Minerogenetické procesy Metasomatóza Prof. RNDr. Milan Novák, CSc. Osnova: • Úvod • Definice • Faktory důležité pro metasomatózu • Mechanismus přenosu látek • Příklady metasomatických procesů 1. Úvod • Geologické procesy mohou probíhat v uzavřených nebo v otevřených systémech. Zda se systém chová jako uzavřený nebo otevřený je zásadní otázkou pro interpretaci řady geologických procesů a ne vždy je tomuto problému věnována dostatečná pozornost. Právě metasomatóza je typickým procesem probíhajícím v otevřeném systému. 1.Úvod • Izolovaný systém – je látkově izolován od okolí, a nemůže přijímat nebo uvolňovat energii a nemůže konat práci. Izolované systémy v geologických objektech zřejmě neexistují. • Uzavřený systém – je látkově izolován od okolí, ale může přijímat nebo uvolňovat energii a může konat práci anebo na něm může být vykonána práce jeho okolím. • Otevřený systém – může s okolím vyměňovat energii, ale i některé chemické specie (složky). • V geologické literatuře jsou požadavky na termodynamické definice obvykle respektovány poněkud méně striktně než v experimentálních pracích fyziků a chemiků a řada systémů označovaných v geologii jako uzavřené se ve skutečnosti uzavřenosti jen více či méně blíží. 2. Definice • Definice: Metasomatóza je proces, který vede ke změně celkového chemického a většinou i mineralogického složení horniny (popř. minerálu) a který probíhá v pevném stavu a ve velmi širokém rozpětí tlaků a teplot od zemského pláště až po sedimentární horniny na zemském povrchu. • Co je změna chemického složení? Zahrnuje především prvky, které můžeme označit jako kationty, a to jak Na, Ca, Mg, Fe, Al, Si ale také H. Za změnu nepovažujeme např. pokles obsahu H[2]O nebo CO[2] (např. diageneze), i když viditelná změna prvků (látek), které označujeme jako anionty, a to např. OH, F, B nebo CO[2] naznačuje i změny ve složení kationtů. Už proto, že odnášená H[2]O obsahuje určité množství rozpuštěných látek. 2. Definice Co je změna mineralogického složení? Nahrazení např. grosularu klinozoisitem nebo kalcitu dolomitem je jasným příkladem mineralogické změny. Metasomatóza ale může probíhat i bez změny mineralogického složení, např. změna poměru Fe^3+/Fe^2+ v granátu nebo změna poměru Fe/Mg v pyroxenu. Tyto změny mohou být velmi nenápadné a těžko pozorovatelné. Co je pevný stav? Za pevný stav můžeme považovat běžné metamorfované a sedimentární (zpevněné) horniny, v jejich přirozeném prostředí v zemské kůře. Metasomatóza ale může probíhat i na hydrotermálních žilách a v magmatické tavenině, takže pevný stav není naprosto nutnou podmínkou a jeho definice je poněkud volnější. 2. Definice Výše uvedené informace ukazují, že často neexistuje ostře definovatelná hranice mezi metasomatózou a některými geologickými procesy, např. • kontaktní metamorfóza versus vznik skarnů • diagenetické procesy versus metasomatické zatlačování karbonátů • krystalizace albitu z taveniny versus metasomatické zatlačování K-živce albitem v pegmatitech které sice nepovažujeme za metasomatózu, i když jednoznačně probíhají v otevřeném sytému. 3. Faktory důležité pro metasomatózu • Vhodné PT podmínky Otevřenost systémů a tedy i míra metasomatických změn obecně roste s rostoucí teplotou. • Časový faktor Pohyb látek je obecně poměrně pomalý a proto čas hraje velmi důležitou roli, např. kontaktní metamorfóza vulkanických hornin na povrchu nebývá spojena s metasomatickými změnami, i když jiné podmínky mohou být vhodné. • Medium, které umožní přenos Jednotlivé prvky nebo látky se většinou nemohou pohybovat jako samostatné atomy, jsou přenášeny v různých komplexech složených hlavně z O a tzv., těkavých látek (F, B, Cl, S, CO[2] aj. tzv. fluida. 