Metamorfní PTt dráhy E:\Postery\Freiberg99\SiMgAl.wmf E:\Public\lit_scan\HBo2.jpg E:\EXPOSE\dianice\zircon1.jpg E:\Vybrusy\Janavybrusy\Dia\DiaLUA3.jpg E:\Vybrusy\100NIKON\DSCN0076.JPG C:\Datovani Urs\SEM zircons\02-5-6.jpg protolit – chemický systém deformace rekrystalizace reakce zonalita minerálů stáří protolitu stáří metamorfózy concordia lead loss 0000A197 Macintosh HD ABA78158: P-T podmínky metamorfózy 1 Obsah Horniny-odraz geologických procesů, metamorfóza Kde probíhají horninotvorné procesy Přeměny při metamorfóze Metamorfní dráhy PTt – definice Hlavní činitelé metamorfózy Typy metamorfózy – genetické klasifikace Rekonstrukce drah P-T - postupy a indikátory konstrukce drah P-T - analýza vztahu krystalizace a deformace - zonalita minerálů a dráha P-T Metody odvození P-T podmínek - chemická rovnováha v metamorfóze - typy metamorfních reakcí - petrogenetické mřížky - geotermobarometrie, termodynam. modelování Postup při určení P-T podmínek rovnováhy, interpretace Popis drah P-T PTt a tektonika P-T-time Termální modely Příklady 2 Horniny - odraz geologických procesů vzhled hornin – chemické složení minerály struktura odráží horninotvorné procesy probíhající v různých geotektonických prostředích a postihující různé zdrojové horniny E:\Vybrusy\Janavybrusy\Dia\DiaLUA3.jpg 3 minerály a horniny jsou stabilní jen za podmínek za nichž vznikly změna podmínek – přeměna horniny Horninový cyklus (Hutton 1785, 1795 publ.) E:\UE3e\content\ue03\interactive\images\rockcycle_all.jpg Horniny - odraz geologických procesů Ø sedimenty – větrání+eroze – uložení, pohřbení a litifikace Ø magmatity – tavení hornin v kůře/svr.plášti – krystalizace z taveniny Ø metamorfity – vyšší P a T – rekrystalizace minerálů v pevném stavu 4 5 nhorniny jsou chemické systémy – v daném systému je stabilní specifická asociace koexistujících fází daná termodynamickou rovnováhou a fázovým pravidlem – tzn. závisí na P, T a X n •IUGS-SCMR – definice metamorfózy: “Metamorphism is a subsolidus process leading to changes in mineralogy and/or texture (for example grain size) and often in chemical composition in a rock. These changes are due to physical and/or chemical conditions that differ from those normally occurring at the surface of planets and in zones of cementation and diagenesis below this surface. They may coexist with partial melting.” n www.whitman.edu/.../winter/.../Ch%2021%20Int... Základní termíny Ømetamorfní stupeň (grade) – intenzita metamorfózy (T) – vysoký, nízký Ømetamorfní zóna – první výskyt indexového minerálu Ømetamorfní izográda – hranice metamorfní zóny Ømetamorfní facie – charakteristická minerální asociace (rozmezí P a T, chemické rovnováhy) Ømetamorfní P-T dráha – vývoj hornin v poli P-T používané pro popis metamorfovaných hornin 6 P-T rozsah metamorfních procesů 7 C:\Prednasky metpet Brno\JK ad Milan podz 02\obr\obr_1_1b.gif C:\Prednasky metpet Brno\JK ad Milan podz 02\obr\obr_1_1a.gif Obr. 1-1a. P-T rozsah metamorfních procesů. Metamorfóza nemá horní P a T limit. Metamorfní a magmatické podmínky mají velký překryv. Podle Bucher a Frey (1994). Obr. 1-1b. Schematický PT diagram s vyznačením polí pro různý stupeň metamorfózy (Konopásek et al. 1998). LT – diageneze F100-150oC, vznik min. jako laumontit, analcim, heulandit, carfolit, paragonit, prehnit, pumpellyit, lawsonit, glaukofan, stilpnomelan 8 Metamorfní facie barev_obr metamorfní zóny a facie, typy metamorfózy (Fichter www) 9 http://web.eps.utk.edu/~faculty/deane/Geology101/101_Chap8_MetamorphicRocks.pdf zóny chloritová, biotitová, granátová, staurolitová, kyanitová, sillimanitová 10 Barrow.bmp Figure 21-8. Regional metamorphic map of the Scottish Highlands, showing the zones of minerals that develop with increasing metamorphic grade. From Gillen (1982) Metamorphic Geology. An Introduction to Tectonic and Metamorphic Processes. George Allen & Unwin. London. www.whitman.edu/.../winter/.../Ch%2021%20Int... zóny chloritová, biotitová, granátová, staurolitová, kyanitová, sillimanitová Kde probíhají horninotvorné procesy E:\Chap. 0\seafloor.jpg desková tektonika – konvergentní rozhraní (subdukce, kolize) divergentní rozhraní – středooceánské hřbety Fig 10-16b Figure 10-16b After Basaltic Volcanism Study Project (1981). Lunar and Planetary Institute. (Winter) 11 Kde probíhají horninotvorné procesy 12 http://pubs.usgs.gov/publications/graphics/Fig13.gif Kde probíhají horninotvorné procesy 13 E:\Chap. 0\subduction.jpg desková tektonika – konvergentní rozhraní Fig 18-7 subdukce kontinentální kolize Figure 18-7. Schematic cross section of the Himalayas showing the dehydration and partial melting zones that produced the leucogranites. After France-Lanord and Le Fort (1988) Trans. Roy. Soc. Edinburgh, 79, 183-195. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. (Winter) Přeměny při metamorfóze minerály a horniny jsou stabilní jen za podmínek za nichž vznikly změna podmínek – přeměna horniny C:\Prednasky metpet Brno\JK ad Milan podz 02\obr\obr_1_2.gif â změny v chemismu â texturní změny (velikost zrna, deformace) â krystalizace nových minerálů (chemické reakce – fázové změny) 14 Konopásek et al. 1998 minerální asociace, parageneze E:\Public\scan\LUA20a38.jpg E:\Public\scan\LUA3a11.jpg C:\PTt\Lv60.jpg Grt Grt Qtz Afs Crd+Opx â krystalizace nových minerálů (fází) chemické reakce – fázové změny prográdní (dehydratační) – T retrográdní (hydratační) – ¯ T Opx Cpx Pl Přeměny při metamorfóze 15 LD další fáze – Pl, měl by být i Ky 16 The Progressive Nature of Metamorphism •Prograde: increase in metamorphic grade with time as a rock is subjected to gradually more severe conditions FPrograde metamorphism: changes in a rock that accompany increasing metamorphic grade •Retrograde: decreasing grade as rock cools and recovers from a metamorphic or igneous event FRetrograde metamorphism: any accompanying changes www.whitman.edu/.../winter/.../Ch%2021%20Int... Přeměny při metamorfóze E:\Vybrusy\Janavybrusy\Dia\DiaLUA3.jpg â texturní změny (změna velikosti zrna, deformace) C:\PTt\Lv60.jpg Opx Cpx Pl Grt Afs+Qtz Alsil E:\pokorna\P3190017.JPG Bt metamorfní diferenciace textura, struktura, stavba Qtz Fs rekrystalizace foliace, lineace 17 textura – vlastnost hornin charakterizující prostorové uspořádání minerálů: i.e. izotropie-anizotropie: všesměrná, plošně paralelní…. struktura – stupeň krystalizace, velikost součástek, stupeň omezení: holo-hemikryst., sklovité; HTZ-STZ….; automorfní In geology, a rock's fabric describes the spatial and geometric configuration of all the elements that make it up; Textures are penetrative fabrics of rocks; they occur throughout the entirety of the rock mass on a microscopic, hand specimen and often on an outcrop scale. This is similar in many ways to foliations, except a texture does not necessarily carry structural information in terms of deformation events and orientation information. Structures occur on hand-specimen scale and above (Wiki) Přeměny při metamorfóze â texturní změny – změny uspořádání minerálů (makro – mikro) E:\UE3e\content\slides\s0807.jpg E:\UE3e\content\slides\s0808.jpg foliace (schistosity) – plošný strukturní prvek vs. kliváž (křehká či příliš JMZ fylosil.) lineace – lineární strukturní prvek 18 Přeměny při metamorfóze â změny v chemismu isochemická metamorfóza metasomatóza â natavení (anatexe) ÞÞÞ magmatické horniny Migmatite2 migmatit 19 Metamorfní dráhy PTt P = pressure T = temperature t = time PTt.bmp - vývoj met. hornin v poli P-T v čase odrážejí tlakové a teplotní podmínky které prodělala hornina od začátku své metamorfní historie do své exhumace na zemském povrchu většina met. hornin je produktem více met. událostí, kt. po sobě následovaly a byly +- dokonale překryty mladšími pochody 20 Hlavní činitelé metamorfózy Fig 1-9 teplota geotermální gradient (gg) nárůst T na 1 km hloubky obv. 15-30 °C/km geoterma dT pod urč.