Geochemie metamorfovaných hornin

Na tomto místě musíme rozlišit dva typy hornin - horniny, jejichž složení odráží složení původní horniny a horniny metamorfogenní.
V prvním případě se uplatnily zejména rekce probíhající pouze uvnitř horniny. Takový typ přeměny je označován jako chemicky konzervativní metamorfóza. Horniny, které podlehly tomuto typu přeměny vytvářejí tzv. izochemické řady hornin. Takovéto horniny, ačkoliv v nich došlo k různým přeměnám, (degarbonizace, dehydratace, oxidace), si uchovávají základní geochemické znaky.
Druhý typ hornin je výsledkem působení látkových přenosů ( i mezi horninami) během probíhající metamorfózy.

Metasomatoza

Zvláštním druhem metamorfózy je metasomatoza. Při ní dochází k přeměně hornin, která je navíc doprovázena změnou jejich chemického složení. Jde o soubbor procesů nahrazování minerálů v horninách jinými s odlišným chemickým složením. Takto vzniklé horniny jsou většinou nehomogenní, je pro ně charakteristický vznik velkých krystalů.
Procesy metasomatozy jsou ovlivňovány obdobnými faktory jako procesy metamorfní. Horniny vzniklé při těchto procesech jsou nazývány metasomatity.

Migrace látek

Velký význam při metamorfóze má pohyb látek v horninách.
Ten se může uskutečnit několika způsoby :
- přenosem látek při deformacích hornin vlivem směrného tlaku nebo intruzí (pronikání) magmatu.
- pohybem látek puklinami v hornině
- migrací fluidních fází mezi zrny hornin nebo přenosem iontů v intergranulárních prostorech
- difuzí krystalovou mřížkou malými pohyby atomů v mřížce nebo pohybbem difundující látky napříč mřížkou.

Chemická rovnováha v horninách

Při metamorfních procesech dochází k pomalému ustavování chemické rovnováhy v horninách. V případě dostatečně dlouhého průběhu metamorfních procesů dojde k ustavení rovnováhy. Ve většině případů však jde o stav skutečné rovnováhy, ale o stav, který se rovnováze pouzze blíží.
Složení hornin v rovnovážném stavu vyjadřuje mineralogické fázové pravidlo (viz kapitola fyzikálně-chemické základy geochemie).

Chemické faktory

Chemické potenciály v horninách

Při změně fyzikálních podmínek dojde v horninách ke vzniku chemických potenciálů. Rozdíly v chemických potenciálech se postupně vyrovnávají. Potenciály mezi horninami se vyrovnávají migrací látek, potenciály mezi minerály se vyrovnávají chemickými reakcemi. Nejčastějšími reakcemi probíhajícími v horninách jsou reakce komplexní, kterých se může účastnit více složek horniny současně.

K dalším fyzikálním faktorům patří :
Mechanické vlastnosti hornin - struktura, velikost zrna, pórovitost, hustota hornin.
Gravitační, magnetické a elektrické pole Země - gravitační pole ovlivňuje migraci prvků, magnetické pole stavbu metamorfních hornin a elektrické pole ovlivňuje přenášení energie.

Faktory ovlivňující průběh a výsledky metamorfózy

Již bylo uvedeno, že metamorfní procesy jsou ovlivňovány teplotou a tlakem. Kromě těchto dvou základních faktorů s eprojevuje vliv řady dolších činitelů. Hlavní metamorfní činitele můžeme rozdělit na fyzikální a chemické faktory.

1. Fyzikální faktory

Teplota - často je hlavní příčinou probíhajících přeměn. Hlavním zdrojem tepla jsou magmata, může se však uplatňovat i energie uvolňovaná při radioaktivním rozpadu prvků. Při regionální metamorfóze se uplatňují teploty od 80oC do 900oC, při šokové a kontaktní do 1400oC.

Tlak - celkový tlak působící při metamorfóze je souhrnem různých tlaků - tlaku nadloží, směrného tlaku a tlaku fluidní fáze.
Tlak nadloží je způsoben sloupcem hornin v nadloží a je funkcí hloubky : v 10 kilometrech je přibližně 260 MPa, ve 20 kilometrech pak 550 - 600 MPa.
Směrný tlak působí v určitém směru a způsobuje hlavně deformaci hornin. Kromě toho ovlivňuje také migraci prvků při metamorfóze.
Tlak fluidní fáze je souhrnem tlaků jednotlivých složek (vody, oxidu uhličitého, kyslíku, síry, fluoru apod.). Z těchto je nejdůležitější tlak vody ovlivňující dehydrataci.