3. Faktory důležité pro metasomatózu • Prostor, v němž přenos probíhá Medium, které nese jednotlivé kationty nebo látky potřebuje volný prostor (póry mezi zrny, trhliny). Je-li hornina extrémně masivní, je metasomatóza ztížena, naopak porézní horniny jsou velmi příhodné a porozita zřejmě hraje velmi významnou roli. Pohyb může probíhat také difuzí kationtů uvnitř krystalů jednotlivých minerálů, v tomto případě není nutný volný prostor, kromě vhodné krystalové mřížky. • Rezervoár prvků nebo jiných látek Jestliže dochází k nahrazování jednoho prvku jiným, popř. jeden komplex prvků jiným komplexem, musíme mít zdroj, nejčastěji to bývá např. magma. Na druhé straně musí existovat také rezervoár nebo prostor pro prvky odnášené. 3. Faktory důležité pro metasomatózu • Hlavní faktory ovlivňující metasomatózu • teplota a tlak • čas • chemické složení protolitu • chemické složení a koncentrace infiltrujících fluid a např. X[CO2], fO[2], fS[2], pH • permeabilita horniny 4. Mechanismus přenosu látek • Infiltrace je hlavním mechanismem při metasomatóze. Roztoky a fluida s rozpuštěnými látkami cirkulují těmi částmi hornin, kde je vyšší permeabilita (póry, trhliny a jiné oslabené zóny) a reagují s protolitem, a odnáší uvolněné prvky a látky. • Difuze v horninách je řízena rozdíly v chemických potenciálech a fluida nesoucí prvky jsou stacionární. Difuzní metasomatóza je méně častá. • Difuze v minerálech, kdy dochází k pohybu atomů v rámci krystalové mřížky. 4. Mechanismus přenosu látek 4. Mechanismus přenosu látek 4. Mechanismus přenosu látek • Difuze mezi horninami s kontrastním chemickým složení. • Infiltrace podél oslabených ploch a jiných odlišných litologií 4. Mechanismus přenosu látek 5. Příklady metasomatických procesů • Příklady nejznámějších i ekonomicky nejvýznamnějších metasomatických procesů v metamorfních podmínkách • Metamorfní prostředí • Skarny • Fenity • Greiseny 5. Příklady metasomatických procesů • Skarny Metasomatické silikátové většinou bezživcové horniny bohaté Ca vznikající jako výsledek reakcí fluid s karbonáty bohatými litologiemi. Jejich typickým znakem je často polyfázový vývoj. 5. Příklady metasomatických procesů a) chemické složení Ca-skarny Mg-skarny Fe-skarny Mn-skarny b) oxidační stupeň oxidační redukční c) protolit exoskarn endoskarn d) pozice k magmatické hornině proximální distální e) převládající mechanismu přenosu látek infiltrační difuzní f) původ fluid magmatické metamorfní 5. Příklady metasomatických procesů 5. Příklady metasomatických procesů Granáty Grossular, andradit Epidotová skupina Wollastonit Vesuvian Karbonáty Prehnit Xonotlit, pektolit Pyroxeny Diopsid, hedenbergit Amfiboly Forsterit Flogopit-annit Sulfidy Magnetit Scheelit 5. Příklady metasomatických procesů Zrudnění ve skarnech a jeho vztah ke geologickému vývoji Fe-skarny - magnetit Au-skarny W-skarny - scheelit Cu-skarny – chalkopyrit, tetraedrit Zn-skarny - sfalerit Mo-skarny – molybdenit, powelit Be-skarny – fenakit, chryzoberyl 5. Příklady metasomatických procesů - Infiltrace je hlavním mechanismem pro více objemové horninové systémy. Roztoky a fluida s rozpuštěnými látkami cirkulují těmi částmi hornin, kde je vyšší permeabilita (póry, trhliny a jiné oslabené zóny) a reagují s protolitem, a odnáší uvolněné prvky a látky. - Difúze v horninách je řízena rozdíly v chemických potenciálech a fluida nesoucí prvky jsou stacionární. Difúze je méně častá a méně výkonná. - Difúze v minerálech, kdy dochází k pohybu atomů v rámci krystalové mřížky. Tento proces je důležitý pro systémy mikroskopické velikosti, při dostatku času a vhodných PT-podmínek, např. v plášti, může být i tento mechanismus důležitý. 