částí povrchu Z z částí s různým gg T – pohon reakcí a rekrystalizace 21 obr_1_3.gif Geoterma vs. terénní metamorfní gradient Figure 1-9. Estimated ranges of oceanic and continental steady-state geotherms to a depth of 100 km using upper and lower limits based on heat flows measured near the surface. After Sclater et al. (1980), Earth. Rev. Geophys. Space Sci., 18, 269-311. geotermální gradient (gg): nárůst T na 1 km hloubky geoterma : dT pod urč.částí povrchu Z 22 Figure 21.1. Metamorphic field gradients (estimated P-T conditions along surface traverses directly up metamorphic grade) for several metamorphic areas. After Turner (1981). Metamorphic Petrology: Mineralogical, Field, and Tectonic Aspects. McGraw-Hill. Fig 21-1.jpg metamorphic field gradient - array of peak metamorphic (max T) experienced in a metamorphic terrain 23 Vztah metamorfóza – tepelný tok – tektonika termální modely orogenních událostí – „rychlé“ tektonické procesy vs. „pomalá“ tepelná relaxace porušené geotermy P-T dráha je odraz tektonického (termálního) porušení a jeho následného odeznění porušená (perturbed), normální a relaxovaná (relaxed) geoterma, dosažení stabilního stavu (steady state) geotermálního gradientu kondukcí skenování0009.jpg skenování0011.jpg 24 Vztah metamorfóza – tepelný tok – tektonika termální model – zahřátí desky na 1000 deg C na bázi nejdříve rychle naroste teplota, pak pomaleji až dosáhne stabilního stavu skenování0010.jpg Hlavní činitelé metamorfózy teplota zdroje tepla (W/m2) • tok tepla ze zemského pláště (kondukce) • teplo uvolněné při radioaktivním rozpadu v kůře (U, Th) • teplo přinesené magmatickými horninami (konvexe, advexe) • endotermní metamorfní reakce (řada dehydratačních reakcí) C:\Prednasky metpet Brno\JK ad Milan podz 02\obr\obr_1_4b.gif Variace povrchového tepelného toku měřeného v různých částech Země (a) ve vztahu k deskové tektonice (b). Podle Yardley (1989) C:\Prednasky metpet Brno\JK ad Milan podz 02\obr\obr_1_4a.gif Rozdíly tepelného toku v různých geotektonických kontextech (Konopásek et al. 1998) 25 26 zdroje tepla (W/m2) tektonika – pohřbení hornin (ztluštění kůry – příkrovy) relativní přemístění části zemské kůry vůči P a T gradientům (zdvih nebo pohřbení) nebo gradientů vůči kůře (intruze či snížení tepelného toku) skenování0008.jpg Deprese a elevace izoterm metamorfní facie a tektonika 27 Fig25-4.jpg Figure 25.4. Schematic cross-section of an island arc illustrating isotherm depression along the outer belt and elevation along the inner axis of the volcanic arc. The high P/T facies series typically develops along the outer paired belt and the medium or low P/T series develop along the inner belt, depending on subduction rate, age of arc and subducted lithosphere, etc. From Ernst (1976). Hlavní činitelé metamorfózy tlak litostatický tlak (confining pressure, všesměrný) P = rgh r- hustota hornin nadložního sloupce (granity 2,7, bazalty 3,0, peridotit 3,3 gcm-3) g – tíhové zrychlení (9,8 ms-2) h - hloubka používané jednotky: 1 bar = 105 Pa = 0,1 MPa 1 kbar = 0.1 GPa 1 bar = ca 1 kg/cm2, nebo odp. atmosférickému tlaku tlak v pneum. odp. 2–3 bary 07_04 2.6–3 tuny/m2 28 Bar je vedlejší jednotkou tlaku v soustavě SI. Bar je stále užíván pro svou názornost, neboť přibližně odpovídá starší jednotce tlaku jedné atmosféry, která odpovídala přibližně atmosférickému tlaku na hladině moře (fyzikální atmosféra), anebo hydrostatickému tlaku 10 m vodního sloupce (technická atmosféra).^[1] horniny kůry – z w3 - 2.6–3 tuny/m^2 Hlavní činitelé metamorfózy tlak litostatický tlak (confining pressure, všesměrný) mocnosti zemské kůry v km: oceanická – 5-10 kontinentální kratony – 35-40 kontinentální orogenní oblasti – 70-80 29 consisting mostly of granitic rock, continental crust has a density of about 2.7 g/ cm3 i.e. nárůst litost. tlaku o ca 1 kbar/3 km Hlavní činitelé metamorfózy tlak deviatorický tlak (stress) Ø nízký – neovlivňuje fázové rovnováhy Ø vznik orientované stavby v horninách 07_05b Slide21 07_12 30 P-T pole metamorfózy a geotekt. kontext 31 Fig. 25.3. Temperature-pressure diagram showing the three major types of metamorphic facies series proposed by Miyashiro (1973, 1994). Winter (2010) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. Fig-25-3.jpg Typická P-T pole pro metamorfózu hornin v některých geotektonických kontextech (Spear 1993) 32 PTt barrow metageol PTt.bmp PTt subd metageol.bmp http://all-geo.org/metageologist/ 33 Ultravysokotlaká metamorfóza UHP_PT1 coesite – c. 100 km diamond – c. 140 km much greater depth than reached in thickened crust UHP terranes: Kokchetav, Kazakhstan Rhodope, Greece Quinling Mts., China Saidenbachtal, Erzgebirge north Bohemian cryst. basement NBG D:\Taras\DIAMOND\DIAY\SMALL\GRAB21.WPG 200oC 400oC 600oC 800oC 1000oC ~160 km (bottom of the lithosphere) Stoeckhert et al. (2001) Cooling stage Cílem této animace je modelovat dráhu P-T odvozenou na základě petrologických metod. Cílem je dosáhnout shody těchto dvou drah – pak lze usuzovat na exaktní fyzikální parametry tohoto tektonického procesu, charakterizující stav a geometrii podsunované desky i časové rozpětí výzdvihu hornin. tepelný tok, tepelná vodivost, hustota média, rychlost procesu, sklon subdukované desky, rychlost deformace, gravitační zrychlení aj. Hlavní činitelé metamorfózy fluida H2O, CO2, O2, H2, F2, N2, CH4 a S Ø součást minerálů (slídy, amfiboly, karbonáty, sulfidy) Ø v pórech mezi jednotlivými zrny, popř. v inkluzích prográdní met. – uvolňovány (dekarbonizace, dehydratace) Ø ovlivňují fázové rovnováhy Ø přenášejí teplo Ø způsobují přenos hmoty a mohou měnit izotopické i chemické složení horniny 35 36 Typy metamorfózy – genetické klasifikace klasifikace podle převládajícího činitele termální met. (T) - různá měřítka dynamická met. (orientovaný tlak) – lokální, text. změny dynamicko-termální met. Slide10 37 Typy metamorfózy – genetické klasifikace klasifikace podle geologické pozice – pokrač. regionální metamorfóza orogenní metamorfóza horská pásma, konvergentní hranice desek vznikají horniny s foliací metamorfóza pohřbením anorogenní, tlakem nadloží, sed. pánve metam. oceánského dna horká hydrotermální fluida, diverg. Hranice metasomatóza (naboh. Mg-Na, ochuz. Ca-Si) 38 Typy metamorfózy – genetické klasifikace orogenní metamorfóza orogenyDB Figure 21-6. Schematic model for the sequential (a ® c) development of a “Cordilleran-type” or active continental margin orogen. The dashed and black layers on the right represent the basaltic and gabbroic layers of the oceanic crust. From Dewey and Bird (1970) J. Geophys. Res., 75, 2625-2647; and