavení •Pro proces tavení je důležité chemické složení horniny a složení a množství fluidní fáze (H2O, CO2, 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 H2O po nějakých oslabených zónách z okolí. nový-2 2. Dehydratační tavení •Kombinací různých aktivit H2O odvodíme křivku dehydratačního tavení. • •Důležité termíny: •solidus •subsolidus •protolit •leukosom – metatekt •mesosom •melanosom – restit nový-4 2. Dehydratační tavení Leukosom Restit Paleosom Leu Pal Res 2. Dehydratační tavení •Tavení hornin s muskovitem (+křemen) •horniny: muskovitické ruly a popř. svory, křemen-živcové horniny s muskovitem • •Systém: SiO2-Al2O3-K2O-H2O •Byla provedena řada experimentů v solidu a subsolidu a vzhledem k relativní jednoduchosti systému, jsou výsledky různých autorů dobře srovnatelné. nový-9 2. Dehydratační tavení •důležité reakce: •subsolidus • Qtz + Msc + Ab = Alkf + Sil + H2O •solidus • Qtz + Msc + Alkf + H2O = melt • Qtz + Sil + Alkf + H2O = 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. • lav kopie Muskovitický granit s turmalínem, Lavičky 2. Dehydratační tavení •Tavení hornin s biotitem (+křemen) •horniny: různé typy biotitických rul a metadrob •Systém: SiO2-Al2O3-K2O-MgO-H2O •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. nový-8 2. Dehydratační tavení •důležité reakce: •subsolidus • Qtz + Phl + Ab = Alkf + Opx + H2O •solidus • Qtz + Phl + Ab = Alkf + Opx + melt • Qtz + Alkf + H2O = 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 Na2O, 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: SiO2-Al2O3-Na2O-MgO-FeO-H2O •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. •SiO2, K2O a Na2O 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 Migmatit, Ihosy 3. Migmatity Leukosom Restit Paleosom Leu Pal Res 3. Migmatity Migmatity, Japonsko 3. Migmatity Hasalová et al. 2007 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. nový-21 3. Migmatity Viskosita versus množství taveniny pro různé horniny (látky). Jamieson et al. 2011 3. Migmatity 3. Migmatity 3. Migmatity 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 nový-12 4. Anatexe nový-11 nový-15 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 nový-10 nový-14 5. Restity nový-13 5. Restity PT-podmínky v restitu z Petrovic 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 H2O, 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. 6. Anatektické pegmatity Dutinové anatektické pegmatity v migmatizovaných rulách , Strážecké moldanubikum, Gadas et al. 2012 Znetínek Typické minerály – křemen, K-živec, albit, muskovit, biotit, turmalíny, cordierit, andalusit, apatit Všechny relevantní minerály - vysoký obsah Mg, nízký obsah F – minerální asociace pegmatitu je téměř totožná s okolními horninami s výjimkou andalusitu 6. Anatektické pegmatity Fig. 5 Krystaly turmalínu 6. Anatektické pegmatity • • Fig 1 upr 2 Schematic diagrams showing a) geological setting of metatects in amphibolites + pegmatite in pyroxene gneiss; b) simple zoning of the Mirošov pegmatite. 1 - metatect in amphibolite, 2- pegmatite in pyroxene gneiss, 3 - pyroxene gneiss, 4 - amphibole 1 + TU1, 5 - amphibole 2, 6 - , 7 - allanite, 8 - TU2, 9 - quartz. Gadas et al. 2014 Fig 4 Mirošov u Strážku – anatektický pegmatit v erlánu Složení turmalínu Závěr •Anatektické procesy jsou jedním z nejdůležitějších procesů ovlivňujících geologický vývoj zemské kůry a svrchní části pláště. Dochází při nich k jednomu z nejdůležitějších přerozdělení chemických prvků v geologii vůbec a vzniku magmatických hornin. V této přednášce je prezentována jen počáteční stádium vývoje – natavení, tedy jen parciální tavení. Vlastní procesy vzniku magmatických hornin jsou řešeny v magmatické petrologii.