5. Příklady metasomatických procesů 5. Příklady metasomatických procesů 5. Příklady metasomatických procesů • Magnezity a siderity Ložiska magnezitů a sideritů v Západních Karpatech vznikla pravděpodobně metasomatickým zatlačením původně kalcitických, popř. kalcit-dolomitických vápenců v podmínkách nízkého stupně metamorfózy. Zdrojem Mg mohou být např. ultrabazické horniny v jejich okolí. 5. Příklady metasomatických procesů Na-K-Ca-Mg metasomatóza Tento typ metasomatických změn je vázaný na vulkanismus oceanického dna. Dochází při ní k více typům zatlačování: • látky Mg – Fe Na – Ca, K Ca – Mg, Na, H K – Na, Ca • minerály Ca-plagioklas – Na-plagioklas (analcim, skapolit) amfibol – chlorit, aktinolit, epidot Ca-plagioklas – epidot živce – zeolity 5. Příklady metasomatických procesů • Fenitizace Tento proces je svázaný s alkalickým magmatismem a dochází při něm k intenzivnímu přínosu Na a K. Vznikají minerály s vysokým obsahem Na, popř. K a také s vysokým poměrem Na+K/Al a Fe/Mg. Někdy obsdahují minerály se zvýšeným obsahem Nb, Zr, Ti, REE, Y (betafit, pyrochlor, zirkon, aj.) 5. Příklady metasomatických procesů • Přínos B (Li, Cs aj.) v okolí komplexních pegmatitů V závěru magmatické krystalizace dochází k odmíšení fluid bohatých B, ale také Li, Cs, F, Al aj. Fluida opouštějí pegmatit a reagují s okolní horninou (především s tmavými minerály) za vzniku holmquistitu, turmalínů, Cs,Rb,F-obohaceného biotitu, aj. 5. Příklady metasomatických procesů 5. Příklady metasomatických procesů 5. Příklady metasomatických procesů • Magmatické prostředí V tomto případě probíhá metasomatóza přímo v magmatické hornině a to v různých stádiích vývoje horniny a v různých PT podmínkách. Zdrojem fluid je téměř výhradně samotná magmatická hornina, popř. jiná asociující magmatická hornina. • Stádium pozdního solidu až ranného subsolidu • V tomto stádiu probíhá zřejmě většina metasomatických změn v magnmatických horninách. Rozpoznání metasomatických změn je ale většinou velmi komplikované. • - Alterace granitů postmagmatickými fluidy, např. alterace živců, při níž může dojít ke změně ve složení např. koncentrace Rb a Cs. • - Raně postmagmatické alterace v komplexních pegmatitech, např. nahrazení primárních Fe,Mn fosfátů širokou škálou mladších minerálů, zatlačení cordieritu turmalínem. • - Vznik metasomatických jednotek v pegmatitech, albit, lepidolit aj. 5. Příklady metasomatických procesů • Tavení granitů za UHP (ultravysoké tlaky 15 a více kbar) Granity se za těchto tlaků a přítomnosti vody chovají poněkud jinak, než předešlé taveniny. Nedochází k jejich tavení, ale postupně se rozpouštějí na fluidum, a to ne skokem, ale postupně. Za nepřítomnosti vody se ale uvolňuje postupně za nižších teplot ultrapotasické fluidum, leucitového složení, při kompletním rozpuštění se složení blíží granitu. 5. Příklady metasomatických procesů 5. Příklady metasomatických procesů Vlastějovice pegmatity pronikající Fe-skarny studium stupně kontaminace pegmatitové taveniny na základě studia vhodných minerálů 5. Příklady metasomatických procesů Chemické složení minerálů - turmalín