Geochemia skał magmowych II
Zastosowanie analiz geochemicznych w petrologii skał magmowych
Tematyka ćwiczeń.
" Przypomnienie klasyfikacji, zagadnienia wstępne, bazalty a środowiska geotektoniczne
" Zastosowanie pierwiastków głównych
" Zastosowanie pierwiastków śladowych
" Pierwiastki ziem rzadkich, diagramy pajęcze
Nomenklatura i klasyfikacja skał magmowych mo\
e być oparta na ró\
nych kryteriach: genetycznym
(skały plutoniczne, hipabisalne, wylewne), teksturalnym (skały afanitowe, fanerytowe, pegmatytowe),
mineralogicznym lub geochemicznym. Najbardziej przydatne są klasyfikacje oparte na składzie mineralnym i
jeśli trzeba chemicznym. Analizę chemiczną skał magmowych wykonuje się jednak nie tylko w celu
klasyfikacji lecz tak\
e dla poznania ich genezy.
Klasyfikacja mineralogiczna oparta jest na modalnym składzie mineralnym, czyli ilościowo
określonym w procentach objętościowych udziale minerałów wchodzących w skład skały. Jeśli skała jest
szklista lub skrytokrystaliczna i nie zawiera fanerokryształów, to jej zaklasyfikowanie jest mo\
liwe tylko na
podstawie wyników analizy chemicznej. Analiza chemiczna skał magmowych słu\
y zazwyczaj określeniu
zawartości:
- pierwiastków głównych,
- pierwiastków śladowych,
- pierwiastków ziem rzadkich (REE).
Wszystkie trzy grupy pierwiastków wykorzystywane są do przede wszystkim do klasyfikowania i
badania genezy wulkanicznych skał wylewnych, spośród których największa grupę stanowią bazalty. Bazalty
są najliczniej reprezentowana skałą magmową na i przy powierzchni Ziemi. Stąd du\
e zainteresowanie
geochemicznymi wskaz
nikami petrogenetycznymi bazaltów.
Generalnie bazalty dzielÄ… siÄ™ na dwie grupy:
1. Bazalty toleitowe, czyli toleity.
Reprezentują odmiany bazaltów ubo\
szych w alkalia a bogatszych krzemionkę. Zawierają niewielkie ilości
oliwinu lub są go zupełnie pozbawione. Stosunkowo mała zawartość w nich wapnia powoduje, \
e występują w
nich pirokseny rombowe np. enstatyt  ferrosilit (Mg,Fe)2Si2O6 a jednoskośny mo\
e być pigeonitem
(Mg,Fe,Ca)2Si2O6 lub ubogim w Al augitem. Jeśli skały te łącza się w serie skalne z innymi lawami, to tworzą
szereg: andezyt-dacyt-ryolit.
2. Alkaliczne bazalty oliwinowe.
Reprezentują skały niedosycone krzemionką a tym samym bogate w oliwin i zawierające potencjalny nefelin
KNa3(AlSiO4)4. Piroksen jest augitem bazaltowym lub tytanowym, bogatym w Al2O3 i TiO2 a ubogim w SiO2.
Genetycznie skały te mogą się łączyć ze skałami serii alkalicznej: nefryt-trachit-fonolit.
Oprócz tych dwóch zasadniczych typów istnieją jeszcze inne odmiany, które cechuje zmienna zawartość Na i K
a pomiędzy nimi istnieją stopniowe przejścia.
Bazalty wylewają się na powierzchnię Ziemi w czterech głównych strefach tektonicznych:
1. Podmorski wulkanizm efuzyjny, przewa\
nie toleitowy oceanicznych stref ryftowych, jak te\
wysp
poło\
onych w ich zasięgu (np. Islandia, Azory).
2. Oceaniczny sródpłytowy efuzyjny wulkanizm toleitowy do alkaliczno-bazaltowego (np. Hawaje).
3. Wulkanizm stref subdukcji i związanych z nim brzegów mikropłyt. Występują tu wulkany silnie
eksplozyjne, częściowo eksplozyjno-efuzyjne, pod względem petrograficznym mieszane, od zasadowych po
kwaśne w znacznej przewadze andezytowi. Występują tu obydwa rodzaje bazaltów. Są to wulkany łuków
wulkanicznych, które rozwinęły się na lądzie albo na łukach wysp (np. zachodni brzeg Ameryki tzw. ognisty
łańcuch Pacyfiku).