Miyashiro et al. (1979) Orogeny. John Wiley & Sons. často polyfázová (metam. i deform.) www.whitman.edu/.../winter/.../Ch%2021%20Int... 39 Typy metamorfózy – genetické klasifikace nklasifikace podle geologické pozice n regionální metamorfóza – velký rozsah n nkonvergentní desková rozhraní – vznik horských (orogenních) pásem + metam. nhorniny vzniklé za vyšších tlaků dnes na povrchu průměrně mocné kůry (35 km) n Þ regionální metamorfóza je důsledkem ztluštění kůry n nintrakontinentální kolize Þ barrovienská MP/MT metamorfóza n (Ky-Sill, orogenní) nsubdukce - subdukce lehké kontinentální kůry - pomalá n Kaledonidy, Variscidy, Himaláje n n subdukce oceánské kůry pod kontinent Þ HP/LT-MT met. n (modré břidlice,eklogity) n těžká oceánská kůra – rychlá subdukce n až UHP metamorfóza n n P-T pole metamorfózy a geotekt. kontext 40 Fig. 25.3. Temperature-pressure diagram showing the three major types of metamorphic facies series proposed by Miyashiro (1973, 1994). Winter (2010) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. Fig-25-3.jpg Typická P-T pole pro metamorfózu hornin v některých geotektonických kontextech (Spear 1993) 41 Typy metamorfózy – genetické klasifikace klasifikace podle geologické pozice lokální metamorfóza – omezený rozsah kontaktní aureoly (HT/LP) regionální kontaktní met. (mnohačetné intruze) kataklastická metamorfóza mylonitizace orientovaný tlak, vysoká rychlost deformace pseudotachylity, kataklazity (LT), mylonity (HT), fylonity (pokles T a fluida) šoková met. – impaktní krátery coesit, stishovit, pseudotachylity hydrotermální metamorfóza (horká fluida, LT/LP) 42 Typy metamorfózy – genetické klasifikace Figure 21-14. Geologic Map and cross-section of the area around the Skiddaw granite, Lake District, UK. After Eastwood et al (1968). Geology of the Country around Cockermouth and Caldbeck. Explanation accompanying the 1-inch Geological Sheet 23, New Series. Institute of Geological Sciences. London. Fig 21-14 kontaktní metamorfóza www.whitman.edu/.../winter/.../Ch%2021%20Int... P-T pole metamorfózy a geotekt. kontext 43 Fig. 25.3. Temperature-pressure diagram showing the three major types of metamorphic facies series proposed by Miyashiro (1973, 1994). Winter (2010) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. Fig-25-3.jpg Typická P-T pole pro metamorfózu hornin v některých geotektonických kontextech (Spear 1993) Metamorfní dráhy PTt základní koncept: rovnovážné asociace v metamorfované hornině odrážejí Tmax ÞÞ stanovení P-T podmínek vrcholu metamorfózy metamorfované horniny zaznamenávají sled rovnovážných stavů ÞÞ odvození dráhy P-T minerální asociace je soubor minerálů které spolu koexistují v rovnováze v jednom stádiu vývoje horniny 44 DIA101.JPG Dia204a.jpg Rovnovážná minerální asociace 45 46 nPostupy a indikátory konstrukce drah P-T Ø inkluze Ø reakční struktury Ø diagramy P-T-X Ø zonalita minerálů Dia43b.jpg T7 D1 in Ky scale cut 47 nPostupy a indikátory konstrukce drah P-T Ø inkluze Ø reakční struktury Ø diagramy P-T-X Ø zonalita minerálů grtLUA3.jpg Dia33b.jpg Dia15b.jpg Dia31b.jpg Dia34b.jpg 48 nAnalýza vztahu krystalizace a deformace skenování0007.jpg rozlišení pre-, syn- a post-kinematických minerálů (asociací) 49 metasedimenty (proč?) e.g. Connemara schist (Cornamona, Co. Galway, Ireland) Connemara schist Metageologist PTt.bmp http://all-geo.org/metageologist/ 50 nAnalýza vztahu krystalizace a deformace dia 1.jpg dia 3.jpg dia 4.jpg 51 dia 8.jpg dia 5.jpg dia 6.jpg dia 7.jpg 52 Fig-25-9.jpg Fig. 25.10. Typical mineral changes that take place in metabasic rocks during progressive metamorphism in the medium P/T facies series. The approximate location of the pelitic zones of Barrovian metamorphism are included for comparison. Winter (2010) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. 53 Dia44b.jpg Dia48b.jpg Dia37b.jpg Dia47b.jpg 54 nPostupy a indikátory konstrukce drah P-T Ø inkluze Ø reakční struktury Ø diagramy P-T-X Ø zonalita minerálů obr_3_9.gif T_X Whitney.bmp Petrogenetická mřížka, ultrabazické horniny. Konop. et al. 1998 Whitney Metamorphic T-X Phase Diagrams For some rock compositions, metamorphic assemblages vary greatly depending on the composition of the fluid present. Metamorphic fluids are generally dominated by H[2]O and CO[2], and the ratio H[2]O:CO[2] can control mineral stability. So, phase equilibria are plotted on T-X diagrams instead of P-T diagrams. (X refers to the mole fraction of [2] or H[2]O in the metamorphic fluid that is present.) 55 nPostupy a indikátory konstrukce drah P-T Ø inkluze Ø reakční struktury Ø diagramy P-T-X Ø zonalita minerálů garmap1a.JPG Dia28b.jpg Fe P Ca Mg Alm Prp Grs Sps core rim rim 56 tab1 Zonalita minerálů a dráha P-T 57 Prográdní zonálnost (prograde or growth zoning) – e. g. granát -lze využít k rekonstrukci části dráhy P-T -vznik prográdní zonálnosti granátu v důsledku kontinuální reakce Common end members: ● Pyrope Mg3Al2Si3O12 ● Almandine Fe3Al2Si3O12 ● Spessartine Mn3Al2Si3O12 ● Andradite Ca3Fe2Si3O12 L429grt (a)Typical growth zoning: ● Mn+/-Ca-rich core ● Mg increases towards rim ● Fractionation process ● Temperature < ~650 °C Fig. 1. Prograde growth zoning in a garnet from a lower-grade part of High Himalaya, Ref: Waters webpage. 58 Retrográdní zonálnost (retrograde zoning) - výměna prvků během chladnutí po vrcholu metamorfózy - vzniká difuzní profil na okraji zrn (minerál s pomalejší difusí) - vrcholné podmínky metam. mohou být zachovány v jádrech minerálů (b) Typical diffusion zoning: ● Pre-existing garnet changes composition via diffusion ● Mg decreases and Mn enriches towards rim ● More extensive in high-grade rocks ● Temperature > ~600 °C zd52grt Fig. 2. Retrograde diffusion zoning in a garnet from a high-grade part of High Himalaya, Ref: Waters webpage. 59 fig1 fig2 Fig. 3a. X-ray maps showing the distribution of elements in a garnet from SW New Hampshire, USA. Dark areas are low and light areas are high concentrations. Fig. 3b. Line traverse along line shown in the Fig. 3a, showing the variation of elements in a 1-dimensional traverse. Spear, 1993. Metamorphic phase equilibria and P-T-t path. 60 Diffusion to the interpretation of geothermometry in high-grade rocks: @ Equilibrium compositions are meaningful in thermometry calculation and may obtain real metamorphic peak P-T conditions in high-grade rocks. @ Disequilibrium compositions resulting from chemical zoning may produce apparent or lower temperatures than real peak values. e.g. in Fig. 4, G1-B1 garnet-biotite composition pairs normally yield peak metamorphic conditions, whereas G1-B2 composition pairs are not in equilibrium and usually produce lower values. 61 Fig 27-12 Figure 27-12. Chemically zoned plagioclase and poikiloblastic garnet from meta-pelitic sample 3, Wopmay Orogen, Canada. a. Chemical profiles across a garnet (rim ® rim). b. An-content of plagioclase inclusions in garnet and corresponding zonation in neighboring plagioclase. After St-Onge (1987) J. Petrol. 28, 1-22 . 