1

A metamorfózis lehatárolása

Lásd még: Pápaykönyv 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

2

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)

3

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

4

Metamorf ásványegyüttesekstabilitása

• 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

5

• CO2, H2O mindig jelen van ⇒ 5-6 komponens ⇒ 5-6 fázis

• ACF diagramok: Al, Ca, Femikus, (+Q, Fp)

C F

A

± kvarc

± albit

± kfp

Pélites

Kvarc-

földpátos

BázikusMeszes

UB

Az ACF diagram• Fıleg a mafikus (bázikus, ultrabázikus) kızetek

metamorf ásvanyegyütteseinek és azokváltozásának modellje egy egyszerősített 3-komponenső rendszerben.

• Csak a megjelenı / eltőnı ásványokra koncentrál ->metamorf fok jelzı ásványok

• 3 pszeudo-komponens: A = Al2O3 + Fe2O3 - Na2O - K2OC = CaO - 3.3 P2O5

F = FeO + MgO + MnO

6

Az AKF Diagram

• Pélites szedimentekhez (magas Al-, K-tartalom)

• A 3 pszeudo-komponens:A = Al2O3 + Fe2O3 - Na2O - K2O - CaOK = K2OF = FeO + MgO + MnO

Kisfokú MM

Pélites

Kvarc-

földpátos

BázikusMeszes

C F

A andaluzit,

muszkovit

epidot

(zoizit)

kalcit

aktinolit

klorit

± kvarc

± albit

± kfp

Pélites, Q-fp-os kızetekben:

epidot, klorit, andaluzit,

muszkovit, Q, kfp, ab

Meszes kızetekben:

epidot, kalcit, aktinolit, Q,

kfp, ab

Bázikus kızetekben:

aktinolit, klorit, epidot

(aktinolitpala)

Ultrabázikus: aktinolit,

klorit, talk (kloritpala, fillit)talk

UB

7

Közepes fokú MM• 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)

Pélites

Kvarc-

földpátos

BázikusMeszes

A szillimanit,

muszkovit

plagioklász

kalcit

Biotit

± kvarc

± kfp

AntofillitAmfibol

Kordierit

Grosszulár

C

UB

FázisátmenetekEltőnt fázisok Új fázisok

andaluzit szillimanitepidot / zoizit plagioklászklorit grosszulártalk cordieritaktinolit biotitalbit antofillit

hornblende

Al2SiO

5 => Al

2SiO

5

Andaluzit Szillimanit

4Ca2Al

3Si

3O

12(OH) + SiO

2 => 5CaAl

2Si

2O

8 + Ca

3Al

2Si

3O

12 + 4H

2O

epidot / zoizit kvarc anortit (plag) grosszulár fluidum

(Mg,Fe)5Al

2Si

3O

10(OH)

2 + KAl

3Si

3O

10(OH)

2 + 2SiO

2 =>

klorit muszkovit kvarc

K(Fe,Mg)3AlSi

3O

10(OH)

2 + (Mg,Fe)

2Al

4Si

5O

18 +4H

2O

biotit kordierit fluidum

7Mg3Si

4O

10(OH)

8 => 3Mg

7Si

8O

22(OH)

2 + 4SiO

2 + 4H

2O

talk antofillit kvarc fluidum

7(Mg,Fe)5Al

2Si

3O

10(OH)

2 +13Ca

2(Mg,Fe)

5Si

8O

22 (OH)

2 +12Ca

2Al

3Si

3O

12(OH)+14SiO

2 =>

klorit aktinolit epidot (zoizit) kvarc

25Ca2(Mg,Fe)

4Al

2Si

7O

22(OH)

2 + 22H

2O

amfibol fluidum

8

• 1. Albit → oligoklász (növekvı Ca-tartalom a hımérséklet emelkedésével)

2. Aktinolit → hornblende (az amfibol több Al-t és alkáliát fogad be magasabbhımérsékleten)

• Mindkét átmenet kb. azonos fokot jelent, de eltérı P/T görbe meredekséggel

Kisfok - középfok közötti átmenet két fıásványreakciója

Magas fok• Pélites: pl, szil., kord., Q,

kfp (szillimanit, kordieritgneisz)

• 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)

Pélites

Kvarc-

földpátos

BázikusMeszes

A Szillimanit,

plagioklász

Wollasztonit

Almandin / pirop

± kvarc

± kfp

Hipersztén

Kordierit

Grosszulár

C Diposzid

UB

9

FázisátmenetekEltőnı fázisok Új fázisokmuszkovit szillimanit

wollasztonitkalcit diopszidamfibol hiperszténantofillit almandin / piropbiotitkordierit

KAl3Si

3O

10(OH)

2 + SiO

2 => KAlSi

3O

8 + Al

2SiO

5 + H

2O

muszkovit kvarc Kfp szillimanit fluidum

CaCO3 + SiO

2 => CaSiO

3 + CO

2

kalcit kvarc wollasztonit fluidum

Ca2Mg

4Al

2Si

7O

22(OH)

2 => CaMgSi

2O

6 + 3MgSiO

3 + CaAl

2Si

2O

8 +H

2O

amfibol diopszid hipersztén plagioklász fluidum

Mg7Si

8O

22(OH)

2 => 7MgSiO

3 + SiO

2 + H

2O

antofillit hipersztén kvarc fluidum

K(Fe,Mg)3AlSi

3O

10(OH)

2 + 3SiO

2 => KAlSi

3O

8 + 3(Mg,Fe)SiO

3 + H

2O

biotit kvarc kfp hipersztén fluidum

(Mg,Fe)2Al

4Si5O

18 + (Mg,Fe)

7Si

8O

22(OH)

2 =>2(Mg,Fe)

