A metamorfózis lehatárolása Lásd még: Pápay könyv pp. 313-322.
Metamorfózis • A szilárd kızet ásványos összetételi és szerkezeti idomulása a megváltozott fizikai (p, T, σ) és/vagy kémiai (c ) körülményekhez • Hatásterület: a felszíni mállási zóna és a diagenetikus öv hatásterülete alatt: > 200 °C; > 200 MPa • Komplex átalakulás, figyelembe kell venni: – a szövetszerkezet változását (deformáció) – a stabil ásványegyüttesek (új egyensúlyi ásványfázisok) kialakulását – a protolit kızet összetételét
1
A metamorfózis fıbb típusai • Kontakt MM: korlátozott térfogatban a magmaintrúzió környezetében – dominánsan termális hatás – pélites kızetekben: szaruszirtek – meszes kızetekben: szkarn
• Regionális (dinamotermális) MM : nagy területeken, tektonikai mozgások hatására (szubdukciós zónák, hegységképz.) – foliált-győrt kızetszövet, különbözı léptékő redık – takarós-győrt szerkezetek – alacsony fokú MM - ultra MM
• Kataklasztos MM: tektonikai nyírási zónában – kis mélységben: kataklazit: dominánsan töréses deformáció + cementálódás – nagyobb mélységben: milonit: foliált, képlékenyen deformált nyírási zóna
• Szubmarin hidrotermális MM: forróvizes oldatok hatására: – a bázikus óceáni kéreg átalakulása – Mg-, Fe-gazdag, víztartalmú ásványok lépzıdése (szerpentin, klorit, talk, aktinolit, tremolit, prehnit, agyagásványok)
• Betemetıdési MM: nagy üledékes medencékben – T 300 °C-ig, csak litosztatikus (betemetıdési) nyomás
• Sokk MM: impakt hatás, vagy erıs vulkáni robbanás eredményeként – UHP MM: magasnyomású polimorf változatok képzıdése (Q → coesit, stishovit; grafit → gyémánt)
2
Protolit típusok • A protolit hatása a MM evolúció során egyre gyengül, de meghatározza a kızet kémiai jellegét • Pélites kızet: Al-gazdag Ü. kızetekbıl, ⇑ agyagtartalom ⇒ agyagásványok, Al2SiO5, gránát, csillám • Q-fp-os kızet: granitiodokból, arkózás homokkıbıl ⇒ széles pT-n stabil ásványok (Q, kfp, muszkovit) • Meszes: karbonátos eredető, ill. Ca-szilikátos kızetekbıl – ⇓ MM: többnyire karbonátok – ⇔ MM: Ca-Mg-oxidok, szilikátok (brucit, flogopit, tremolit, klorit) – ⇑ MM: vízmentes Ca-Mg szilikátok (diopszid, forsterit, wollasztonit, grosszulár, plagioklász)
• Bázikus: ⇓SiO2-tartalmú, bázikus magmás eredet (bazalt, gabbro) ⇒ ⇑Mg, (Fe, Ca)-tart. ásványok: biotit, klorit, Hb, bázikus Pl., epidot • Magneziális: Magas Mg, alacsony Fe-tartalom, ultrabázikus eredet (peridotit, dunit, piroxenit) ⇒ ⇑Mg-tart. ásványok: Szerpentin, brucit, talk, dolomit, tremolit • Vasas: Magas Fe, alacsony Mg: vasas márgából, vasas üledékekbıl ⇒ – ⇓ MM: Fe-aktinolit, Fe-cummingtonit, hematit, magnetit – ⇑ MM: ferroszillit, fayalit, Fe-hedenbergit, almandin • Mangános: mangánüledékekbıl ⇒ stilpnomelán, spessartin
3
Metamorf ásványegyüttesek stabilitása • Fázistörvény: F = C + 2 - P • Mivel a MM során p és T egyaránt változik és szilárd-szilárd fázisátmenet van ⇒ F = 2 ⇒ C = P • Ha P > C ⇒ még nem alakult ki egyensúlyi ásványegyüttes, vagy már retrográd MM lépett fel (reakciószegélyek)
