ELEMENTY

GEOCHEMII SKAŁ

METAMORFICZNYCH

Metamorfizm to zespół procesów

powodujących przeobrażenie skał w

stanie stałym w warunkach

podwyższonego ciśnienia i

temperatury i działania czynników

chemicznych głównie na zasadzie

dyfuzji.

Głównymi czynnikami metamorfizmu są:

• ciepło = podwyższona temperatura,

• ciśnienie,

• fluidy powodujące wędrówkę

substancji.

Ź

ródłem ciepła mogą być:

• stygnąca intruzja magmowa oddająca ciepło do

skał otaczających,

• ciepło krystalizacji krzepnącej intruzji magmowej,

• ciepło wnętrza Ziemi w zależności od stopnia

geotermicznego i głębokości,

• rozpad pierwiastków promieniotwórczych,

• egzotermiczne reakcje chemiczne,

• ciepło wydzielane przy tarciu w czasie ruchów

tektonicznych.

Ciśnienie :

1) litostatyczne ciśnienie nadkładu na

skały położone na głębokości, działa jak ciśnienie
hydrostatyczne, jest bezkierunkowe i jednakowe
ze wszystkich stron; powoduje redukcję objętości
i wzrost gęstości skały,

2) ciśnienie kierunkowe, powstałe
podczas ruchów tektonicznych: przy
małym ciśnieniu litostatycznym może

powodować pęknięcia, przy dużym ciśnieniu
litostatycznym może powodować płynięcie,

3) ciśnienie uderzeniowe

Fluidy i wędrówka substancji :

Na temat ilości, składu i roli fluidów w metamorfizmie

trwa wciąż dyskusja. Ich obecność przejawia się

jedynie pośrednio: w próbce skały metamorficznej na

powierzchni ziemi nie ma już żadnych fluidów za

wyjątkiem ciekłych inkluzji w minerałach.

Przypuszcza się, że głównymi składnikami są

przegrzana para wodna i CO

2

, z dodatkiem wielu

pierwiastków śladowych.

Fluidy i wędrówka substancji

Większość petrologów wyróżnia:

•

metamorfizm izochemiczny

(po prostu

metamorfizm, w którym skład chemiczny skały jako

całości nie uległ zasadniczym zmianom, reakcje w

układzie zamkniętym);

•

metasomatyzm

(w którym w wyniku udziału

fluidów jedne składniki zostały doprowadzone a inne

odprowadzone w wyniku czego skład chemiczny skały

uległ istotnej modyfikacji, reakcje w układzie otwartym).

Fluidy i wędrówka substancji

Ciekłe i gazowe inkluzje to małe (do 10 um) bąbelki gazu

i cieczy zamknięte w minerałach metamorficznych. Ich

skład chemiczny i warunki powstania mogą być

odtworzone przy użyciu stolika grzewczego pozwalającego

zamrażać i podgrzewać próbkę.

Reakcje w skałach metamorficznych prowadzą do:

• Rekrystalizacji, zazwyczaj prowadzącej do powstania

większych kryształów;

• Powstania nowych minerałów, prawdopodobnie

najczęściej obserwowane zjawisko przy metamorfizmie,

jedne minerały zanikają a powstają nowe;

• Wykształcenia zorientowanej tekstury, jak foliacja,

lineacja, złupkowacenie itp.;

• Metasomatycznych zmian składu chemicznego, jako

efektu reakcji w układzie otwartym z udziałem fluidów.

Powszechnie spotykane skały metamorficzne –

przypomnienie :

GNEJS,

ŁUPEK KRYSTALICZNY

,

FYLLIT

, ŁUPEK GLAUKOFANOWY,

ZIELENIEC

,

HORNFELS

,

EKLOGIT

,

AMFIBOLIT,

GRANULIT

,

SERPENTYNIT

,

MARMUR

,

SKARN

,

KWARCYT,

MIGMATYT

.

