Magmatické a metamorfní procesy _ Vliv fluidní fáze na průběh metamorfních reakcí I David Buriánek pouze pro potřeby výuky Osnova 1.Fluidní fáze a geologické procesy v zemské kůře 2.Prográdní a retrográdní metamorfní reakce 3.Vliv fluidní fáze na průběh metamorfních reakcí 4.Dehydratační a dekarbonatizační reakce 5.Uzavřený a otevřený systém 6.Metamorfní reakce v karbonátových horninách Pozice fluid v horninách: Øvázaná fluida některé minerály (karbonáty, amfiboly, slídy) obsahují ve své struktuře (OH)-, (CO2)2- Øfluida absorbovaná na povrch zrn: vrstva molekul H2O a CO2 o tloušťce několika Ǻ, pohyblivost těchto molekul závisí na okolním PT a charakteristikách povrchu zrna (přilnavost, elektrostatické vlastnosti, atd.). Øfluida rozpuštěná v silikátové tavenině: v migmatitech se voda ze slíd nebo amfibolů stává součástí taveniny a zůstává bezvodý restit Øvolná fluida jsou v pórech mezi minerálními zrny a na drobných puklinách: a)na základě geof. dat se zdá, že ve svrchní kůře (~ do 15 km) se fluida pohybují po puklinách, které komunikují s povrchem (Pfluid 60o (right). In the center is a cross section through a fluid tube at the intersection of three mineral grains for which q = 60o. After Brenan (1991) Development and maintenance of metamorphic permeability: Implications for fluid transport. In D. M. Kerrick (ed.), Contact Metamorphism. Rev. in Mineralogy, 26, Mineral. Soc. Amer, pp. 291-320. •tlak fluid v systému většinou odpovídá litostatickému tlaku nebo je nižší (Pfluid = PH2O + PCO2). •pokud je tlak fluid ve spodní kůře nižší je to způsobeno tím že v hornině nejsou minerály obsahující těkavé složky (např. granulity) •fluida uvolněná metamorfními reakcemi mají tendenci migrovat do oblastí s nižším tlakem. 3) Vliv fluidní fáze na průběh reakcí •V metamorfovaných horninách se běžně setkáváme s těmito typy reakcí: •1) pevná látka – pevná látka •Grs + Qtz = An + Wo Ca3Al2Si3O12 + SiO2 = CaAl2Si2O8 + 2CaSiO3 •2) dekarbonatizační reakce •Cal + Qtz = Wo + CO2 CaCO3 + SiO2 = 2CaSiO3 + CO2 •3) dehydratační reakce •Ms + Qtz = Kfs + Sil + H2O •4) reakce produkující H2O a CO2 • A = B + nH2O + nCO2 •Tr + Cal + Qtz = Di + H2O + CO2 Ca2Mg5Si8O22(OH)2 + 3CaCO3 + 2SiO2 = 5CaMgSi2O6 + H2O + 3CO2 •5) reakce konzumující CO2 a produkující H2O •Zo + CO2 = An + Cal + H2O 2Ca2Al3Si3O12(OH) + CO2 = 3CaAl2Si2O8 + CaCO3 + H2O •6) reakce konzumující H2O a produkující CO2 •Dol + Qtz + H2O = Tc + Cal + CO2 ØNejvyšší stabilitu má minerál pokud není v systému přítomna žádná potenciální reaktivní fáze. Ø •kalcit = CaO + CO2 (CaCO3 = CaO +CO2) üproběhne až pří teplotách kolem 1200 °C •kalcit + křemen = wollastonit + CO2 (CaCO3 + SiO2 = CaSiO3 + CO2) üjiž při 600 °C •Změna DG při 600 °C a 0,1 MPa je pro tu reakci –54 KJ/mol zatím co pro rozklad kalcitu je to +33 KJ/mol (připomenutí: podmínkou rovnováhy pro reakci je DG = 0). • ØFluidní fáze ovlivňuje také reakce v nichž přímo nevystupuje např. Ky => Sil http://serc.carleton.edu/images/research_education/equilibria/ccwoqz.jpg reactmech.gif (8240 bytes) reactmechkysil.gif (23043 bytes) 3Al2SiO5 + 3SiO2 + 2K+ + 3H2O => 2KAl3Si3O10(OH)2 + 2H+ Kyanit Qtz fluida Muskovit 2KAl3Si3O10(OH)2 + 2H+ => 3Al2SiO5 + 3SiO2 + 2K+ + 3H2O Muskovit Sillimanit Qtz fluida ØNěkdy slouží fluida pouze jako katalyzátor: 4) Dehydratační a dekarbonatizační reakce •A <=> B + H2O •pro tuto obecnou dehydratační reakci platí: •dP/dT = DS/DV • •DS = SB + SH2O - SA = DSsolids +SH2O • •DV = VB + VH2O - VA = DVsolids + VH2O • •nárůstem teploty většinou znamená pozitivní DS hlavně pro reakce kde je produktem plyn nebo fluida (mají větší entropii než pevná fáze) •při nízkém tlaku a vysoké teplotě mají fluida malou hustotu •Za těchto podmínek je DV pro reakci velké a směrnice dP/dT je pozitivní •při vyšších tlacích poblíž kontinentální geotermy jsou fluida stlačena více a DV je menší •při vysokých tlacích (plášť) může být DV negativní, protože je ale DS stále pozitivní zakřivuje se reakční linie zpět • D:\PC\dehydreact.gif DV >> 0 DV > 0 DV < 0 •pozici dehydratačních a dekarbonatizační reakcí ovlivňuje poměr H2O a CO2 •příkladem může být reakce: • kalcit + křemen = wollastonit + CO2 • •PCO2 stoupá se vzrůstem teploty •pole stability karbonátů je redukováno přítomností vody (PCO2< P) •naopak u metapelitů přítomnost CO2 ve fluidní fázi redukuje pole stability hydratovaných silikátů (PH2O< P) •pokud není v systému dostatek fluidní fáze může zůstat část reaktantů stabilní i v poli stability produktu •poměr H2O a CO2 ovlivňuje také dehydratační reakce •Vliv XH20 je dobře patrný na reakci Ms + Qtz = Sill + Kfs + H2O •XH2O = H2O/(H2O + CO2) •při vyšším XH2O roste teplota při níž dochází k reakci X_H20_b.jpg 0004CF76Crossite ABA78158: •a) V uzavřeném systému zůstává CO2 produkované během metamorfních reakcí • XCO2 během reakcí stoupá •regionální metamorfóza • •b) otevřený systém do horniny jsou přinášena fluida z okolí •kontaktní metamorfóza •XCO2 během reakcí se nemění nebo klesá 5) Uzavřený a otevřený systém 6) Metamorfní reakce v karbonátových horninách •karbonátové horniny obsahují hlavně kalcit a/nebo dolomit ostatní karbonáty jsou vzácné •většinou obsahují příměs křemene nebo silikátů ale jejich obsah může kolísat •rozdělujeme je podle jejich mineralogického (chemického) složení a přítomnosti fluidní fáze do několika systémů: •kalcitické CaO-SiO2-H2O-CO2 CS-HC •dolomitické CaO-MgO-SiO2-H2O-CO2 CMS-HC •vápenatosilikátové h. K2O-CaO-MgO-Al2O3-SiO2-H2O-CO2 KCMAS-HC • • • • • • • • • •typické minerály: kalcit, dolomit, tremolit, forsterit, diopsid, wollastonit, mastek, periklas, brucit, křemen, dále grosulár, vesuvián, spinel, chlorit, flogopit, minerály skupiny humitu •Karbonátové horniny se silikáty a křemenem poměrně dobře reagují na teplotu •důležitým faktorem je aktivita fluid, tedy poměr H2O/CO2 = XCO2 •v některých horninách se uplatňuje také F •tyto horniny nejsou příliš vhodné pro odhad výše tlaku, s výjimkou nízkotlakého periklasu •fázové vztahy se zobrazují v izobarických T- XCO2 diagramech •existuje poměrně velké množství reakcí, které jsou vzhledem k jednoduchosti systému experimentálně poměrně přesně definované •CMSCH dolomit = kalcit + periklas + CO2 (CaMg(CO3)2 = CaCO3 + MgO + CO2) •CTSCH rutil + kalcit + křemen = titanit + CO2 (TiO2 + CaCO3 + SiO2 = CaTiSiO5 + CO2) •CASH grosular + křemen = anortit + wollastonit (Ca3Al2Si3O12 + SiO2 = CaAl2Si2O8 + 2CaSiO3) •CASCH zoisit + CO2 = anortit + kalcit + H2O (2Ca2Al3Si3O12(OH) + CO2 = 3CaAl2Si2O8 + CaCO3 + H2O) •KCMASCH flogopit + kalcit + křemen = Kfs + tremolit + H2O + CO2 (5KMg3Si3AlO10(OH)2 + CaCO3 + 2SiO2 = 5KAlSi3O8 + 3Ca2Mg5Si8O22(OH)2 + H2O + CO2) http://serc.carleton.edu/images/research_education/equilibria/twq_txco2.jpg Typické minerály karbonátových hornin: Křemen SiO2 Kalcit CaCO3 Dolomit MgCa(CO3)2 Wollastonit CaSiO3 Forsterit Mg2SiO4 Tremolit Ca2Mg5Si8O22(OH) Diopsid CaMgSi2O6 Mastek Mg3 Si4O10(OH)2 Antigorit Mg3 Si2O5(OH)4 Humit (Fe,Mg)7 (SiO4)3(F,OH)2 Klinohumit Mg9 (SiO4)4(OH,F)2 Mejonit Ca4Al3Si9O24CO3 ("3An.Cc") Marialit Na4Al3Si9O24Cl ("3Ab.NaCl") C:\Book Stuff\Color Figures\Ch 29\Fig 29-1.jpg CaO-MgO-SiO2 -CO2 -H2O system,. zelené plocha reprezentují běžné složení vápenců a dolomitů. Tmavší část trojúhelníku je vyčleněna pro metakarbonáty druhá polovina pro ultrabazické horniny. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. DIOPSIDE IN CALCITE D:\prace\BMamf\BMobr\fotozelesic\zel6.jpg při interpretaci T-X diagramů nesmíme zanedbat: Ø vliv tlaku Ø chemického složení systému Ø případnou metasomatózu Ø fig_7_4 obr_7_7 •v dolomitických mramorech (Dol a Cal v přebytku nad Qtz) 1.je pole stability tremolitu posunuto do vyšších teplot než v kalcitických m. 2.podstatně je redukováno pole diopsidu na oblast vysokých XCO2 3.až do XCO2 = 0.3 pro 800ºC je stabilní forsterit. 