Metamorf kızetek fı komponensei • K2O·Al2O3 ⇒ K/Al arány kfp-ban • (Ca,Na)2O·Al2O3 ⇒ Ca,Na / Al arány pl-ban • (Si,Ti)O2 ⇒ gyakori helyettesítés a tetraéderes pozícióban (Ti ⇒ Si ⇒ kvarc) • (Fe,Mn)O ⇒ gyakori helyettesítés (Mn ⇒ Fe) • MgO ⇒ kell, mert a Fe-Mg szilárd oldatok stabilitása egyaránt p és T-függı (néha elhagyható) • (Al,Fe3+)2O3 ⇒ gyakori helyettesítés (Fe3+ ⇒ Al) • H2O ⇒ mint fluid fázis, valamint víztartalmú ásványokban • CO2 ⇒ mint fluid fázis, valamint karbonátok
4
• CO2, H2O mindig jelen van ⇒ 5-6 komponens ⇒ 5-6 fázis • ACF diagramok: Al, Ca, Femikus, (+Q, Fp) A
± kvarc ± albit ± kfp
Pélites
Kvarcföldpátos
Bázikus Meszes C
UB F
Az ACF diagram • Fıleg a mafikus (bázikus, ultrabázikus) kızetek metamorf ásvanyegyütteseinek és azok változásának modellje egy egyszerősített 3komponenső rendszerben. • Csak a megjelenı / eltőnı ásványokra koncentrál -> metamorf fok jelzı ásványok • 3 pszeudo-komponens: A = Al2O3 + Fe2O3 - Na2O - K2O C = CaO - 3.3 P2O5 F = FeO + MgO + MnO
5
Az AKF Diagram • Pélites szedimentekhez (magas Al-, K-tartalom) • A 3 pszeudo-komponens: A = Al2O3 + Fe2O3 - Na2O - K2O - CaO K = K2O F = FeO + MgO + MnO
Kisfokú MM Pélites, Q-fp-os kızetekben: epidot, klorit, andaluzit, muszkovit, Q, kfp, ab
A andaluzit, muszkovit
± kvarc ± albit ± kfp
Pélites epidot (zoizit)
Kvarcföldpátos
Bázikus Meszes kalcit C
Meszes kızetekben: epidot, kalcit, aktinolit, Q, kfp, ab
klorit
UB aktinolit
F
Bázikus kızetekben: aktinolit, klorit, epidot (aktinolitpala) Ultrabázikus: aktinolit, klorit, talk (kloritpala, fillit)
talk
6
Közepes fokú MM A szillimanit, muszkovit ± kvarc ± kfp
Pélites plagioklász
Kordierit Kvarcföldpátos
Grosszulár Bázikus Meszes kalcit C
UB
Biotit Antofillit
Amfibol
• Pélites: szil., pl, kord., muszk., Q, kfp (csillámpala) • Q-fp kızetek: pl, kord., biotit, Q, kfp (csillámpala, gneisz) • meszes: grosz., cc., Hb • bázikus: pl, biotit, Hb, Q, kfp (amfibolit) • ultrabázikus: biotit, antofillit, Hb (amfobolit)
Fázisátmenetek Eltőnt fázisok
Új fázisok
andaluzit epidot / zoizit klorit talk aktinolit albit
szillimanit plagioklász grosszulár cordierit biotit antofillit hornblende
Al2SiO5 => Al2SiO5 Andaluzit
Szillimanit
4Ca2Al3Si3O12(OH) + SiO2 => 5CaAl2Si2O8 + Ca3Al2Si3O12 + 4H2O epidot / zoizit kvarc anortit (plag) grosszulár fluidum (Mg,Fe)5Al2Si3O10(OH)2 + KAl3Si3O10(OH)2 + 2SiO2 => klorit muszkovit kvarc K(Fe,Mg)3AlSi3O10(OH)2 + (Mg,Fe)2Al4Si5O18 +4H2O biotit kordierit fluidum 7Mg3Si4O10(OH)8 => 3Mg7Si8O22(OH)2 + 4SiO2 + 4H2O talk antofillit kvarc fluidum 7(Mg,Fe)5Al2Si3O10(OH)2 +13Ca2(Mg,Fe)5Si8O22 (OH)2 +12Ca2Al3Si3O12(OH)+14SiO2 => klorit aktinolit epidot (zoizit) kvarc 25Ca2(Mg,Fe)4Al2Si7O22(OH)2 + 22H2O amfibol fluidum
7
Kisfok - középfok közötti átmenet két fı ásványreakciója • 1. Albit → oligoklász (növekvı Ca-tartalom a hımérséklet emelkedésével) 2. Aktinolit → hornblende (az amfibol több Al-t és alkáliát fogad be magasabb hımérsékleten) • Mindkét átmenet kb. azonos fokot jelent, de eltérı P/T görbe meredekséggel
Magas fok A Szillimanit,
± kvarc ± kfp
Pélites plagioklász
Kordierit Kvarcföldpátos
Grosszulár
Almandin / pirop Bázikus Meszes
Wollasztonit C
Diposzid
UB
Hipersztén
• Pélites: pl, szil., kord., Q, kfp (szillimanit, kordierit gneisz) • Q-fp kızet: pl, kord., gránát, Q, kfp (gránátos gneisz) • meszes: woll., grossz., pl, diopszid • bázikus: pl, diopszid, gránát; • pl, hip., gránát • ultrabázikus: hip., diopszid, gránát (eklogit)
