Minerogenetické procesy Metasomatóza Prof. RNDr. Milan Novák, CSc. •Osnova: 1.Úvod 2.Definice 3.Faktory důležité pro metasomatózu 4.Mechanismus přenosu látek 5.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. Vlastějovice, kontakt Fe-skarn-pegmatit 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 H2O nebo CO2 (např. diageneze), i když viditelná změna prvků (látek), které označujeme jako anionty, a to např. OH, F, B nebo CO2 naznačuje i změny ve složení kationtů. Už proto, že odnášená H2O 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 Fe3+/Fe2+ 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, CO2 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. XCO2, fO2, fS2, pH •permeabilita horniny • nový-16 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 Difuze v krystalech structure 4. Mechanismus přenosu látek nový-18 Difuze mezi horninami s kontrastním chemickým složením Kontakt mezi amfibolitem a kalcitickým mramorem Mirošov 4. Mechanismus přenosu látek •Difuze mezi horninami s kontrastním chemickým složení. •Infiltrace podél oslabených ploch a jiných odlišných litologií • 4. Mechanismus přenosu látek Koz F1 F4 pismenko_1_BSE_1 Dissolution-reprecipitation process – nový přístup k mechanismu metasomatózy (Putnis 1992). Dochází při něm k nahrazení jednoho minerálu jiným nebo dojde jen k více či méně výrazné změně chemického složení téhož minerálu. Tento proces probíhá v pevném stavu a je iniciován fluidy. Nejde o pouhou difuzi kationtů ve struktuře ale překrystalování minerálu. Křemen zatlačovaný kerolitem, Věžná Beryl I zatlačovaný berylem II, bavenitem a bazzitem, Kožichovice 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 nový-25 nový-24 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 • Magnetit Grossular epidot 1 Epidot 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 Andradit Diopsid Hedenbergit 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 • H+- metasomatóza Iont H+ nahrazuje jiné kationty, především Na, K a Ca a někdy se uplatňují i další prvky např. F. To vede k destrukci živců a jako hlavní procesy můžeme označit: •sericitizace •greisenizace Greiseny jsou složeny především z křemene a slíd, které zatlačily živce. Typické minerály: Fluorit, zinnwaldit, topaz, kasiterit, wolframit, molybdenit, apatit, arzenopyrit, lollingit, vizmut, scheelit, stanin. 5. Příklady metasomatických procesů kasiterit zinnwaldit wolframit 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. • Magnesit, Štýrsko 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.) zirkon 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. Tanco – kontaktní aureola 5. Příklady metasomatických procesů NovFig11Blizna Bližná BY AY 5. Příklady metasomatických procesů 1X 3Xtuč 2X Bližná 3 odlišné asociace Bližná I Bližná II povrch Bližná II komín K 15 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 Grafika18 Shrnutí •Metasomatické procesy jsou v přírodě poměrně rozšířené ale ne vždy jednoduše odhalitelné. •I když zvýšená teplota je hlavním pozitivním faktorem, metasomatóza probíhá i za povrchových teplot. •Setkáváme se s nimi na všech úrovních od povrchových procesů až po zemský plášť. •Hlavními znaky metasomatózy jsou texturní vztahy a specifické chemické složení a také nerovnovážné minerální asociace. •Hlavními procesem jsou infiltrace a difuze, ketré se často kombinují.