Powszechnie spotykane skały metamorficzne –

przypomnienie :

Ł

Ł

upek

upek

Fyllit

Fyllit

Ł

Ł

upek

upek

krystaliczny

krystaliczny

Gnejs

Gnejs

Facje i zony metamorfizmu - przypomnienie :

Reakcje pomiędzy składnikami skał powodują

zmiany w składzie mineralnym w zależności od

stopnia metamorfizmu. Pozwala to w efekcie na

wyróżnienie facji metamorfizmu (np. zeolitowej,

zieleńcowej, amfibolitowej, granulitowej,

eklogitowej) czy zon minerałów indeksowych (np.

zona chlorytowa, biotytowa, granatowa,

staurolitowa, dystenowa, sillimanitowa).

Reakcje między minerałami :

Jak te reakcje przebiegają? Czy minerały

reagują ze sobą bezpośrednio czy przez

roztwory międzyziarnowe? Skąd biorą się

brakujące składniki? Gdzie podziewają się te

produkty reakcji, które nie wejdą w struktury

nowych minerałów?

Co jest przyczyną

zachodzenia reakcji?

Co jest przyczyną zachodzenia reakcji?

Główną przyczyną zmian metamorficznych i

towarzyszących temu reakcji chemicznych jest

tendencja do osiągnięcia równowagi

(trwałości) w nowych warunkach ciśnienia i

temperatury. Czynnikami ograniczającymi są

kinetyka, czas geologiczny i transport

(wymiana) składników chemicznych.

Skały metamorficzne przechodzą najpierw

wzrost warunków metamorfizmu

(metamorfizm progresywny) a później

spadek ciśnienia i temperatury aż do

osiągnięcia warunków panujących na

powierzchni – wciąż jednak zachowują

cechy i skład właściwy maksimum

osiągniętych ciśnień i temperatur.

Dlaczego?

Pogrzebanie

Wzrost P
z głębokością.

T

max

osiągana jest

zazwyczaj dużo
później niż P

max

często już na
etapie wynurzenia.

Erozja nadkładu

TEMPERATURA

C

IŚ

N

IE

N

IE

stop

ień

geote

rmic

zny

Wynurzenie

Maksymalne
ciśnienie P

max

Maksymalne
ciśnienie P

max

Grzanie.

Ze względu na wysokie ciepło właściwe i słabe przewodnictwo
wzrost jest zazwyczaj opóźniony w stosunku do głębokości

Maksymalna
temp. T

max

Maksymalna
temp. T

max

Ś

cieżka

P-T-t

W warunkach eksperymentalnych

powstawanie minerałów wysoko-

temperaturowych jest procesem

odwracalnym. Teoretycznie więc po spadku

temperatury powinny znów powstać

minerały trwałe w niskich temperaturach.

Gdyby tak było skały metamorficzne nie

odsłaniałyby się na powierzchni Ziemi.

W praktyce procesy przemiany po spadku

temperatur są pomijalnie wolne: minerały

wysokotemperaturowe spotykane w

warunkach powierzchniowych nazywamy

minerałami

metatrwałymi

. Skały

metamorficzne przedstawiają więc

„zamrożone” metatrwałe paragenezy

typowe dla wysokich ciśnień i temperatur.

Ponadto wiele przemian metamorficznych

nie zachodzi z zachowaniem składników

(w warunkach izochemicznych) lecz

następuje ucieczka niektórych mobilnych

składników a dostarczenie innych, razem z

migrującymi fluidami (głównie CO

2

i H

2

O,

obydwa w stanie nadkrytycznym).

Reguła przekory:

system w równowadze chemicznej

odpowiada na zakłócenie równowagi tak,

aby zminimalizować wpływ zakłócenia.

Kalcyt + Kwarc <=> Wollastonit + CO

2

W niskich ciśnieniach przy temp. ok. 500

o

C.

W wysokich ciśnieniach przy temp. ok. 800

o

C.

W reakcjach w których uwalniane są

składniki gazowe wzrost ciśnienia

przeciwdziała zachodzeniu reakcji:

CaCO

3

+ SiO

2

<=> CaSiO

3

+ CO

2

Kalcyt + Kwarc <=> Wollastonit + CO

2

W niskich ciśnieniach przy temp. ok. 500

o

C.

W wysokich ciśnieniach przy temp. ok. 800

o

C.

Efekt dzia

Efekt dzia

ł

ł

ania regu

ania regu

ł

ł

y przekory I:

y przekory I:

CaCO

3

+ SiO

2

<=> CaSiO

3

+ CO

2

Kalcyt + Kwarc <=> Wollastonit + CO

2

Równowaga jest kontrolowana przez ciśnienie CO

2

.