4.asociace Cal+Fo+CO2 namísto wollastonitu •v kalcitických mramorech (Qtz a Cal v přebytku nad Dol) 1.rozsáhlé je pole stability diopsidu 2.forsterit nevzniká 3.za vysokých teplot vzniká wollastonit Metamorfóza mramoru v podmínkách otevřeného systému A) v mramorech kde Cal > Qtz > Dol (P = 2 kbar) obr_7_7 obr_7_7 •3 Dol + 4 Qtz + 1 H2O ® 1 Tc + 3 Cal + 3 CO2 D:\prace\BMamf\BMobr\fotozelesic\Mramor\zel.jpg D:\prace\BMamf\BMobr\fotozelesic\Mramor\zel7.jpg Tc Cal 1 2 1) Cal+Qtz+Dol 2) Cal+Tc+Qtz obr_7_7 •5 Tc + 6 Cal + 4 Qtz ® 3 Tr + 2 H2O + 6 CO2 •tremolit zatlačuje mastek •při vysokém XCO2 může tremolit vznikat reakcí: •5 Dol + 8 Qtz + H2O ® Tr + 3Cal + 7 CO2 •může vznikat v důsledku přínosu fluid do mramorů: Dol+Cal+fluida (H2O+Si) = Tr+Cal • D:\prace\BMamf\BMobr\fotozelesic\Mramor\zel2.jpg 3 3) Tr+Qtz+Cal Dol+Cal+Tr Tr Cal obr_7_7 •diopsid vzniká na rozpadem tremolitu •1 Tr + 3 Cal + 2 Qtz ® 5 Di + 1 H2O + 3 CO2 •při velmi vysokém XCO2 může vznikat jinou reakcí. •Qtz + Dol = Di + CO2 •pokud je Qtz málo může Di koexistovat s Tr 4 4) Cal +Di+Qtz Cal Di Cal Di Tr 4) Cal +Di+Tr obr_7_7 D:\prace\PK\obrpol\bud1b.jpg D:\prace\PK\obrpol\p22.jpg •za vysokých teplot vzniká wolastonit •Cal + Qtz ® Wo + CO2 •typická reakce pro kontaktně metamorfované horniny •někdy je wollastonit provázen grosulárem a vesuvianem (indikátory nízkého XCO2) xenolit mramoru v tonalitu Cal Wo Cal Wo Di+Qtz 5) Cal+Di+Wo 5 Di obr_7_7 1) Cal+Qtz+Dol 2) Cal+Tc+Qtz 3) Tr+Qtz+Cal 4) Cal +Di +Qtz 5) Cal+Di+Wo Fig 29-3 B) v mramorech kde: Cal > Dol > Qtz (Tr > Dol) P = 1 kbar 1) Cal+Dol+Qtz 2) Cal+Tc+Dol 3) Cal+Tr+Dol 4) Cal+Fo+Tr 5) Cal+Fo+Di 1 2 3 4 5 C:\Book Stuff\Color Figures\Ch 29\Fig 29-1.jpg mpdev1.GIF (2124 bytes) •Při teplotách kolem 400 °C může v krystalických dolomitech vznikat mastek v důsledku rozpadu magnezitu •3Mag + 4Qz + H2O = Tc + 3CO2 mpdev2.gif (2184 bytes) •Při teplotách nad 400 °C dochází v krystalických dolomitech k reakci: •3Dol + 4Qtz + 1H2O = 1Tc + 3Cal + 3CO2 Tc mpdev3.gif (2329 bytes) •následující reakce produkuje tremolit: •5Tc + 6Cal + 4Qtz = 3Tr + 2H2O + 6CO2 •1Tr + 11Dol ® 8Fo + 13Cal + 1H2O + 9CO2 •v regionálně met. komplexech se tato minerální asociace vyskytuje až při hranic amfibolitové facie s granulitovou (600-700 °C, 5-6 kbar) •v mramorech bohatých Cal kde Tr > Dol •3 Tr + 5 Cal ® 11 Di + 2 Fo + 3 H2O + 5 CO2 C:\Book Stuff\Color Figures\Ch 29\Fig 29-3.jpg 4 4) Fo+Tr+Cal Cal Tr D:\prace\PK\obrpol\p31.jpg Cal Di Fo 5) Fo+Di+Cal 5 C) v mramorech kde Cal > Dol > Qtz (Dol > Tr) nebo Dol > Cal > Qtz obr_7_7 1) Dol+ Cal+Qtz 2) Dol+ Cal+Tc 3) Dol+ Cal+Tr 4) Cal+Dol+Fo 5) Cal+Fo+Per 1 3 4 C) v mramorech kde: Dol > Cal > Qtz (Dol >Tr) C) Dol > Cal > Qtz (Dol >Tr) 1) Cal+Dol+Qtz 