Metamorfní procesy

Nerostné asociace, které se vytvořily v průběhu všech výše charakterizovaných procesů, mohou být postiženy metamorfními procesy, které vedou ke vzniku nových nerostných asociací. Metamorfózou sedimentárních nebo magmatických hornin vznikají metamorfované neboli přeměněné horniny, zkráceně označované jako metamorfity. Metamorfóza je soubor procesů, při nichž se hornina přizpůsobuje svým nerostným složením a stavbou novým termodynamickým podmínkám, které jsou odlišné od podmínek panujících při jejím vzniku. Při metamorfóze obvykle dochází k přínosu a odnosu některých složek, což vede ke změně v chemismu horniny. Metamorfní procesy v podstatě směřují k nastolení rovnováhy mezi horninou a prostředím, v němž se tato hornina nově nalézá. K metamorfóze dochází především v zemské kůře, ale i na zemském povrchu, resp. v jeho bezprostřední blízkosti. Do metamorfózy se však nezahrnují procesy vyvolané exogenními silami jako je např. zvětrávání a diageneze (i když je obtížné vést přesnou hranici mezi diagenezí a metamorfózou). V průběhu metamorfních procesů se přeměňující nerostné asociace musí nacházet v pevném stavu (výjimku tvoří procesy probíhající při šokové metamorfóze).

Metamorfózu mohou vyvolat čtyři základní činitelé: teplota, všesměrný (litostatický) tlak, orientovaný tlak (stress) a chemická aktivita fluidní fáze (roztoků a plynů).

První metamorfní reakce sice začínají již při teplotě okolo 150 °C (příp. i o něco nižší), avšak k výraznějším metamorfním přeměnám dochází teprve od teplot 300 - 400 °C. Horní hranice metamorfózy je zpravidla 700 - 900 °C (nad touto hranicí již dochází k anatexi horniny). Teplota výrazně ovlivňuje procesy vzniku minerálů, má vliv na stupeň rekrystalizace minerálů, urychluje průběh chemických reakcí a ve většině případů ovlivňuje charakter nerostné asociace, která se při metamorfóze tvoří.

Všesměrný (litostatický) tlak je vyvolán hmotností nadložních vrstev hornin. V závislosti na hustotě nadložních hornin by měl všesměrný tlak vzrůstat o 25 až 30 MPa na 1 km hloubky. To znamená, že v hloubce 35 km (což je průměrná hloubka Mohorovičičovy diskontinuity v zemské kůře kontinentálního typu) by byl tlak kolem 1 GPa a v hloubce 80 km (největší hloubka Mohorovičičovy diskontinuity v oblasti mladých pásemných pohoří) by byl tlak kolem 2,5 GPa. Velikost všesměrného tlaku však nezávisí jen na mocnosti a hustotě nadložních hornin, ale i na parciálním tlaku vodní páry a CO₂ (vznikajících v průběhu metamorfních procesů při dehydrataci a dekarbonatizaci minerálů). Výsledky experimentálních prací ukazují, že všesměrný tlak při metamorfóze může dosahovat hodnoty až 3 GPa.

Stress (orientovaný tlak) je vyvolán tektonickými pohyby a jeho velikost závisí na jejich intenzitě. Účinek stressu se s rostoucí hloubkou snižuje (v hloubkách větších než 10 km se stress prakticky již neprojevuje). Stress zvyšuje rozpustnost minerálů a vyvolává drcení horniny, což umožňuje lepší cirkulaci roztoků, které se účastní metamorfních reakcí; stress též příznivě ovlivňuje difúzi.

Přítomnost fluidní fáze je pro průběh většiny metamorfních procesů neobyčejně důležitá, neboť fluidní fáze má obrovský význam při přemisťování látek a při zprostředkování chemických reakcí. Pokud je v metamorfující se hornině přítomno jen malé množství fluidní fáze (jde o tzv. suché systémy), probíhají metamorfní procesy jen velmi pomalu nebo se zcela zastavují. Hlavními složkami fluidní fáze jsou voda a CO₂. Zdrojem vody, která tvoří základ fluidní fáze, může být jak sestupující meteorická voda, tak voda uvolňující se z magmatu (nebo jiná voda hlubinného původu), voda vytlačená z pórů hornin při diagenezi nebo počínající metamorfóze nebo může jít i o vodu uvolňující se při dehydratačních reakcích. Analogicky lze vysvětlit též původ CO₂ ve fluidní fázi (značné množství CO₂ se uvolňuje v průběhu dekarbonatizace). Vzhledem k tomu, že rychlost nejvýznamnějších metamorfních procesů je velmi nízká, přistupuje ke čtyřem výše uvedeným faktorům ještě časový faktor. K dosažení cíle metamorfózy, tj. k nastolení rovnovážného stavu (nebo alespoň přibližně rovnovážného neboli kvazirovnovážného stavu) mezi nerostnou paragenezí a okolním prostředím, je zapotřebí dlouhého časového intervalu (při regionální metamorfóze se uvádějí nejčastěji milióny nebo desítky miliónů let). - Význam časového faktoru končí nastolením rovnovážného (kvazirovnovážného) stavu.