62 Winter Figure 27-13. The results of applying the garnet-biotite geothermometer of Hodges and Spear (1982) and the GASP geobarometer of Koziol (1988, in Spear 1993) to the core, interior, and rim composition data of St-Onge (1987). The three intersection points yield P-T estimates which define a P-T-t path for the growing minerals showing near-isothermal decompression. After Spear (1993). P-T-t Paths Fig 27-13 63 Metody odvození P-T podmínek npetrogenetické mřížky - - - n nutné detailní studium výbrusů low/high strain domains (zóny velké a malé deformace) typy metamo. změn (metamorfní krystalizace, texturní změny, chemismus) chemické reakce – fázové změny – prográdní, retrográdní minerální asociace zjištění chemického složení minerálů – elektronová mikrosonda kvalitativní odhad vývoje hornin na zákl. pozorovaných met. reakcí geotermobarometrie kvantitativní určení P a T vrcholu metamorfózy a dalších stádií vývoje hornin studium metamorfovaných hornin Þ zjistit P-T-X podmínky jednotlivých metamorfních pochodů 64 Chemická rovnováha v metamorfóze n nchemická rovnováha – atomy v systému dosáhnou po určitém čase nejstabilnějšího uspořádání za daných P a T podmínek, a byť jsou v pohybu a mohou se měnit mezi fázemi, celk. objemu či složení každé fáze se dále s časem nemění n s, l, f dle složení systému a podmínek n n n equilibrium chem.bmp equil amount.bmp 65 Chemická rovnováha v metamorfóze n nfázové pravidlo – určuje kolik fází může stabilně existovat v systému (hornině) n fáze = látka s odlišnými fyzikálními a chemickými vlastnostmi (např. Pl, vs. Ab, An) n n F = C – P + 2 nF – počet nezávislých stupňů volnosti systému (indep. degrees of Freedom) nC – počet chem. složek (No of Components: e. g. Al2O3-SiO2) nP – počet fází (No of Phases, i.e. minerals) n n nC = 2: Al2O3-SiO2 nP = C: F = 2, divariant field nP = C + 1: F = 1, univariant n curve nP = C + 2: F = 0, invariant point obr_3 invariant.gif zobrazení metam. reakcí do fázových trojúhelníků fáze jsou fyzicky oddělitelné čím větší počet fází, tím lépe určené podmínky – menší počet stupňu volnosti pokud příliš mnoho, nemusí být součástí stabilní asociace 66 Typy metamorfních reakcí n n nnespojité (discontinuous) – linie na P-T diagramu, eg Ky=Sil n n nwww Whitney n n n n nspojité – continuous - reaktanty a produkty stabilní v intervalu P a T (ale jejich složení se systematicky mění při změně podmínek), typ. v geologii n n reakce mezi pevnými fázemi (solid-solid reactions) často spojité n protože se mění složení fází (pevné roztoky = solid solution), větš. přímky n vs. dehydratace či dekarbonace - net transfer reactions, křivky n Ky in Andal Whitney.bmp Alumosil PT Whitney.bmp podle průběhu reakce 67 Typy metamorfních reakcí nvýměnné reakce (exchange reactions; continuous) = termometry 1.chemické složky se vyměňují mezi fázemi 2.only involve the exchange of two elements between two minerals and do not affect the mineral modes, e.g. Fe-Mg exchange between garnet and biotite: n Fe (in garnet) + Mg (in biotite) = Mg (in garnet) + Fe (in biotite) n almandine+phlogopite=annite+pyrope nnet transfer reactions (continuous or discontinuous) = barometry 2.chemické složky přenášeny od jedné fáze k druhé (druhým) 3.involve production and consumption of minerals, which affect modal proportions n anorthite = grossular + kyanite + quartz . n nmalá závislost na T malá závislost na P nvelká D V velká D S a D H 1. skenování0006.jpg podle důsledku výměn HT podle průběhu spoj.-nespoj., důsledku výměn- exchange a net transfer net transfer = reakce se vzajemnym prenosem - mohou být jak spojité, tak nespojité 68 Typy metamorfních reakcí nDiskontinuální reakce – univariantní křivky n n1. terminálové reakce - reaktantem či produktem je pouze jedna fáze 1.the creation of a new phase from two or three other phases, or (in the other direction) the decomposition of one phase into two or three others chloritoid = staurolite + garnet + chlorite n n n AFM loss Crd anim Whitney.bmp AFM terminal Cld LT.bmp AFM terminal Cld HT.bmp http://serc.carleton.edu/research_education/equilibria/reactioncurves.html 69 Typy metamorfních reakcí n n2. reakce charakteriz. křížením spojovacích linií – stabilizace nového minerální páru n two phases becoming stable together that were previously unstable together, and vice versa. n chlorite + garnet = biotite + staurolite n n AFM tie line flip HT.bmp AFM tie line flip LT.bmp http://serc.carleton.edu/research_education/equilibria/reactioncurves.html Kony – jeden minerál z reaktantů zkonzumován, vytvořen jiný – tzn. (JK) asociace různých trojic minerálů včetně jednoho zbylého podle bulku? 70 Petrogenetické mřížky A petrogenetic grid shows all the reactions that will occur in a model system (e.g., ASH, or Al2O3-SiO2-H2O). However, some bulk compositions will not "see" those reactions. sestaveny na zákl. experimentálně kalibrovaných reakci n. vypočteny na zákl. termodynamických dat shrnutí možných invariantních bodů a mezi nimi ležících metamorfních reakcí v určeném chemickém systému možnost umístění zjištěných minerálních asociací do specifických P-T polí lze sledovat změny minerálních asociací s měnícím se P a T v jednotl. divar. polích dochází ke kontinuálním reakcím tzn. ke změně chem. složení zúčastněných fází 71 Petrogenetické mřížky obr_3 invariant.gif distsill2.jpg distsill1.jpg obr_6_6.gif CMASH mřížka pro bazické horniny (Konop.) Yardley 1989 72 nmetapelity vliv celkového složení hornin na pozorované asociace n n n n obr_7_8 KFASH/KMASH systém – vztahy mezi reakcemi koncových členů obr4_1z orig.gif KFMASH – spojité+nespojité reakce – zohlednění vlivu kontinuálních Fe-Mg reakcí na fázové vztahy KFASH – čárk., KMASH - tence (Spear a Cheney 1989) Změna Fe/Mg a minerálních asociací při prográdní metamorfóze pelitů - video 73 nPráce s petrogenetickou mřížkou n n n obr_5_4.gif Mřížka pro pelity s dvěma rozdílnými P-T drahami. Dráha A je typická pro oblasti kontinentální kolize, dráha B pro kontaktní metamorfózu. Spear 1993 in Konopásek et al. 1998 74 nPráce s petrogenetickou mřížkou n n n obr_7_2.gif Diagram P-T pro systém SiO2-MgO-H2O vypočtený z termodynamických dat Bermana et al. (1985) a Bermana (1988). Spear 1993 ultramafické horniny 75 nPráce s petrogenetickou mřížkou n n n obr_7_3.gif Diagram P-T pro systém SiO2-MgO-CaO-H2O vypočtený z termodynamických dat Bermana et al. (1985) a Bermana (1988). Spear 1993 ultramafické horniny 76 Geotermobarometrie n n- znalost PT – určení kde a jak hornina vznikla (e.g. tektonické prostředí) n- metam. stupeň, indexové minerály (ne všude), metam. facie – není info o tlaku n- kvalitativní metody nepřinášejí info současně o P i T, často minimál. podmínky n nkoncept: složení koexistujících minerálů v rovnováze n mají vztah k P a T n prostřednictvím termodynamických vlastností minerálů n npro použití asociací vznikajících reakcemi citlivými na teplotu = termometrů n a na tlak = barometrů n nutno znát: složení všech minerálů s proměnlivým složením (e.g. s.s.) n termodynamická data pro dané fáze n kalibrace umožňující vztáhnout složení minerálů k P či T 77 Typy rovnovážných reakcí nvýměnné reakce (exchange reactions; continuous) = termometry 1.chemické složky se vyměňují mezi fázemi 2.only involve the exchange of two elements between two minerals and do not affect the mineral modes, e.g. Fe-Mg exchange between garnet and biotite: n Fe (in garnet) + Mg (in biotite) = Mg (in garnet) + Fe (in biotite) n almandine+phlogopite=annite+pyrope n nnet transfer reactions (continuous or discontinuous) = barometry 2.chemické složky přenášeny od jedné fáze k druhé (druhým) 3.involve production and consumption of minerals, which affect modal proportions n anorthite = grossular + kyanite + quartz . n nmalá závislost na T malá závislost na P nvelká D V velká D S a D H 1. skenování0006.jpg Obr_3_7.gif malá závislost na T velká D V malá závislost na P podle průběhu spoj.