4. Kontynentalny wulkanizm dryftowy eksplozyjno-efuzyjny, głównie alkaliczno-bazaltowy (np. wschodnie i
srodkowoafrykańskie systemy rowów zapadliskowych  Tibesti i Kamerun).
Alkaliczne bazalty oliwinowe uwa\
ane były kiedyś za produkty niezró\
nicowanej strefy bazaltowej pod
oceanami, czyli bazalty wulkanów wysp oceanicznych i stąd nazywano je bazaltami oceanicznymi. Z kolei
toleity uwa\
ane były za skały, które przy przebijaniu się przez skorupę kontynentalną uległy kontaminacji jej
materiałem, przez co zmieniły swój skład chemiczny i mineralny na bardziej kwaśny. Póz
niejsze badania
wykazały, \
e bazalty oliwinowe są typowe dla wysp oceanicznych, ale bardzo często występują w strefie
rozłamów kontynentalnych. Toleity występują głównie w strefie ryftingu oceanicznego jako wylewy na
kontynentach. Wylewom kontynentalnym towarzysza często intruzyjne sille i dajki bazaltów toleitowych.
Toleity kontynentalne majÄ… nieznacznie wy\
szą zawartość K2O i SiO2 ni\
oceaniczne.
Jeśli nie mo\
na wyznaczyć mineralnego składu modalnego badanej skały czasem stosuje się
klasyfikację na podstawie składu normatywnego CIPW. Jest to niezbędne dla uzupełnienia chemicznej
klasyfikacji niektórych skał przy u\
yciu diagramu TAS. CIPW jest jedną z metod klasyfikacji chemicznej skał
wylewnych Polega ona na przeliczeniu analizy chemicznej skały na listę umownych minerałów, tzw.
minerałów normatywnych.
Dla niektórych skał występuje du\
a zgodność między wynikami składu modalnego a normatywnego a dla
niektórych nie ma \
adnej zgodności. Ró\
nice wynikają najczęściej stąd, \
e skład normatywny nie uwzględnia
minerałów zawierających H2O (biotytu, amfiboli). Dlatego skały, dla których nie mo\
na wyznaczyć składu
mineralnego klasyfikuje się bezpośrednio na podstawie wyników analizy chemicznej.
PIERWIASTKI GA
ÓWNE
Jednym z podstawowych kryteriów podziału skał wylewnych jest stopień ich nasycenia SiO2:
- skały przesycone: 67-78% SiO2 (zawierające kwarc, skalenie, miki), np. ryolit,
- skały nasycone: 55-66% SiO2 (zawierające kwarc, skalenie, mikę lub leucyt i forsteryt), np. andezyt,
- skały nienasycone: 45-52% SiO2 (zawierają jeden lub więcej minerałów nienasyconych: leucyt, forsteryt,
nefelin), np. bazalt.
Inny wa\
ny podział to klasyfikacja na podstawie stopnia nasycenia Al2O3, istotna przy rozpatrywaniu
pochodzenia granitoidów (patrz wykład):
- skały peraluminiowe: udział molowy Al2O3 > udział molowy Na2O + K2O + CaO (zawierają muskowit,
andaluzyt), np. ryolity,
- skały metaaluminiowe: Na2O + K2O < Al2O3 < Na2O + K2O + CaO (zawierają biotyt, diopsyd, hornblendę),
- skały subaluminiowe: Al2O3 = Na2O + K2O (zawierają oliwin, hipersten),
- skały peralkaliczne: Al2O3 < Na2O + K2O (zawieraja egiryn, riebeckit), np. nefelinity.
Wzajemne zale\
ności pomiędzy poszczególnymi pierwiastkami są wykorzystywane do klasyfikacji
poszczególnych typów genetycznych skał. Na przykład stosunek alkaliów do krzemionki pozwala
sklasyfikować wszystkie skały wulkaniczne przy u\
yciu diagramu TAS  Total Alkali-Silica diagram.
Ta sama zale\
ność jest wykorzystywana do klasyfikacyjnego odró\
nienia bazaltów alkalicznych od
toleitowych.
Jedną z powszechniej stosowanych projekcji zawartości wybranych pierwiastków głównych dla bazaltów jest
trójkąt AFM. Toleity mają mniej alkaliów (w tym Ca) ni\
bazalty alkaliczne i wy\
szy od nich stosunek Fe/Mg.