Gdy CO

2

jest uwalniany szczelinami – powstaje więcej

wollastonitu.

+ + +

+ + +

+ + +

+ + +

Wollastonit

Wollastonit

CO

CO

2

2

intruzja

intruzja

Na skutek działania ciśnienia tworzą

się w skałach metamorficznych

zespoły mineralne o mniejszej łącznej

objętości molowej niż objętość

molowa minerałów pierwotnych.

Efekt dzia

Efekt dzia

ł

ł

ania regu

ania regu

ł

ł

y przekory II:

y przekory II:

W poniższych dwóch przykładach obserwujemy
prawie 20% spadek objętości skały:

2CaSiO

3

+ CaAl

2

Si

2

O

8

<=>

Ca

3

Al

2

(SiO

4

)

3

+ SiO

2

wollastonit + anortyt

<=>

grossular

+ kwarc

2 x 39,8 + 105 = 184,6

cm

3

/mol

149,6 = 127 + 22,6

Mg

2

SiO

4

+ CaAl

2

Si

2

O

8

<=>

Mg

2

CaAl

2

(SiO

4

)

3

oliwin + anortyt

<=>

granat

43,9 + 105

<=>

121 cm

3

/mol

148,9

148,9 cm

3

/mol

pirop-grossular

Wzrost temperatury powoduje

przemiany fizyczne i chemiczne.

Z chemicznych najważniejszymi są:

dehydratacja minerałów

uwodnionych, dehydroksylacja

minerałów zawierających grupy OH

oraz dysocjacja węglanów.

CaMg(CO

3

)

2

<=> CaCO

3

+ MgO + CO

2

Dolomit <=> kalcyt + peryklaz + CO

2

3CaMg(CO

3

)

2

+ SiO

2

+ H

2

O <=>

<=> Mg

3

Si

4

O

10

(OH)

2

+ 3CaCO

3

+ 3CO

2

Dolomit + Kwarc + H

2

O <=>

<=> Talk + kalcyt + 3CO

2

CaCO

3

+ SiO

2

<=> CaSiO

3

+ CO

2

Kalcyt + Kwarc

<=> Wollastonit

+ CO

2

Al

4

[(OH)

8

Si

4

O

10

] <=> 2Al

2

SiO

5

+ 2SiO

2

+ 4H

2

O

K

aolinit

<=>Andaluzyt+Kwarc

+4H

2

O

Uwaga!

We wszystkich wypisanych powyżej

przykładach reakcji uwalniane są

fluidy

(np. H

2

O i CO

2

)

powodujące

wzrost reaktywności środowiska i

umożliwiające reakcje pomiędzy

minerałami.

Reakcje ciągłe i nieciągłe

Reakcje ciągłe

– fazy biorące udział w reakcji

nie

znikają kosztem nowych lecz następuje stopniowe

(ciągłe) przejście z płynną zmianą składu chemicznego:

Mg-granat + Fe-biotyt <=>

<=> Fe-granat + Mg-biotyt

Wzajemne proporcje Fe i Mg w granacie i biotycie są

dobrymi wskaźnikami temperatury, w której ustalił się

stan równowagi.

Reakcje ciągłe i nieciągłe

Reakcje nieciągłe

– jedne fazy biorące udział w reakcji

znikają a powstają nowe, np. :

jadeit + kwarc <=> albit

NaAlSi

2

O

6

+ SiO

2

<=> NaAlSi

3

O

8

lub przemiany polimorficzne np. :

andaluzyt <=> sillimanit

Reakcje ciągłe i nieciągłe

Zarówno ciągłe jak i nieciągłe reakcje są często

praktycznie stosowane jako geotermometry lub

geobarometry. Wykonując eksperymenty

laboratoryjne można wyznaczyć ilościowo jak skład

badanych minerałów zmienia się ze zmianą ciśnienia

i temperatury (tzw. kalibracja). Następnie analizując

minerały w naturalnej skale można powiedzieć w

jakiej temperaturze i/lub ciśnieniu powstały.

Dla uchwycenia związków między

składem mineralnym skał

metamorficznych a ich chemizmem

stosuje się

diagramy facjalne

.