Čas - podle doby trvání metamorfózy rozlišujeme :
Šokovou metamorfózu - trvá setiny sekundy (při dopadu meteoritů), dny až několik let.
Lokální metamorfózu - doba trvání je statisíce až miliony let.
Regionální metamorfózu - trvá desítky milionů let (tercynská metamorfóza 100 milionů let).

Metamorfní procesy

Všechny typy hornin procházejí po svém vzniku dalším vývojem. Některé se mohou dostat do hlubšíích částí zemské kůry a zde se potom přizpůsobují novým podmínkám, zejména vyšším teplotám a tlakům.
Zvýšení teploty a tlaku v nižších částech kůry vede k porušení rovkovážného stavu, ve které hornina je a proto v této hornině začnou probíhat procesy vedoucí k opětovnému ustavení rovnováhy. Tyto procesy vedou ke změně minerálního a případně také chemického složení hornin. Souhrnně jsou označovány jako metamorfní procesy.
Metamorfní procesy jsou kombinací následujících čtyř typů rekcí. Jde o tyto dějě :

a) reakce v pevném stavu
b) dehydratace
c) dekarbonatizace
d) oxidačně-redukční reakce.

Dehydrataci a dekarbonatizaci souhrnně označujeme jako reakce disociační.

ad a) Jde o fázové transformace izochemického charakteru. Tyto reakce probíhají bez ohledu na přítomnost kapalné a plynné fáze. Jsou tedy nezávislé na chemickém potenciálu vody a oxidu uhličitého.
Př. Přeměna jednotlivých modifikací SiO2.

ad b) + c) Zejména dehydratace je charakteristickým rysem většiny metamorfních reakcí. Řada minerálů totiž obsahuje vodu, kterou v důsledku změn teploty a tlaku ztrácí. Vznikají tak bezvodé minerály a horniny.
Př. Změna pyrofilitu na kyanit

Al2Si4O10(OH)2 > Al2SiO5 + 3 SiO2 + H2O
pyrofilit kyanit

Existují však také horniny zvlášť suché, které v průběhu metamorfózy vodu neztrácejí. Naopak ji pohlcují z okolních, na vodu bohatých minerálů.
V horninách, které obsahují karbonáty, dochází k analogické ztrátě oxidu uhličitého - dekarbonatizaci.
Př. Přeměna kalcitu na wollastonit

CaCO3 + SiO2 > CaSiO3 + CO2
kalcit wollastonit

Voda a oxid uhličitý uvolňované v průběhu těchto procesů ovlivňují další průběh metamorfózy. Přecházejí totiž do kapalné plynné fáze, ketré jsou velice důležitou složkou metamorfních procesů.

ad d) Posledním typem reakcí jsou reakce oxidačně-redukční. Ty jsou kromě tlaku a teploty ovlivňovány také dalšími faktory : přítomností kyslíku a vodíku vzniklých disociací vody, přítomností CO2, vliv má také přítomnost grafitu a organické hmoty.
Př. Redukční reakce oxidů železa, vyjádřené nnásledujícími rovnicemi.

6 Fe2O3 > 6 Fe3O4 + O2
hematit magnetit
2 Fe3O4 > 6 FeO + O2
magnetit wüstit
2 FeO > 2 Fe + O2
wüstit ryzí Fe

Granity a pegmatity

Oba typy hornin jsou si podobné svými vlastnostmi a složením.
Rozsáhlejší skupinu jsou granity, které tvoří asi 95% všech intruzivních hornin zemské kůry. Názory na vznik granitů se liší - dvě základní teorie (teorii magmatistů a transformistů) jsme charakterizovali v části zabývající se průběhem magmatického procesu. Podle dnešních teorií vznikaly granitoidy tuhnutím granitového magmatu, které vzniklo tavením sedimentárního a metamorfovaného vulkanického materiálu. Většina granitoidů vznukla z materiálu zemské kůry, jen malá část z materiálu pláště.
Granity mají různorodé složení a geologické vystupování a proto je nelze jednoznačně utřídit. Můžeme ale určit skupiny granitů s vyšším oobsahem Cu. Jiné skupiny mají vyšší obsah Be. Lze také určit,že granity s vysokým poměrem alkálií vůči Al mají vyšší obsah Zn.
Oproti bazickým horninám mají granity více křemíku, dále zvýšený obsah V a Ti. V menší mmíře jsou v nich obsaženy tranzitní prvky.