8
Fázisátmenetek Eltőnı fázisok muszkovit kalcit amfibol antofillit biotit kordierit
Új fázisok szillimanit wollasztonit diopszid hipersztén almandin / pirop
KAl3Si3O10(OH)2 + SiO2 => KAlSi3O8 + Al2SiO5 + H2O muszkovit kvarc Kfp szillimanit fluidum CaCO3 + SiO2 => CaSiO3 + CO2 kalcit kvarc wollasztonit fluidum Ca2Mg4Al2Si7O22(OH)2 => CaMgSi2O6 + 3MgSiO3 + CaAl2Si2O8 +H2O amfibol diopszid hipersztén plagioklász fluidum Mg7Si8O22(OH)2 => 7MgSiO3 + SiO2 + H2O antofillit hipersztén kvarc fluidum
K(Fe,Mg)3AlSi3O10(OH)2 + 3SiO2 => KAlSi3O8 + 3(Mg,Fe)SiO3 + H2O biotit kvarc kfp hipersztén fluidum
(Mg,Fe)2Al4Si5O18 + (Mg,Fe)7Si8O22(OH)2 =>2(Mg,Fe)3Al2Si3O12 + 3(Mg,Fe)SiO3 + 4SiO2 + H2O kordierit antofillit almandin / pirop hipersztén kvarc fluidum
• Magas fokon a bázikus metamorfitok „száraz” ásványokban gazdagok – amfibol ⇒ opx, cpx, gránát
• Fluidum: az alacsonyabb olvadáspontú komponensekben ⇒ részleges felolvadás ⇒ migmatitosodás
9
A metamorf zónák elve: Barrow zónák • Barrow térképezése 1893-ban Skóciában • Kaledóniai hegységképzıdés: Dalred és Moine sorozatok • max. 700 °C és 700 MPa ⇒ kb. 25 km • Protolit: döntıen pélites kızetek + mészkı, diabáz, bazalt; kor: prekambrium - kora-kambrium • Ásványgenerációk alapján a MM fok növekedésével 6 elkülöníthetı zóna (Barrow zónák): • klorit; biotit; gránát; staurolit; kianit; szillimanit
10
A Barrow-féle metamorf zónák
Pélites kızetek (Barrow zónák) Zóna Klorit Biotit Gránát sztaurolit kianit szillimanit
Q
mu Chl
bi
ab olig alm st ky sil
Chl + mu + Q ⇒ bi + cord + fluid mu + Q ⇒ sil + kfp + fluid cord + ant ⇒ alm + hyp + Q + fluid
11
Metamorf zónák: pro és kontra
• Vilá Világszerte sok lelı lelıhelyen alkalmazott elv • Terepi munká munkánál jól alkalmazható alkalmazható, könnyen térké rképezhetı pezhetı zónahatá nahatárok
• Igazá Igazán a pélites kızetekre érvé rvényes, nyes, bár több kızettí zettípusra is alkalmazzá alkalmazzák • Különbö nbözı kızettí zettípusok eseté esetén nehezen korrelá korreláltatható ltatható P/T körülmé lmények • FluidumFluidum-, vagy feszü feszültsé ltségvá gváltozá ltozásra nem érzé rzékeny
A metamorf fáciesek elve: Eskola fáciesek • “Bármely kızetben, vagy metamorf formációban, amelyben a metamorfózis során állandó nyomáson és hımérsékleten kémiai egyensúly alakult ki, az ásványi összetételt csak a kémiai összetétel határozza meg.” • A gyakorlat számára: – A metamorf fácies egy ismétlıdıen megjelenı metamorf ásványegyüttes – Ha terepen megállapítható egy specifikus ásványegyüttes, illetve egymást kiegészítı ásványegyüttesek csoportja, úgy a területre jellemzı metamorf fácies meghatározható
12
Metamorf Fácies • Az elmélet számára: Mindegyik metamorf fácies egy-egy közelítıleg meghatározható P-T intervallumot jelöl • Eskola (1920) 5 fáciest különített el: – Zöldpala – Amfibolit – Szaruszirt – Szanidinit – Eklogit • Mafikus kızetekben könnyen meghatározható ásványegyüttesek találhatók
Metamorphic Facies • Eskola (1939) kiegészítése: – Granulit – Epidot-amfibolit – Glaukofánpala (jelenelg Kékpala) ... Valamint a szaruszirt fáciest piroxén szaruszirt fáciesre cserélte.