3Al

2Si

3O

12 + 3(Mg,Fe)SiO

3 + 4SiO

2 + H

2O

kordierit antofillit almandin / pirop hipersztén kvarc fluidum

• Magas fokon a bázikus metamorfitok „száraz” ásványokban gazdagok– amfibol ⇒ opx, cpx, gránát

• Fluidum: az alacsonyabb olvadáspontúkomponensekben ⇒ részleges felolvadás ⇒ migmatitosodás

10

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

11

A Barrow-féle metamorf zónák

Pélites kızetek (Barrow zónák)

Zóna Q mu Chl bi ab olig alm st ky sil

Klorit

Biotit

Gránát

sztaurolit

kianit

szillimanit

Chl + mu + Q ⇒ bi + cord + fluid

mu + Q ⇒ sil + kfp + fluid

cord + ant ⇒ alm + hyp + Q + fluid

12

Metamorf zónák: pro és kontra

•• VilViláágszertegszerte soksoklellelııhelyenhelyenalkalmazottalkalmazott elvelv

•• TerepiTerepi munkmunkáánnáálljjóóll alkalmazhatalkalmazhatóó, , kköönnyennnyenttéérkrkéépezhetpezhetıızzóónahatnahatáárokrok

•• IgazIgazáánn a a ppéélitesliteskkıızetekrezetekre éérvrvéényesnyes, , bbáárr ttööbbbb kkıızettzettíípusrapusrais is alkalmazzalkalmazzáákk

•• KKüüllöönbnböözzııkkıızettzettíípusokpusok esetesetéénnnehezennehezenkorrelkorrelááltathatltathatóó P/T P/T kköörrüülmlméényeknyek

•• FluidumFluidum--, , vagyvagyfeszfeszüültsltséégvgvááltozltozáásrasranemnem éérzrzéékenykeny

• “Bármely kızetben, vagy metamorf formációban, amelyben a metamorfózis során állandó nyomásonés hımérsékleten kémiai egyensúly alakult ki, azásványi összetételt csak a kémiai összetételhatározza meg.”

• A gyakorlat számára:– A metamorf fácies egy ismétlıdıen megjelenımetamorf ásványegyüttes

– Ha terepen megállapítható egy specifikusásványegyüttes, illetve egymást kiegészítıásványegyüttesek csoportja, úgy a területre jellemzımetamorf fácies meghatározható

A metamorf fáciesek elve:Eskola fáciesek

13

• Az elmélet számára: Mindegyik metamorf fáciesegy-egy közelítıleg meghatározható P-T intervallumot jelöl

• Eskola (1920) 5 fáciest különített el:– Zöldpala– Amfibolit– Szaruszirt– Szanidinit– Eklogit

• Mafikus kızetekben könnyen meghatározhatóásványegyüttesek találhatók

Metamorf Fácies

• Eskola (1939) kiegészítése:– Granulit– Epidot-amfibolit– Glaukofánpala (jelenelg Kékpala)

... Valamint a szaruszirt fáciest piroxénszaruszirt fáciesre cserélte.

Metamorphic Facies

14

Coombs (betemetıdési metamorf sorozatok, Új-Zéland):– Zeolit– Prehnit-pumpellyit

Fyfe et al. (1958):– Albit-epidot szaruszirt– Hornblende szaruszirt

További fáciesek (mások által)

Metamorf Fáciesek

Fig. 25Fig. 25--2.2. TemperatureTemperature--

pressure diagram pressure diagram

showing the generally showing the generally

accepted limits of the accepted limits of the

various facies used in this various facies used in this

text. Boundaries are text. Boundaries are

approximate and approximate and

gradational. The gradational. The

““typicaltypical”” or average or average

continental geotherm is continental geotherm is

from Brown and from Brown and MussettMussett

(1993). (1993). Winter (2001) An Winter (2001) An

Introduction to Igneous Introduction to Igneous

and Metamorphic and Metamorphic

Petrology. Prentice Hall.Petrology. Prentice Hall.

kékpala

eklogit

granulit

amfibolitzöldpala

szaruszirtek

15

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. 25Fig. 25--9.9. Typical mineral changes that take place in metabasic rocks durinTypical mineral changes that take place in metabasic rocks during progressive metamorphism in the g progressive metamorphism in the

medium P/T facies series. The approximate location of the pelitimedium P/T facies series. The approximate location of the pelitic zones of Barrovian metamorphism are included c zones of Barrovian metamorphism are included

for comparison. for comparison. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic PetroloWinter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.gy. Prentice Hall.

16

•• KKéémiailagmiailag azonosazonos áásvsváánypnypáárokrok elteltéérrıı PP--T T viszonyokviszonyok kköözzöötttt::

MgSiOMgSiO33 + CaAl+ CaAl22SiSi22OO88 = CaMgSi= CaMgSi22OO66 + Al+ Al22SiOSiO55

ensztatitensztatit anortitanortit diopsziddiopszid andaluzitandaluzit

Metamorf Fácies: rövid példa

17

p-T becslés

• stabil ásványegyüttesek alapján figyelembe véve az egyes reakciók fázisdiagramjait

• igen kisfokú – kisfok: kiegészítımódszerek 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.

18

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 járóhıfelszabadulás: Tmax elérése

• kihántolódási szakasz: p és T fokozatosan csökken

Fig. 25Fig. 25--12.12. Schematic pressureSchematic pressure--temperaturetemperature--time paths based on heattime paths based on heat--flow models. The Alflow models. The Al22SiOSiO

55 phase diagram and phase diagram and

two hypothetical dehydration curves are included. Facies boundartwo hypothetical dehydration curves are included. Facies boundaries, and facies series from Figs. 25ies, and facies series from Figs. 25--2 and 252 and 25--3. 3.

Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic PetroloWinter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.gy. Prentice Hall.