G7501 Fyzikální geochemie 7. Magmatické a metamorfní systémy Josef Zeman Magmatické systémy Na rozdíl od povrchových procesů a vzniku sedimentárních hornin nemůžeme většinou magmatické procesy pozorovat přímo. Pouze ve výjimečných případech extrudujících nexplozivních procesů se na vznik magmatických hornin můžeme podívat blíže. I Magma Magma se obvykle skládá z mobilní směsi suspendovaných pevných částic, taveniny a plynné fáze: • počet fází závisí na třech intenzivních proměnných - P, T a X • dostatečně vysoká T - homogenní tavenina • obvykle převaha Si a O výjimečně dvě taveniny: karbonátová a silikátová (nemísitelné) tavenina tavenina + bubliny tavenina + krystaly dvě taveniny tavenina + kryst. + bubl. ■o. o- Ö- :Ď Magma Atomová struktura a viskozita (bod tání Si021 710 °C) CRYSTALLINE SILICA LIQUID CaMgSi2Oft LIQUID SILICA -0- Bridging oxygen Q- Nonbridging oxygen • Network former (Si) # Network modifier (Ca) • Network modifier (Mg) Magma Role těkavých složek: • H90, C02, H2, HCI, N9, HF, F9, Cl9, S09, H9S, CO, 09, NH„ S9, He, Ar 2' 2 2' 1 l2" kritický bod (voda: 21,8 MPa, 371 °C; C02: 7,3 MPa, 31 °C) - fluidní stav těkavá fluida (v hloubkách pod 1 km mizí rozdíl mezi kapalným a plynným stavem): hustota < 2 g/cm3, specifický objem > 0,5 cm3/g tlak fluid Rozpustnost těkavých složek v silikátových taveninách tavenina s rozpuštěnými těkavými složkami <-> tavenina + těkavé složky ^tavenina+fluida ^ ^"tavenina ^"fluida Volatile reservoirs H,0 + SOo + C02 H20 H20 + O2- = 2(OH)" in melt in melt Si-0 polymer in anhydrous melt Water molecule Broken Si-0 polymer in hydrous melt (OH)" co2 vyšší rozpustnost v méně polymerizovaných magmatech Total concentration of dissolved COt (wt. %) Oddělení těkavých látek od taveniny Při výstupu z pláště nebo kůry se stává magma nasycené těkavými složkami. Jejich nadbytek se odděluje do koexistující fluidní fáze - exoluce, var původně vodou nenasycené magma se stává přesycené v důsledku klesajícího celkového tlaku krystalizace bezvodých minerálů i za konstantního tlaku -přesycení fluidy - retrográdní, sekundární var; může k němu docházet i při klesající teplotě! Concentration of water (wt. %) Oddělení těkavých látek od taveniny Oddělení fluidní fáze přispívá k dalšímu chlazení magmatického tělesa; chlazené může být tak rychlé, že vede k „zamrtznutí" systému. Ve fluidní fázi se koncentrují nekompatibilní prvky a ty se hromadí ve svrchní části magmatického krbu (Mt. Pinatubo, Filipíny, červen 1991 - 17 megatun S02 do atmosféry; celkem vyvrženo 5-10 km3 materiálu; síra pochází ze 40-90 km3 magmatu pod sopkou). Oddělení těkavých látek od taveniny zvětšení objemu 25tisíckrát (bude ještě záviset na p a T) with overpressured u more abund.1Ilt bubbles (+ crystals) bubb,es (+ crysta,s) jn melt Rovnováhy krystaly-tavenina v magmatických systémech Fázové diagramy Tavení čistých minerálů a polymorfismus Fázové rovnováhy binárních systémů Diopsid-anortit 1600 1400 / 1392 U H 1274 1200 1000 -1-r P = 1 atm LIQUID L + Diopside Diopside + Anorthite crystals 1553* 0 j_i_i_i_i_i_i_i i 20 40 60 80 100 CaMgSi2Orl wt. % CaAl2Si2Os Chladnutí 1520 T(°C) 1274 ahAiVahDi}- m ni J ,IIAn CP+AH,n Time Pákové pravidlo rdz-uvc i uvi luvd 11 y uiiidiiiiui ^y^Ltri i iu Forsterit-Si02 Detail: R - Deritektikum: obrnene reliktv INttO 11,110 LIQUID \ \ .........V -I I \ I \ I TWO LIQUIDS \ I I l h Fo \ L + Cr Fo + En 50 En + Cr En ♦ TV -i-1- 70 90 MfcSiO, MgSi03 Wl Si(>- SH>, Mg2Si04 + Si02 = 2MgSi03 + latent heat forsterite in melt enstatite I55TC High Low T Fo + En Crystalline products c/ \ /• 30 40 50 MgO(wt. %) Melt composition FRACTIONAL CRYSTALLIZATION 5/J C s - 3 O G En + Cr En Fo Crystalline products 40 MgO (wt. %) Melt composition 50 Krystalizace reálných bazaltových magmat Zobecněný diagram krystalizace tholeitického bazaltu („suchý" a „mokrý") 10 h Cpx + Grt + L CRYSTALS Ä — á?/ < A* V. Amp + Grt + Cpx + L Amp + Cpx + L I 01 + Cpx + PI + L J_I_L 500 700 900 LIQUID PI + Px + 01 + L PI + Ol + L PI + L _I_l_ h 120 h 100 h 80 .d c. h 60 h 40 I- 20 T(°C) Fázové diagramy živců 1600 1400 Fázové diagramy živců 1200 H 1000 800 600 vliv tlaku a dalších složek NaAlSi,CX 40 60 Wt. % rovnovážná krystalizace Fázové diagramy živců frakční krystalizace 1600 1400 - 1200 - " LIQUID T-1- " L + P1SS - Plss i i i 1 1 1000 0 20 NaAlSi308 40 60 Wt.% 80 100 CaAl2Si208 1600 1400 1200 1000 0 20 NaAlSi308 An78 S\ K A"3!Lx An17^ 1 An2 Fázové diagramy živců ,hypersolvus" granity PH,o = 0.3 GPa U ^ 600 400 ,subsolvus" granity PH,o = 0.5 GPa 1000 i——r NaAlSi308 Wt.% KA1SÍ30J albit + mikroklin perthit i í] -i, Fázové diagramy živců Ternárnf systém Kf-Ab-An Wt. % Fázové diagramy živců Ternární systém Kf-Ab-Si02 I vlivvody 2 kbar water-saturated 7 659 granitických hornin (Le Maitre, University of Melbourne) Výsledek magmatické krystalizace ovlivněn velikost krystalů a povrchové napětí (dodatková GE funkce) AGkrystaly-tavenina ^kryst ^tavenina Gmalý kr. ~ ^kryst Gpovrch _ 4 3 _ G kry st ~ g"^" ^kryst Tpovrch = Aur2y (= GE) A 6'krystaly-tavenina 3 ^TT (G kry st ^tavenina ) + 4nr2y rozměr na povrchu j 1 Id j_ !_ 1_ edek magmatické kry: rychľ T (malé) T (velké) Výsledek magmatické krystalizace ovlivněn velikost podchlazení a rychlost difúze Výsledek magmatické krystalizace ovlivněn difúze k povrchu stejná stavba horniny může vznikat různou posloupností krystalizace nterpreta< Krystalizace reálných bazaltových magmat Makaopuhi bazalt 1963 Kilauea, Hawaii -Makaopuhi kráter