-nespoj., důsledku výměn-net transfer net transfer = reakce se vzajemnym prenosem - mohou být jak spojité, tak nespojité 78 Geotermobarometrie n nzaložena na rovnovážných reakcích nrovnováž.konstanta/distribuční koeficient = f(P,T) nurčuje jednu linii na diagramu P-T n nDG = D H - TDS + (P-1)DV 1. a 2. zákon termodynamiky n DGP,T = 0 rovnováha systému (reakční křivka v P-T) n n 0 = DH0 – T DS0 + (P-1) dV0+ RT ln K P,T závislost rovnováž. konstanty n Alm + 3Rt = 3 Ilm + Alsil + 2 Qtz (GRAIL) n Keq = aIlm3 aAlsil aQtz2/ aAlm aRt3 = aAlm + aRt3- aIlm3- aAlsil - aQtz2 n a = g X (čisté koncové členy = 1, ideální míšení = XA) n n distribuční koeficient Kd – pro výměnné reakce n Alm + Phl = Prp + Ann (Fe-Mg Grt-Bt) n KD = XMgGrt XFeBt/XFeGrtXMgBt = (Mg/Fe)Grt/(Mg/Fe)Bt skenování0002.jpg Grt-Bt 79 Aktivita nv termodynamice nutno zvažovat složení minerálů- to je v přírodě různé nhodně min. = pevné roztoky, vzácně jen koncové členy eg. Grs, Prp,… ndalší složky rozšiřují pole stability minerálu n naktivita – k popsání variability složení minerálů a vliv složení na stabilitu n termodynamická vlastnost n hodnoty popisující reaktivitu určitého koncového členu (e.g. Grs) n a = 0 (vel. nízká koncentrace) = 1 (čistý minerál) n závisí na složení ale i P a T npříklad: Alm82Prp9Grs6Sps1 – aGrsGrt = 0,06 pro ideální roztok n nkoeficient aktivity - neideální míšení tj. interakce mezi prvky v různých krystalograf. pozicích mající vliv na energii systému (odchylky objemu a G míšení) n a = g X f(P,T,X), určení na zákl. experim. a termodyn. výpočtů n nmodely aktivity – Gmix + Gexcess, symetrické a asymetrické modely míšení n n n n n n n n složení minerálů obvykle vyjadřované v molárních zlomcích (molar fractions) 80 Jak používáme modely aktivity nhodně reakcí v horninách zahrnuje pevné roztoky naktivity a modely aktivity nutné pro smysluplné termodyn. výpočty nnutné pro gtbm i pro thermodyn. modelování (programy) n n n n n n n n n n n n GASP pure phases Whitney.bmp GASP K Whitney.bmp K GASP zlomek.bmp rovnice GASP.bmp čisté fáze a = 1 příklad: 3 anorthite = grossular + 2 kyanite + quartz reakční produkty/reaktanty Equilibria for the GASP barometer showing contours for lnK. rovnováha aQtz i aKy =1 aGrs, aAn < 1 složení minerálů obvykle vyjadřované v molárních zlomcích (molar fractions) 81 Jak používáme modely aktivity GASP K Whitney.bmp Equilibria for the GASP barometer showing contours for lnK. Pl An20: XAnPl = 0,2 Grt 8 mol % Grs: XCaGrt = 0,08 < 1 K = 0,08/23 = 10 pro 500°C – P = 0,8 GPa složení minerálů obvykle vyjadřované v molárních zlomcích (molar fractions) 82 nkalibrace experimentální – měření K jako funkce P a T, idealizované systémy n empirické - měření K v přírod. asociacích, kde P a T zjišť. jinak n termodynamické n n n n n n n skenování0004.jpg skenování0014.jpg závislost distribučního koeficientu na teplotě (termometr Grt-Bt Ferry a Spear, 1978) různé rovnováhy různý sklon P-T linie ÞÞ průsečík rovnováh = bod P-T P-T diagram s výsledky termometrie Grt-Bt a barometrie GASP 83 ntermobarometrie konvenční – jednotl. termometry a barometry n výměnné termometry (záměnné reakce, exchange thermometers) výměna prvků (zejm. Fe a Mg) mezi dvěma koexistujícími minerály distribuční koeficient KD = (Fe/Mg)A/(Fe/Mg)B Grt-Bt, Grt-Crd, Grt-Cpx, Grt-Hb, Grt-Chl, Grt-Opx, Grt-Ol, Bt-Tour, Grt-Ilm (Fe-Mn) solvní termometry (solvus thermometers) distribuce prvků v rámci solvu, pro isostrukturní fáze (založeno na mísitelnosti minerálů za různých teplot) 2 Px, 2 Fs, Clc-Dol, Ms-Pg kontinuální reakce (net-transfer reactions) při reakci se mění složení, struktura a někdy i počet fází, velké změny objemu reaktanty a produkty koexistují přes velký interval P-T Grt-Pl-Qtz-Al2SiO5 (GASP, Grt-Pl-Ms-Bt, Grt-Pl-Hb-Qtz, Grt-Pl-Ol, Grt-Pl-Opx/Cpx-Qtz, Grt-Pl-Rt-Ilm-Qtz (GRIPS), Grt-Rt-Ilm- Al2SiO5-Qtz (GRAIL), Grt-Crd-Sill-Qtz, Px-Ol-Qtz, Px-Plg-Qtz, Phengite 84 ntermobarometrie konvenční – jednotl. termometry a barometry n TBM various serc carleton edu.bmp 85 n- výpočet fázových diagramů pro modelové systémy n- geotermobarometrie - n Gibbs – PT ze zonality minerálů aj. (Spear 1989, 1991) n TWQ (Berman 1991; 2007) (ex-GEO-CALC - Berman et al. 1987) n THERMOCALC (Powell – Holland v. 3.33 2009, dataset 1990,98; 2007, 2011 n PERPLEX (Connolly 1990, 2005) n Theriak-Domino (De Capitani 2010) n MELTS n n Při využití výše uvedených metod je nutné počítat s jejich nepřesností a zároveň je velmi nutné založit studium na petrogenetických mřížkách. nhttp://serc.carleton.edu/research_education/equilibria/advancedmodeling.html termodynamické modelování použ. vnitřně konzistentní termodynamické databáze. 86 nTWQ is an easy to use Windows based program that allows you to calculate the position of phase equilibria in P-T, T-XCO2, and P-XCO2 space. You can also use it to calculate various activity diagrams . Berman 2007 nhttp://geogratis.gc.ca/api/en/nrcan-rncan/ess-sst/259c8635-73bc-5fb2-8ced-6346bf9eb899.html n n n TWQ1.bmp TWQ3.bmp Figure 1. Muscovite dehydration reaction calculated by winTWQ. Figure 2. Six reactions (three independent) calculated by winTWQ for sample 90A from Mt. Moosilauke, New Hampshire (Hodges and Spear, 1982). Figure 3. T-XCO2 diagram in the CMSH system calculated by winTWQ . TWQ2.bmp 87 n n n THERMOCALC is thermodynamic calculation software for tackling mineral equilibria problems. It has two main components: the application itself, and the internally-consistent thermodynamic dataset it uses. The mineral equilibria problems that can be addressed with THERMOCALC include inverse modeling ones (geothermometry/barometry using average PT), and forward modeling ones (calculating phase diagrams for model systems). R. Powell, T. Holland http://www.metamorph.geo.uni-mainz.de/thermocalc/ PERPLEX is a command-line-driven software package that performs Gibbs energy minimization to create phase diagrams and pseudosections. It has the ability to use a wide range of thermodynamic databases, activity models, and fluid equations of state. Its chief asset is the very rapid ability to produce pseudosections. The chief limitations are that the calculation method may introduce small artifacts into the diagrams, and it cannot at this time incorporate the ''equipartition constraint'' of some THERMOCALC activity models, producing minor inconsistencies between the results. J. Connolly http://www.perplex.ethz.ch/ 88 n Fig. 1. Petrogenet. mřížka: P-T projection for KFMASH (+mu + q + H2O); the in-excess phases are not included in the reactions labeling the univariant lines, as is usual for such diagrams. n Fig. 2. AFM compatibility diagram for KFMASH (+mu + q + H2O) at P = 6 kbar and T = 560°C. n n Fig. 3. P-T pseudosection in KFMASH (+mu+q+H2O) for a "common" pelite composition: Al2O3 = 41.89, MgO = 18.19, FeO = 27.29, and K2O = 12.63 (in mol%). n Fig. 4. T-x pseudosection in KFMASH (+mu+q+H2O), for a composition line along which FeO:MgO varies, with X = FeO/(FeO+MgO), and Al2O3 = 41.89, FeO + MgO = 45.48, and K2O = 12.63 (in mol%). This composition line goes through the composition used in Fig. 3. n n THERMOCALC Thermocalc 1 L.bmp Thermocalc 2 L.bmp Thermocalc 4 L.bmp Thermocalc 3 L.bmp Výpočet fázových diagramů 1 2 3 4 Výpočet průměrné P-T Phase Diagram Calculations Projections show stable invariant points and univariant reaction lines for all of the bulk compositions in a model system (e.g. petrogenetic grids) (Fig. 1). Compatibility diagrams show the mineral assemblages and ranges of mineral solid solutions at a specified P and T, for all the bulk compositions in the model system (e.g. AFM diagrams) (Fig. 2). Pseudosections show just those phase relationships for a specified bulk composition (Fig. 3). Axes can be P and T, or may reference a particular bulk composition line X (Fig. 4). Average PT Calculations With the existence of thermodynamic data for a wide range of end-members in rock-forming minerals, thermobarometry may involve combining many equilibria to find the PT of formation of a rock. In finding a PT of formation, there is an implied displacement of the equilibria to coincide with this PT. These displacements are mainly made by varying the activities of the end-members of the minerals, in proportion to their uncertainties. As a consequence, the equilibria are constrained to move in a more or less highly correlated way because the equilibria involve overlapping subsets of the end-members. These essential correlations should be included in any thermobarometry calculations. Such an optimal approach allows PT, their uncertainties, and a range of diagnostics for outlier identification, to be calculated in a computationally inexpensive way. 89 Srovnání THERMOCALC a PERPLEX perplex_tx pseudo.bmp thermocalc pseudo.bmp pelitic bulk composition, same activity models, some differences Perplex excellent for pre-visualizing pseudosections that can then be made using THERMOCALC: in TH impossible, one must know in advance which minerals to consider. The THERMOCALC calculation did not consider sanidine, but the Perplex results show a reaction Ms+Qz = Sil + Kf + H2O at around 620°C and 2 kb (0.2 GPa). If sanidine had been considered, then the THERMOCALC results would include the extra fields shown in the Perplex pseudosection. The THERMOCALC calculation did not consider sanidine, but the Perplex results show a reaction Ms+Qz = Sil + Kf + H[2]O at around 620°C and 2 kb (0.2 GPa). If sanidine had been considered, then the THERMOCALC results would include the extra fields shown in the Perplex pseudosection. 90 nTHERIAK-DOMINO is a suite of programs that can be used for calculating equilibrium phase diagrams (pseudosections: phase diagrams that include only those reactions experienced by a particular bulk composition) and for a number of other kinds of calculations. It is an easy to use package of programs that comes with several different internally consistent thermodynamic data sets. de Capitani http://titan.minpet.unibas.ch/minpet/theriak/theruser.html n n n n n n n n n n n n nEquilbrium phase diagram calculated by Theriak-Domino. Unlike a conventional phase diagram, in this kind of diagram the stability fields of assemblages are labeled, not reaction lines. n n n n n n Theriak.bmp 91 npetrogenetic grid shows all the reactions that will occur in a model system n However, some bulk compositions will not "see" those reactions. n n part of the Al2O3-SiO2-H2O (ASH)system (D. Perkins) n n n n n n n n n n nFor example, the diagram on the left above is a standard PT phase diagram for the Al2O3-SiO2-H2O (ASH) system. The diagram on the right is a pseudosection for one particular composition (shown by the red dot in the inset triangular diagram). The PT diagram shows reactions; the pseudosection shows fields of different stable phase assemblages. n petrogen grid Whitney.bmp pseudosection Whitney.bmp petrogenetic grid pseudosection 92 n n n n nMELTS is a software package designed to model phase (mineral, rock and liquid) relations during melting and crystallization. MELTS can be used to model processes such as partial melting, equilibrium crystallization, fractional crystallization, and assimilation. Users can compute equilibrium phase relations for igneous systems over the temperature range 500-2000 °C and the pressure range 0-2 GPa (0-~65 km; 20 kb). http://melts.ofm-research.org/ n n n n n 93 Postup při určení P-T podmínek rovnováhy - použití gtb a interpretace výsledků určení rovnovážných minerálních asociací v hornině nerovnováha = reakční struktury, zonalita minerálů rovnováha složitější – rovné kontakty mezi fázemi In practical work with metamorphic rocks it is impossible to demonstrate that a given mineral assemblage once coexisted in chemical equilibrium. Therefore, one uses a less rigorous definition: a mineral assemblage is an association of mineral species in mutual grain contact. Bucher-Grapes 2011 94 Table 2.4 Practical determination of a mineral assemblage Mineral Staurolite Garnet Biotite Kyanite Staurolite X X X X Garnet X X X Biotite X X Kyanite X A cross in the Grt–St cell means; garnet and staurolite have mutual grain contacts in thin section The group of minerals that make up a rock at equilibrium is designated as the equilibrium mineral assemblage or equilibrium phase assemblage. The succession of mineral assemblages that follow and replace one another during the metamorphic evolution of a given terrain are designated mineral parageneses. Bucher-Grapes 2011 95 Postup při určení P-T podmínek rovnováhy – použití geotermobarometrie a interpretace výsledků měření složení koexist. minerálů - elektronová mikrosonda (EMP) výpočet distribučního koeficientu Kd, příp. rovnovážné konstanty Keq s použitím vhodného modelu vztahu aktivity a složení výběr vhodné kalibrace (rozmezí složení fází, podmínek kalibrace) D H, DS, DV, popř. DCP (DCV) – z experimentů či termodynamických tabulek do P-T diagramu vyneseme linii s konstantním Keq – hornina ekvilibrovala za podmínek podél této izoplety pokud je k dispozici další rovnováha, vyneseme ji, a průsečík dává P-T 96 Interpretace – pozor na: opravdu minerální složení odpovídají rovnovážné koexistenci? testy rovnováhy - rovnováhu nelze dokázat, lze ji jen vyvrátit reekvilibrace – průběh spojitých reakcí – odráží se na zonalitě minerálů výměnné reakce – na kontaktu minerálů TC (Fe-Mg Grt-Bt 525-580°C), v jádrech vyšší T ale ne nutně „peak“ net transfer reakce – složení mění všechny minerály ODLIŠNÁ ZONALITA analyzovat zonalitu a snažit se přiřadit správné části minerálů k sobě komplikace i difuzní homogenizace minerálů (Grt) – jádro už nemusí mít složení odpovídající vrcholu met. důležitými faktory ovlivňujícími složení minerálů při výměnných reakcích: - rychlost difuze v obou minerálech - rychlost ochlazování - velikost zrn 97 fig6 Fig. 4. Diagrams illustrating the change in Fe/(Fe+Mg) for garnet and biotite during retrograde reactions (Spear, 1993; Kohn & Spear, 2000). G1-B1 shows peak metamorphic compositions, while G2-B2 and G2-B3 are retrograde compositions. T0 is metamorphic peak, t∞ is final zoning profile. Retrograde diffusive exchange and reaction: e.g. garnet. 