13
További fáciesek (mások által) Coombs (betemetıdési metamorf sorozatok, Új-Zéland): – Zeolit – Prehnit-pumpellyit Fyfe et al. (1958): – Albit-epidot szaruszirt – Hornblende szaruszirt
Metamorf Fáciesek eklogit Fig. 2525-2. TemperatureTemperaturepressure diagram showing the generally accepted limits of the various facies used in this text. Boundaries are approximate and gradational. The “typical” typical” or average continental geotherm is from Brown and Mussett (1993). Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.
kékpala
granulit zöldpala amfibolit
szaruszirtek
14
Mafikus kızetek ásványegyüttesei a különbözı fáciesekben Fácies
meghatározó ásványegyüttes mafitokban
Zeolit
zeolitok, fıleg laumontit, wairakit, analcim
Prehnit-pumpellyit
prehnit, pumpellyit (+ klorit, albit)
Zöldpala
klorit, albit, epidot / zoisit, kvarc, aktinolit
Amfibolit
hornblende, plagioklász (oligoklász-andezin), gránát
Granulit
Opx (+ Cpx, plagioklász, gránát, hornblende)
Kékpala
glaukofán, lawsonit / epidot (+ albit, klorit)
Eklogit
pirop, omfacitos piroxén
Kontakt fáciesek
érdemében nem különbözik a magasabb nyomású fáciesek ásványegyütteseitıl
Fig. 2525-9. Typical mineral changes that take place in metabasic rocks during during progressive metamorphism in the medium P/T facies series. The approximate location of the pelitic pelitic zones of Barrovian metamorphism are included for comparison. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Petrology. Prentice Hall.
15
Metamorf Fácies: rövid példa • Kémiailag azonos ásvá sványpá nypárok elté eltérı P-T viszonyok között: tt: MgSiO3 + CaAl2Si2O8 = CaMgSi2O6 + Al2SiO5 ensztatit anortit diopszid andaluzit
16
p-T becslés • stabil ásványegyüttesek alapján figyelembe véve az egyes reakciók fázisdiagramjait • igen kisfokú – kisfok: kiegészítı módszerek is – illit-klorit kristályossági fok (Kübler- index, Árkai-index) – vitrinit reflexió – szénülési fok, szervesanyag érettség – paragenezisek (csak metavulkanitokban)
Az igen kisfokú MM fáciesei (csak bázikus metavulkanitokban) • Prehnit-pumpellyit fácies: prehnit és/vagy pumpellyit megjelenése, a zeoltiok, laumontit eltőnése. Paragenezis: kvarc, albit, klorit, prehnit és/vagy pumpellyit. • Prehnit-aktinolit fácies: pumpellyit hiányzik. Paragenezis: prehnit, aktinolit, epidot, kísérıként klorit, albit, kvarc, titanit. • Pumpellyit-aktinolit fácies: prehnit hiányzik. Paragenezis: pumpellyit, aktinolit, kvarc, kísérıként klorit, albit, epidot.
17
p-T-t útvonal • betemetıdési szakasz: a hıátadás idıigénye miatt alacsony GtG, nyomás gyorsabban nı, mint a hımérséklet • felmelegedési szakasz: max. betemetıdési mélység: p ≈ pmax, fokozatosan eléri a GtG-nek megfelelı hımérsékletet • felmelegedés miatt sőrőség csökken + erózió a felszínen: kiemelkedés, expanzióval járó hıfelszabadulás: Tmax elérése • kihántolódási szakasz: p és T fokozatosan csökken
Fig. 2525-12. Schematic pressurepressure-temperaturetemperature-time paths based on heatheat-flow models. The Al2SiO5 phase diagram and two hypothetical dehydration curves are included. Facies boundaries, boundaries, and facies series from Figs. 2525-2 and 2525-3. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Petrology. Prentice Hall.
18