Téměř shodné s granity jsou pegmatity. Oproti nim však obsahují méně železa a titanu. Větší je u pegmatitů obsah alkalických kovů.
Vznikaly za menších tlaků než granity a obsahují méně vody. Často jsou hrubozrnné, někdy s extrémně velkými krystaly.

Karbonatity

Karbonatity jsou karbonátové horniny magmatického původu. Často se vyskytují v asociacích s alkalickými horninami nebo kimberlity.
Krystalují z hlubinných magmat karbonátového složení. Hlavním minerálem karbonatitů je kalcit, dále také železnato - hořečnaté karbonáty (dolomit, siderit).
Výrazně se svým chemickým složením odlišují od ostatních magmatických hornin. Hlavními složkami jsou vápník o CO2. Kromě toho obsahují zvýšený podíl P, K, Na, Ba, Sr a prvků vzácných zemin.

Kimberlity

Jde o ultrabazické horniny, ve srovnání s jinými typy dosti vzácné. Bývají mateřskými horninami diamantů. Často vystupují v asociaci s karbonatity.
K jejich vzniku dochází pravděpodobně ve velkých hloubkách (125 - 250 km) za extrémních tlaků parciálním tavením plášťového materiálu.
Chemickým složením patří kimberlity mezi nenasycené ultrabazické horniny. Mají nízký pbsah Si a částečně také Mg a Ma. Oproti jiným ultrabbazickým horninám mají ale vyšší obsah K, Al, Ti, Ca, CO2, H2O a SO3. Kimberlity mají také vyšší obsahy stopových prvků, např. Ni, Co, MMn, Cr. Litofilních prvků (Rb, Cs, Ba, Sr, U,Th ...) je v kimberlitech i 200x více. Vyšší je také koncentrace některých dalších prvků - B, Li, Sc a dalších.

Alkalické čediče

Jde o horniny, které spolu s tholeiity patří ke skupině hornin tvořících oceánské ostrovy (Tahiti, Havaj). Předpokládá se, že jsou produktem parciálního tavení svrchního pláště. Proces vzniku alkalických čedičů je ovlivňován řadou faktorů - např. obsahem těkavých složek, hloubkou vzniku apod.
Srovnáme-li obsahy některých prvků v alkalických čedičích a v oceánských tholeiitech, zjistíme podstatné rozdíly. Ty jsou patrny z tabulky .


Alkalické čediče Oceánské tholeiity



K 12 500 1 160
Rb 31 1,1
Cs 2 0,016
Sr 900 136
Ba 450 10,5
U 1 0,1
Th 4 0,2



Tab : Obsahy některých prvků v alkalických a oceánských bazaltech


Alkaliské čediče jsou také výrazně obohaceny o lehké prvky vzácných zemin. Jde o 100 až 200násobné, ve vzácnějších případech i 500násobné obohacení.

Kontinentální bazalty

Tyto horniny pravděpodobně vznikaly parciálním, zonálním či úplným tavením materiálu pláště.
Kontinentální bazalty se svým chemickým složením liší od oceánských tholeiitů. Obsahují více Si a hlavně alkalických kovů (K, Rb, Cs). Také u Ba a Sr jsou vyšší koncentrace. Méně pak obsahují tranzitních kovů - V, Sc, Cr, Mn, Co, Ni). Téměř shodné jsou obsahy Ti a Zr.
Kontinentální bazalty jsou také oproti oceánským obohaceny o lehké lanthanoidy.

krystalizace

Průběh procesu krystalizace a chování hlavních prvků při vzniku jednotlivých typů hornin ukážeme na příkladech.
Příkladem prvního typu hornin je skaergaardský masiv v Grónsku. Bylo zjištěno, že během krystalizace zvolna klesá obsah SiO2 a MgO, prudce ale roste koncentrace FeO. Poslední fáze při krystalizaci se obohacují o SiO2, Al2O3, Na2O, K2O, přitom klesá obsah CaO, MgO, Fe a TiO2.
Zástupcem druhé skupiny je ranský masiv. Celý proces jeho krystalizace byl složitý, což se projevuje nepravidelnostmi v distribuce prvků. Během krystalizzace postupně roste obsah SiO2, Na2O a K2O. Klesají obsahy MgO, FeO. Ve střeřední fázi se také uplatňují Al2O3 a CaO.
Geochemie alpinských peridotitů byla probrána v kapitole o magmatických horninách oceánské kůry.