98 Popis drah PT PTt.bmp Whitney Figure 1. A common pressure-temperature path for regional metamorphism. The rate of prograde metamorphism (heating) and rate of retrograde metamorphism (cooling) may not be the same. The duration of the path from start (onset of metamorphism) to finish (exposure of the rock at the Earth's surface) will vary from rock to rock depending on the tectonic history 99 Popis drah PT clockwise (CW) – po směru hodinových ručiček pohřbení, subdukce anticlockwise (CCW) – magmatická akrece na bázi kůry důležitost prográdní části dráhy PT – u vysoce met. hornin nebývá zachována retrográdní část: izotermální snížení tlaku (isothermal decompression, ITD) charakt. pro tektonickou exhumaci kůry po ztluštění/subdukci izobarické chladnutí (isobaric cooling, IBC) konečná fáze různých procesů – důlež. prográdní část 100 Popis drah PT PTt ruzne Whitney.bmp Figure 2. Common P-T paths, including (a) Clockwise versus counterclockwise paths, (b) Paths with similar vs different prograde and retrograde segments, and (c) Paths with coincident maximum P and T conditions vs paths with very different maximum P and T conditions. Note that the T maximum is known as the 'peak' of metamorphism. tvar a průběh PT dráhy, rychlost met. procesů a trvání metamorfózy = f (zdroj tepla, mechamismus pohřbení a výzdvihu) tedy průběh dráhy P-T dává info o hybných silách metamorfózy 101 n fig7 Fig. 7. Two types of P-T paths for post-peak P-T history for most granulites over the world (Harley, 1989): (a) near isothermal decompression (ITD) P-T paths; (b) near isobaric cooling (IBC) paths. 102 skenování0013.jpg Harley 1989 n 103 http://web.eps.utk.edu/~faculty/deane/Geology101/101_Chap8_MetamorphicRocks.pdf PTt a tektonika konvergence oceán-kontinent 104 105 P–T path of La Melada metagabbros (solid line). P-T paths (1) and (2) are those reported for mylonitic rocks from the Pringles Metamorphic Complex by Delpino et al.(2007) and for El Arenal metagabbro by Cruciani et al.(2008), respectively. T1, T2, T3, T4 episodes of deformation according to Delpino et al.(2001, 2007). See text for Cruciani et al. 2011 EJM CCW underplating.bmp CCW pro magmatickou akreci na bázi kůry 106 fig4a fig4b fig4e Chen etc, 1998, J Metamorph Geol, 16, 213-222. Fig. 8a. Garnet porphyroblast and the symplectite asemblage in a felsic granulite from Dabie Shan, China. Fig. 8b. Zoning profiles of the garnet in Fig. 8a. ● I: Xsps decreases, Xpyr increases, growth zoning. ● II: Xsps and Xalm increases, Xpyr and Xgrs decreases, retrograde diffusive zoning. Příklad – PT ze zonality minerálu 107 fig4c fig4d Fig. 9. Backscattered eclectronic image of the garnet porphyroblast (a) in Fig. 8a and its corresponding X-ray map of Mg element for the same garnet (b). Chen etc, 1998, J Metamorph Geol, 16, 213-222. 108 n fig4f fig4g Fig. 10a. Peak P-T estimates via (1) geothermometry and (2) geobaro- metry. ● peak P-T conditions: P=13.5 kb, T=850 °C. ● post-peak P-T conditions: P=6.0 kb, T=700 °C. Fig. 10b. P-T path derived from the garnet growth zoning and the symplectite assemblages coupled with the retrograde garnet zoning. Chen etc, 1998, J Metamorph Geol, 16, 213-222. 109 Tectonic implications: Garnet growth zoning formed during prograde P-T stage, prior to peak metamorphism. Clockwise P-T path with prograde heating and post-peak near isobaric cooling reflects a typical collisional tectonics in Dabie Shan orogeny. Garnet growth zoning suggests a short residence time for the granulite at peak metamorphism, whereas retrograde diffusive zoning indicates a rapid tectonic uplift history. The rapid tectonic uplift may be correlated with unroofing of ultra- high pressure eclogites in the area. 110 P-T-time skenování0025.jpg čas – absolutní, datování minerálů = radiogennní izotopy - geochronologie termochronologie – T-t vývoj hornin Spear 1993 s. 711 Tc – closure temperature – T uzavření izotopického systému ü HT - radiogenní dceřinné produkty unikají z mřížky min. (difuze) ü měřené stáří odpovídá TC = uzavření systému – dceřinný produkt dále neuniká ü TC charakteristické pro každý minerál, izotopický systém závisí na rychlosti chladnutí dodson 0001D065 Macintosh HD ABA78158: Spear 1993 s. 718 Diffusion constant D: becomes small to very small with decreasing T, but never zero. I.E. no real closure, but a limit below which diffusion is negligible. Diagraams of Dodson: Upper diagram: temperature evolution with time Lower diagram: nimber of daughter nuclide R is shown, which are conserved in the system during the same time interval. At time t[C], diffusion is negligible. t[C] is estomated using a linear function. ülze učit cooling path = průběh chladnutí Teploty chladnutí garnet7 retrograde 0001D065 Macintosh HD ABA78158: Closure temperatures: biotite (K-Ar, Rb-Sr): 300°C muscovite K-Ar: 350-400°C muscovite Rb-Sr: 500°C hornblende K-Ar: 550°C datují chladnutí Application of cooling curves: transformation into exhumation curves! Reconstructing rates of exhumation to conclude on the tectonic process! block temp Chesley 0001D065 Macintosh HD ABA78158: Teploty krystalizace a chladnutí ü cíl – mít informace v co největším rozsahu teplot : 900 - 50°C üzirkon a monazit mají „teplotu chladnutí“ vyšší než realistické a tudíž registrují krystalizaci ü minerály s nejvyšší TC mají pomalejší difuzi, tzn. reagují nejpomalelji na měnící se okol. podmínky a zaznamenávají staré stupně vývoje : zirkon U-Pb Exhumation, erosion, basin evolution, neotectonic movements are modelled using apatite fission-track and U-Th/He age data. U-Pb datování: zirkon concordia inheritance 0000A197 Macintosh HD ABA78158: konvenční datování (rozklad, TIMS) – frakce či jednotlivá zna konkordie, diskordie, zděděná stáří The discordia is in this case a 2-component mixing line. It cannot be distinguished a priori from a lead loss line: knowledge of regional geology is required zir inheritance 0000A197 Macintosh HD ABA78158: cathodoluminescence picture měření in-situ – SIMS nutno více měření, menší přesnost SHRIMP-conv. b/w 0000A197 Macintosh HD ABA78158: U-Pb datování: zirkon Comment on following points: 1) SHRIMP: imprecise single spot ages, clustering to get precise means. Not precise to get difference of concordant vs. discordant, Spatial resolution is < 25µm 2) ID-TIMS: very precise, 3-4 analyses yield an error of ±0.5 Ma vor this age range. But: no spatial resolution, t least not well controlled (abrasion, breaking off tips etc). garnet1 section drawing 0000978E Macintosh HD ABA78158: - no inclusions (monazite, zircon) - overgrowth of different generations - sluggish diffusion kinetics - diffusion depending on (variable!) chemical composition - diffusion well known for divalent cations (Fe, Mg, ...) less known for trivalent cations such as Sm and Nd - how can we relate P-T data to results of age determinations? Garnet may grow so large that core - rim relationships may be dated separately Evidence for prograde growth? Example from the Alps: prograde garnet growth ages were proposed. garnet5 prograde 0000978E Macintosh HD ABA78158: Vance, D. & O'Nions, R.K. (1992) Prograde and retrograde thermal histories from the central Swiss Alps. Earth Planet. Sci. Lett. 114, 113-129 Garnet, the perfect mineral to date metamorphic rocks? Sm-Nd datování: granát How fast does garnet grow? Why is the progarde path so important: most systems are re-equilibrated on the retrograde path (closure of the systes, we will treat in detail tomorrow) 117 2 modely pro ztluštění kůry oba = vmístění 35 km mocného příkrovu, následně 20 Ma ohřívání bez eroze pomalá eroze (0,35 mm/r) vs. rychlá (3,5 mm/r) (b) = T-t vývoj pro dva termální modely v (a) termochronologie dokáže rozlišit mezi dvěma rychlostmi eroze skenování0026.jpg Spear 1993 p. 731 Termochronologie a rychlost eroze 118 Termální modely – 1D skenování0017.jpg skenování0018.jpg England-Thompson 1984 náhlé vmístění příkrovu jen vertikální přenos tepla 119 Termální modely – 2D skenování0020.jpg skenování0021.jpg Hodges a Royden 1994 vliv různých deformačních a exhumačních mechanismů na dráhu P-T 120 Termální modely a rychlost výzvihu hornin skenování0012.jpg Dráhy P-T pro erozní výzvih a rychlý tektonický výzdvih Tečky po 10 Ma Harley 1989? Tečky po 10 Ma? 121 Fyzikální modely Chemenda 1996, 1997 - experiment subdukce a exhumace HP met. hornin, využití pro e.g.Ural zde model kont. subdukce s velkou kompresí (Himal. typ) skenování0031.jpg 1 – svrchní kůra 2 – spodní kůra 3 – erodovaný materiál Harley 1989? Tečky po 10 Ma? 122 Numerické modelování exhumace HP metam. hornin v subdukčním kanálu e.g. Gerya et al. 2002 Tectonics - animace Willner et al. 2002 – UHP metamorfované horniny - animace granulity – horniny přeměněné za vysokých P a T GtSilCd granulite 1 Lu-A-20-a DiaLUA3 světlé (kyselé) granulity tmavé (až basické) granulity DIA1604 DIA1901 Lv60 Příklad – granulity Českého masívu Já se zabývám horninami nazývanými granulity. Tyto horniny jsou hojné v ČM a jsou několika typů – světlé, kyselé, s převahou SiO2 (až 76%), a tmavé, které mají méně SiO2 - složení až basické, tedy jen kolem 50% SiO2 (52-44). Jak ukáži dále, jejich minerální asociace odrážejí jak vysoké teploty, tak vysoké tlaky jejich vzniku, a což je pro rekonstrukci drah P-T podstatné, nesou v sobě záznam relativně dlouhého vývoje tedy metamorfních přeměn které prodělaly v zemské kůře. O´Brien-Rotzler 2003 HPGPaddy03 Dia43bsharp DIA101b Granulity – horniny mající „paměť “ DIA1204 DIA13b Lv60 granát – kyanit – K-živec sillimanit ortopyroxen - plagioklas cordierit Dia204a granát - klinopyroxen Vysokotlaké granulity Českého masívu BM Matte1 Matte et al. 1989 granulity jižních Čech granulity severních Čech valouny granulitů ve slepencích Drahanské vrchoviny 126 DIA303b.jpg DIA101b.jpg DIA204.JPG DIA502.JPG DIA1101.JPG DIA703.JPG G1 G2 A Dia10b.jpg Dia15b.jpg Severočeské granulity 127 Dia24b.jpg Dia13_b.jpg Dia21b.jpg Dia23b.jpg G1 G2 A Jihočeské granulity DIA4504.JPG distsill1.jpg G3 Dia43bsharp Lv60 Dráha P-T jihočeské granulity kyselé a bazické C:\PTt\PTtlislip Pl correct.jpg 128 NBG vs SBG_noage Dráhy P-T-t pro granulity severních a jižních Čech Øvysoká rychlost výzdvihu (sklon P-T-t, geochronologie – překryv dat) ØSČG: efektivnější chladnutí (50°C/Ma, Zulauf et al. 2000) ØJČG: vysoký tepelný tok – přínos tepla – magma ze zemského pláště Kotková 1992, 1993, Kotková et al. 1996, Zulauf et al. 2000, Kroner et al. 2000 339 ± 1, 341±1Ma U-Pb zirkon 342±1Ma U-Th-Pb monazit 341 ± 4Ma Ar-Ar muskovit 339Ma U-Pb zirkon 339Ma U-Pb zirkon Výzdvih vysokotlakých hornin profilMatte89 obr12 Matte 1989 Klápová et al. 1998 cf. Chemenda et al. 1995 vodítko: dráha P-T-t vypovídá o tepelném a tektonickém vývoji dané jednotky či oblasti strukturní profil Českým masívem granulity (16 kbar, Kotková 1993) ?? výzdvih hornin z hloubky granulity navíc n 131 metamorfní zóny a izogrády obr_2_1a Ø metamorfní zóna – první výskyt IM Ø metamorfní izográda – hranice MZ obr_2_2 metamorfní facie 132 Metamorphic Agents and Changes nLithostatic pressure is uniform stress (hydrostatic) nDeviatoric stress = unequal pressure in different directions nDeviatoric stress can be resolved into three mutually perpendicular stress (s) components: s1 is the maximum principal stress s2 is an intermediate principal stress s3 is the minimum principal stress nIn hydrostatic situations all three are equal 133 www.whitman.edu/.../winter/.../Ch%2021%20Int... Deviatoric stress can be maintained if application of differential continues to be applied and keeps pace with the tendency of the rock to yield This occur most often in orogenic belts, extending rifts, or in shear zones. (i.e. generally at or near plate boundaries) Metamorphic Agents and Changes nStress is an applied force acting on a rock (over a particular cross-sectional area) nStrain is the response of the rock to an applied stress (= yielding or deformation) nDeviatoric stress affects the textures and structures, but not the equilibrium mineral assemblage nStrain energy may overcome kinetic barriers to reactions 134 Metamorphic Agents and Changes Deviatoric stresses come in three principal types: uTension uCompression uShear 135 Fig 21-2a Tension: s3 is negative, and the resulting strain is extension, or pulling apart original shape strain ellipsoid Figure 21-2. The three main types of deviatoric stress with an example of possible resulting structures. a. Tension, in which one stress in negative. “Tension fractures” may open normal to the extension direction and become filled with mineral precipitates. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. s1 s3 136 Tension occurs only at shallow depths, and the response is largely brittle faulting A common result = “tension fractures,” which generally fill with fluids that precipitate minerals as the fractures open Compression: s1 is dominant, ® folding or more homogenous flattening Figure 21-2. The three main types of deviatoric stress with an example of possible resulting structures. b. Compression, causing flattening or folding. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. Fig 21-2b s1 s3 137 Seldom determine the exact degree of strain, because markers of known initial shape are rarely present nFoliation is a common result, which allows us to estimate the orientation of s1 ·s1 > s2 = s3 ® foliation and no lineation ·s1 = s2 > s3 ® lineation and no foliation ·s1 > s2 > s3 ® both foliation and lineation Fig 21-3 Figure 21-3. Flattening of a ductile homogeneous sphere (a) containing randomly oriented flat disks or flakes. In (b), the matrix flows with progressive flattening, and the flakes are rotated toward parallelism normal to the predominant stress. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. s1 138 Metamorphic Agents and Changes Shear motion occurs along planes at an angle to s1 Figure 21-2. The three main types of deviatoric stress with an example of possible resulting structures. b. Shear, causing slip along parallel planes and rotation. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. Fig 21-2c s1 139 In shear motion occurs along planes at an angle to s[1] May occur as slip along spaced cleavages or as flow Distinguishing shear from flattening may be hard 140 Heat flow and metam Spear 1993 p. 65 skenování0028.jpg skenování0027.jpg