Diagram facjalny ACF to trójkątna

projekcja dla skał metamorficznych

zawierających wolny kwarc i

pozbawionych łyszczyków:

A

= Al

2

O

3

+ Fe

2

O

3

– (Na

2

O + K

2

O)

C

= CaO – 3.3 P

2

O

5

F

= FeO + MgO + MnO

Diagram facjalny A’KF to trójkątna

projekcja dla skał metamorficznych

zawierających biotyt, muskowit, i

stilpnomelan:

A

= Al

2

O

3

+ Fe

2

O

3

– (Na

2

O + K

2

O + CaO)

K

= K

2

O

F

= FeO + MgO + MnO

Wadą diagramów facjalnych ACF i

A’KF jest to, że nie można na nich śledzić

przemian związanych ze zmianą

podstawienia izomorficznego Fe

+2

i Mg

+2

w minerałach będących ciągłymi

szeregami izomorficznymi. Wady tej jest

pozbawiona wprowadzona w 1982r przez

Thompsona trójkątna projekcja AFM

oparta o tetraedr AKFM.

BIOTYT

BIOTYT

Metamorfizm

a tektonika kier

Rozkład temperatur…

… i odpowiadające im facje metamorficzne w strefie subdukcji.

Rozkład temperatur…

… i odpowiadające im facje metamorficzne wokół grzbietów oceanicznych.

GEOTERMOMETRIA

I

GEOBAROMETRIA

GEOTERMOMETRIA

I

GEOBAROMETRIA

Określenie ciśnień i temperatur

powstania skał metamorficzych jest

decydujące przy interpretacji ich

genezy.

Geotermobarometria

opiera się na dwóch, pozornie

sprzecznych, założeniach:

1) Badane minerały tworzą równowagową

paragenezę .

2) Parageneza ta nie zmieniła się od czasu

osiągnięcia równowagi w głębi ziemi.

Pogrzebanie

Wzrost P
z głębokością.

T

max

osiągana jest

zazwyczaj dużo
później niż P

max

często już na
etapie wynurzenia.

Erozja nadkładu

TEMPERATURA

C

IŚ

N

IE

N

IE

stop

ień

geote

rmic

zny

Wynurzenie

Maksymalne
ciśnienie P

max

Maksymalne
ciśnienie P

max

Grzanie.

Ze względu na wysokie ciepło właściwe i słabe przewodnictwo
wzrost jest zazwyczaj opóźniony w stosunku do głębokości

Maksymalna
temp. T

max

Maksymalna
temp. T

max

Ś

cieżka

P-T-t

logK

eq

= -∆H

r

/

(2.303R)

1/T + ∆S

r

/(2.303R)

– P∆V

r

/(2.303RT)

y = a x + b

=0 gdy

=0 gdy

∆

V

r

= 0

logK

logK

eq

eq

1/T

1/T

Nachylenie =

Nachylenie = -∆H

r

/(2.303R)

∆

S

r

(2.303R)

Termodynamiczne podstawy geotermobarometrii

PRZYKŁAD GEOTERMOMETRII

pirop + hedenbergit = almandyn + diopsyd

Mg-granat + Fe-piroksen <=> Fe-granat + Mg-piroksen

granat

granat

piroksen

piroksen

. .

. .

Wykonuje się analizę mikrosondową tych minerałów

odnalezionych w szlifie mikroskopowym w strukturze

wskazującej na ich wzajemną równowagę powstałą w

procesie metamorficznym.

PRZYKŁAD GEOTERMOMETRII

pirop + hedenbergit = almandyn + diopsyd

1/3 Mg

3

Al

2

Si

3

O

12

+ CaFeSi

2

O

6

<=> 1/3 Fe

3

Al

2

Si

3

O

12

+ CaMgSi

2

O

6

WZÓR:

(3030 + 10.86P + 3104

[Ca]

gt

)

T(K)

= ---------------------------------------

(

lnK

D

+ 1.9034)

Gdzie:

K

D

= (Fe/Mg)

gt

/ (Fe/Mg)

cpx

korekta na ew.

korekta na ew.

zawarto

zawarto

ść

ść

Ca

Ca

w granacie

w granacie

Eksperymentalne linie kalibracyjne

Eksperymentalne linie kalibracyjne

The

The

end

end