Jak widać pierwiastki główne pozwalają odró\
nić bazalty toleitowe od alkalicznych ale zasadniczo przy ich
u\
yciu nie jest mo\
liwe określenie z jakiej strefy tektonicznej z jakiej pochodzi badany bazalt.
PIERWIASTKI ÅšLADOWE
Zawartość pierwiastków śladowych mierzona jest w ppm. Słu\
ą one zarówno do celów
klasyfikacyjnych, jak i genetycznych. Pierwiastki te, ze względu na wielkość promienia jonowego i
wartościowości oraz mo\
liwości selektywnego ich wchodzenia do sieci krystalicznych głównych minerałów
skałotwórczych (oliwiny, pirokseny, granaty, spinele) w ró\
ny sposób uczestniczą w procesach powstawania
skał magmowych. Dlatego skały powstałe w ró\
nych środowiskach geotektonicznych (strefy spreadingu,
subdukcji, kolizji, ryftu, plamy gorąca itp.) czy na drodze ró\
nych mechanizmów (częściowe przetopienie,
frakcjonalana krystalizacja, dyferencjacja grawitacyjna, kontaminacja, asymilacja itp.) ró\
nią się zawartością
pierwiastków śladowych nawet, jeśli nale\
ą do tej samej klasy (klasy bazaltów, andezytów, ryolitów itp.). W
zale\
ności od własności i zachowania w procesach powstawania skał magmowych wyró\
niono następujące
grupy pierwiastków śladowych, w niektórych wypadkach nakładające się na siebie:
- pierwiastki dopasowane (compatible elements  CE) mają średniej wielkości promień jonowy i typowy
ładunek 2+ przez co wchodzą chętnie do struktur krystalizujących minerałów na zasadzie substytucji
izowaletnej. Pojawiają się więc we wczesnych produktach dyferencjacji a obni\
ona jest ich zawartość w
magmie resztkowej. Do grupy tej nale\
y wiele pierwiastków z grupy metali przejściowych, m.in. Cr, Ni, Co 
podstawiające się za Mg w skałach ultrazasadowych i zasadowych, a tak\
e Mn, V, Ti  występujące w gabrach
i bazaltach;
- pierwiastki niedopasowane (incompatible elements  IE) z trudem wchodzÄ… w struktury krystalizujÄ…cych
minerałów i nagromadzają się w skałach felzytowych i w produktach krystalizacji magmy resztkowej (z której
powstają np. pegmatyty). Równie\
te pierwiastki w większym stopniu od kompatybilnych zostają uwolnione do
stopu magmowego w procesie częściowego przetopienia. Do grupy tej nale\
Ä… m.in. P, K, Ti, Ba, Cs, Li, Rb, Sr,
Be, Nb, Ta, Sn, U, T, Zr, Hf i pierwiastki ziem rzadkich grupy cerowej;
- LIL (large ion lithophile) to du\
e jony litofilne, kationy o du\
ym promieniu jonowym i niskim Å‚adunku,
niekompatybilne (za wyjątkiem Rb w biotynie i Sr w plagioklazach), które mają jednak tendencję do
podstawieÅ„ izomorficznych za potas (promieÅ„ jonowy K 1,38Å) i dlatego ulegajÄ… koncentracji w skaÅ‚ach
felzytowych (kwaśnych, jasnych, bogatych w minerały zawierające K) raczej ni\
w skałach maficznych.
Przykładami są Rb, Sr, Cs, Ba, Pb, Tl. Ich obecność w skale wskazuje na udział procesu dyferencjacji pośród
mechanizmów powstawania skały magmowej;
- HFSE (high field-strength elements) tworzÄ… jony o mniejszym promieniu a wysokim Å‚adunku przez co
wytwarzajÄ… silny Å‚adunek i silne pole elektryczne, stÄ…d ich nazwa. SÄ… silnie niekompatybilne (za wyjÄ…tkiem Y w
granatach i Nb w hornblendzie) a ich koncentracje w magmie resztkowej tak wzrastajÄ…, \
e mogą utworzyć
własne minerały: uraninit, beryl, kolumbit, cyrkon itp. Nale\
Ä… do nich U4+, Th4+, B3+, Be2+, Mo6+, W6+, Nb5+,
Ta5+, Sn4+, Zr4+.
Ilościowym kryterium podziału na pierwiastki CE i IE jest tzw. współczynnik podziału KD.