2) Cal+Tc+Dol 3) Cal+Tr+Dol 4) Cal+Fo+Dol 5) Cal+Fo+Per B) Cal > Dol > Qtz (Tr > Dol) 1) Cal+Dol+Qtz 2) Cal+Tc+Dol 3) Cal+Tr+Dol 4) Cal+Fo+Tr 5) Cal+Fo+Di A) Cal > Dol > Qtz (Tr > Dol) 1) Cal+Dol+Qtz 2) Cal+Tc+Qtz 3) Cal+Tr+Qtz 4) Cal+Di+Qtz 5) Cal+Wol+Di Qtz Cal Bt Ttn Cal Di+Tr C:\Book Stuff\Color Figures\Ch 29\Fig 29-4.jpg trojúhelníky CSM pro systém CaO-MgO-SiO2-H2O-CO2 při tlaku 1 kbar a XCO2 < 0.63 přerušovaná linie je určena pro horniny kde je Tr v převaze nad Cal nebo Qtz. Spear (1993) Metamorphic Phase Equilibria and Pressure-Temperature-Time Paths. Mineral. Soc. Amer. Monograph 1. A B A A A A B B B B B B B A A A C C C C C C C C Fig 29-6 Fig 29-3 P = 5 kbar 1) Cal+Dol+Qtz 2) Cal+Tr+Dol 3) Cal+Di+Dol 4) Cal+Fo+Di Vliv tlaku na minerální asociace mramorů 1 2 3 4 P = 1 kbar 1) Cal+Dol+Qtz 2) Cal+Tc+Dol 3) Cal+Tr+Dol 4) Cal+Fo+Tr 5) Cal+Fo+Di 1 2 3 4 5 Metamorphic zones developed in regionally metamorphosed dolomitic rocks of the Lepontine Alps, along the Swiss-Italian border. After Trommsdorff (1966) Schweiz. Mineral. Petrogr. Mitt., 46, 431-460 and (1972) Schweiz. Mineral. Petrogr. Mitt., 52, 567-571. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. C:\Book Stuff\Color Figures\Ch 29\Fig 29-5.jpg Vliv Al, K, Na a Ti na minerální asociaci v metakarbonátech •velmi často obsahovaly původní vápence v malém množství klasty živců, slíd a jílové minerály •tyto minerály vnáší do systému další prvky a to zejména Al, K, Ti, F, Na •většinou tyto komponenty zanedbáváme •nebo užíváme systém SiO2-Al2O3-K2O-CaO-MgO-H2O •hliník je většinou vázán ve spinelu, epidotu, živcích nebo granátu •pokud je v mramorech přítomno větší množství draslíku objevuje se zde Kfs, Ms nebo Bt (flogopit) •titanit se váže hlavně v titanitu nebo rutilu ØCTSCH: rutil + kalcit + křemen = titanit + CO2 Ø(TiO2 + CaCO3 + SiO2 = CaTiSiO5 + CO2) • Cal+Bt+Sp Cal+Tr+Sp (Chl) Cal+Di+Fsp P –T diagram ukazující stabilitu titanitu a mramorech (Xirouchakis and Lindsley 1998) •Karbonátové horniny s vyšším obsahem Al (vápenato-silikátové horniny) • •do této skupiny lze zařadit řadu geneticky poměrně odlišných hornin, především Ca-skarny, erlány, kalcitické mramory bohaté silikáty •mohly vznikat při procesu kontaktní nebo regionální metamorfóze •minerální reakce můžeme nejlépe vyjádřit v jednoduchém systému CAS(H2O-CO2) •tím ale zanedbáváme vliv Mg, Fe případně dalších např. F, Cl atd. •typické minerály: granáty (grosulár-andradit-almandin), pyroxen (diopsid-hedenbergit), plagioklasy (An 80-100 %) , wollastonit, epidot, vesuvian, kalcit, křemen, skapolit. důležité dekarbonatizačně-dehydratační reakce: •CASCH: zoisit + CO2 = anortit + kalcit + H2O •(2Ca2Al3Si3O12(OH) + CO2 = 3CaAl2Si2O8 + CaCO3 + H2O) •CMSCH: tremolit + kalcit + křemen = diopsid + H2O + CO2 •(Ca2Mg5Si8O22(OH)2 + 3CaCO3 + 2SiO2 = 5CaMgSi2O6 + H2O + 3CO2) •CMSCH: tremolit + dolomit = forsterit + kalcit + H2O + CO2 •(Ca2Mg5Si8O22(OH)2 + 11CaMg(CO3)2 = 8Mg2SiO4 + 13CaCO3 + H2O + 9CO2) •KASCSH: muskovit + kalcit + křemen = ortoklas + anortit + H2O + CO2 •(KAl3Si3O10(OH)2 + CaCO3 + 2SiO2 = KAlSi3O8 + CaAl2Si2O8 + H2O + CO2) •KCMASCH: flogopit + kalcit + křemen = draselný živec + tremolit + H2O + CO2 (5KMg3Si3AlO10(OH)2 + CaCO3 + 2SiO2 = 5KAlSi3O8 + 3Ca2Mg5Si8O22(OH)2 + H2O + CO2) • CMAS(H2O-CO2) dekarbonatizační reakce: CAS(CO2): anortit + křemen + kalcit = grosular + CO2 reakce pevná fáze pevná fáze: CAS: grosulár + křemen = anortit + wollastonit (Ca3Al2Si3O12 + SiO2 = CaAl2Si2O8 + 2CaSiO3) dehydratační reakce: CAS(H2O): klinozoist + křemen = grosulár + anortit + H2O D:\prace\Paleozoikum\2002jcokr.jpg Tr + Czo + Cal + Pl + Qtz Di + Grs + Cal + Pl + Qtz D:\prace\Paleozoikum\151.jpg D:\prace\Paleozoikum\2002jb.jpg Di + Czo + Cal + Pl + Qtz Di + Cal + Pl + Qtz D:\prace\Paleozoikum\DB101n.jpg •metamorfní asociace vápenatosilikátových hornin může indikovat intenzitu metamorfózy: •nízká metamorfóza LPLT (zelené břidlice): Amp ± Di + Czo +Cal + Pl + Qtz ± Ttn •metamorfóza MPMT (amfibolitová facie): Di + Cal + Grt + Pl + Qtz ± Ttn •metamorfoza HPHT (granulitová facie): diopsid + forsterit + monticellit + spinel Amp Qtz Cpx Sch Cpx Ep Grt Czo sc07 vliv chemického složení systému na stabilit klinozoisitu •grosulár nejčastěji vzniká reakcemi: Ø5Cal + 3Qtz + 2Czo = 3Grs + H2O + 5CO2 Ø4Czo + Qtz = Grs + 5An + 2H2O xenomorfně omezený nepravidelně zonální granát čísla označují procentuální zastoupení almandinové komponenty D:\prace\Paleozoikum\1625e2.jpg T-XH2O diagram ukazuje tvar a relativní pozici některých důležitých reakcí pro izogrády mapované v oblasti Whetstone Lake. Reakce 5 je dehydratační a dekarbonatizační pro vápnité horniny (maximální teploty dosáhne při XH2O = 0.25). Carmichael (1970) J. Petrol., 11, 147-181, C:\Book Stuff\Color Figures\Ch 29\Fig 29-7a.jpg •vliv metakarbonátů na reakce v okolních metapelitech: 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 •Kornprobst, J. (2002): Metamorphic Rocks and Their Geodynamic Significance. A Petrological Handbook. Petrology and Structural Geology Series Vol. 12. •Vernon, R.H. and Clarke, G.L. (2008): Principles of Metamorphic Petrology. Cambridge University Press, 446 pp., •Naprostá většina obrazového materiálu pochází z celé řady internetových stránek věnujících se metamorfní petrologii