C
min eral
K =
D
C
stop
gdzie: Cmineral  koncentracja pierwiastka w wykrystalizowanym minerale, Cstop  koncentracja pierwiastka w
stopie, z którego ten minerał wykrystalizował. Jeśli KD>1 mamy do czynienia z pierwiastkiem dopasowanym a
jeśli KD<1 z pierwiastkiem niedopasowanym.
Przykłady zastosowań pierwiastków śladowych do klasyfikacji bazaltów  diagramy dyskryminacyjne.
Pearce, 1982, in Thorpe (ed.),
Andesites: Orogenic andesites and
related rocks, Wiley, Chichester, p.
525-548.
Pearce and Cann,
Mullen, 1983, Earth
1973, Earth and
and Planetary Science
Planetary Science
Letters, v. 62, p. 53-62.
Letters, v. 19, p.
290-300.
PIERWIASTKI ZIEM RZADKICH
Pierwiastki ziem rzadkich REE (o liczbie atomowej od 57 do 71, lantanowce) są obecne w skałach w
ilościach rzędu ppm. Ich zawartości są prezentowane na wykresach po znormalizowaniu do zawartości w
meteorytach kamiennych (do chondrytów). Chondryty zostały wybrane do normalizacji, poniewa\
ich skład
chemiczny odpowiada niemal dokładnie składowi materii słonecznej.
Pierwiastki rzadkie to zbiór pierwiastków nale\
ących do grupy lantanowców, która dzieli się na grupę lekkich
pierwiastków ziem rzadkich (LREE  light rare earth elements) od lantanu do gadolinu i nazywana jest grupą
cerowÄ… i grupÄ™ ciÄ™\
kich pierwiastków ziem rzadkich (HREE  heavy rare earth elements) od gadolinu do lutetu
i nazywana jest grupÄ… itrowÄ….
Ilościowe rozkłady tych pierwiastków, znormalizowanych względem ich ilościowego występowania w
chondrytach, przedstawione współrzędnych układzie współrzędnych pozwalają prześledzić i określić niektóre
procesy magmowe. Na ich podstawie mo\
na na przykład określić środowisko geotektoniczne z jakiego
wytopiła się dana magma oraz głębokość jej wygenerowania i rodzaj pirolitu, z jakiego się wytopiła. Na
poni\
szych rysunkach zaprezentowano znormalizowane do chondrytów rozkłady REE dla bazaltów
oceanicznych grzbietów (MORB  Mid-Ocean Ridge Basalt), bazaltów śródoceanicznych (OIB  Ocean Island
Basalt), bazaltów kontynentalnych, bazaltów łuków wysp strefy subdukcji (ARC Tholeiite) skorupy
kontynentalnej, granitów, anortozytów i skał ilastych.
Jak widać najbardziej spokojny przebieg przedstawia linia obrazująca bazalty ze środkowoatlantyckich
grzbietów (MORB), wykazująca 15-25 razy większą ilość REE w stosunku do chondrytów. Bazalty oceaniczne
i kontynentalne wykazujÄ… ju\
znacznie większe frakcjonowanie między LREE i HREE, poniewa\
wytopiły się
na innej głębokości, a mogły te\
ulec kontaminacji materiałem skorupy kontynentalnej (bazalty kontynentalne).
Największe zró\
nicowanie wykazuje granit, jako składnik skorupy kontynentalnej.
Wa\
niejsze skróty u\
ywane w literaturze do opisu diagramów dyskryminacyjnych
BK Basaltic komatiite
CA Calc-alkaline
CA Continental arc
CB Calc-alkali basalt
CAB Calc-alkali basalt
CD Calc-alkali dacite
CR Calc-alkali rhyolite
EMORB Enriched MORB
HFT High Fe tholeiite
HMT HIgh Fe tholeiite
IAB Island arc basalt
IAT Island arc tholeiite
LKT Low-K tholeiite
MORB Mid Ocean ridge basalt
NMORB Normal MORB
OFB Ocean Floor basalt
OIA Oceanic island alkali
OIT Oceanic island tholeiite
ORG Orogenic granite
PK Peridotitic komatiite
TA Tholeiitic andesite
TB Tholeiitic basalt
TD Tholeiitic dacite
TMORB Transitional MORB
TR Tholeiitic rhyolite
TH or Thol Tholeiitic
VAB Volcanic arc basalt
VAG + synCOLG Volcanic arc granite and syn-collisional granite
WPA Within-plate alkali
WPB Within-plate basalt
WPG Within-plate granite
WPT Within-plate tholeiite