Podle toho, které faktory mají v průběhu metamorfózy rozhodující význam, lze rozlišit čtyři základní typy metamorfózy, při nichž dochází ke vzniku nových minerálů. Jde o kontaktní metamorfózu, regionální metamorfózu, metasomatickou metamorfózu a šokovou metamorfózu.

Kontaktní (dotyková) metamorfóza probíhá v kontaktních aureolách (kontaktních dvorech) intruzivních těles převážně vlivem tepla pocházejícího z ochlazujícího se magmatického tělesa. Ke kontaktní metamorfóze dochází za relativně nízkých tlaků a často bez významnějšího přínosu a výnosu látek. Zvláštním případem kontaktní metamorfózy je tzv. kaustická metamorfóza (pyrometamorfóza), která je vyvolána krátkodobým působením vysoké teploty (např. při lávových výlevech nebo při podzemních požárech uhelných slojí).

Regionální (oblastní) metamorfóza postihuje obrovské oblasti. Uplatňují se při ní všechny výše uvedené faktory, a to zejména litostatický tlak, zvýšená teplota a stress (jak již bylo uvedeno, stress se projevuje v jen relativně menších hloubkách), v určité míře se uplatňuje i aktivita fluidní fáze; zásadní význam má délka trvání metamorfních procesů.

Metasomatická metamorfóza způsobuje výrazné změny nejen v nerostném složení, ale i v chemismu přeměňující se horniny. Průběh metasomatických procesů je ovlivňován teplotou, litostatickým tlakem, stressem a délkou jejich trvání, avšak prvořadým faktorem určujícím průběh a výsledek metasomatické přeměny je množství a charakter fluidní fáze zajišťující přínos a výnos látek ze systému; rovněž složení horniny postižené metasomatózou zásadně ovlivňuje průběh metasomatických procesů.

Šoková metamorfóza probíhá velmi rychle (někdy jen několik sekund) při prudkém a výrazném zvýšení teploty nebo tlaku (např. při dopadu větších meteoritů na zemský povrch).

Ke změnám ve složení nerostných asociací v průběhu metamorfózy dochází chemickými reakcemi, z nichž mají největší význam čtyři typy metamorfních reakcí: reakce v pevném stavu, dehydratace, dekarbonatizace a oxidačně redukční reakce.

Příkladem metamorfních reakcí v pevném stavu jsou polymorfní přeměny v soustavě Al₂SiO₅ (obr. 3) - jde např. o přeměnu andalusitu na sillimanit nebo sillimanitu na kyanit. Do této skupiny metamorfních reakcí patří rovněž vznik jadeitu a křemene rozkladem albitu nebo vznik albitu a nefelínu rozkladem jadeitu - průběh uvedených reakcí je naznačen následujícími rovnice (za odlišných metamorfních podmínek mohou obě reakce probíhat i opačným směrem):

Na[AlSi₃O₈] ===> NaAl[Si₂O₆] + SiO₂

2NaAl[Si₂O₆] ===> Na[AlSi₃O₈] + Na[AlSiO₄]

Většina významných metamorfních reakcí, které probíhají při zvyšující se teplotě, patří do skupiny dehydratačních reakcí, při nichž je vznik nové nerostné asociace provázen uvolněním vody. Jednoduchým příkladem dehydratační reakce je disociace pyrofylitu za vzniku kyanitu, křemene a vody, kterou lze vyjádřit následující rovnicí:

Al₂[(OH)₂|Si₄O₁₀] ===> Al₂SiO₂ + 3SiO₂ + H₂O

Dehydrataci muskovitu za vzniku korundu a K-živce vyjadřuje rovnice

KAl₂[(OH)₂|AlSi₃O₁₀] ===> Al₂O₃ + K[AlSi₃O₈] + H₂O

Častěji však při metamorfních procesech dochází k rozkladu muskovitu za přítomnosti křemene. Produktem této dehydratační reakce je sillimanit, K-živec a H₂O:

KAl₂[(OH)₂|AlSi₃O₁₀] + SiO₂ ===> Al₂SiO₅ + K[AlSi₃O₈] + H₂O

V horninách obsahujících karbonáty mohou při zvyšování teploty probíhat reakce, při nichž dochází k uvolňování CO₂, tedy k dekarbonatizaci. Příkladem dekarbonatizace může být reakce kalcitu s křemenem za vzniku wollastonitu:

CaCO₃ + SiO₂ ===> CaSiO₃ + CO₂

Při rozkladu dolomitu za přítomnosti křemene může docházet ke vzniku tremolitu a kalcitu. Průběh této dekarbonatizační reakce vyjadřuje následující rovnice:

5CaMg(CO₃)₂ + 8SiO₂ + H₂O ===> Ca₂Mg₅[OH|Si₄O₁₁]₂ + 3CaCO₃ + 7CO₂

Dehydratační a dekarbonatizační reakce lze souhrnně označit jako disociační reakce. Při metamorfních procesech dochází k řadě komplikovaných disociačních reakcí, při nichž současně probíhá dehydratace a dekarbonatizace. Příkladem reakcí tohoto typu je přeměna asociace muskovit+kalcit+křemen na asociaci K-živec+epidot, jejíž vznik je provázen uvolněním CO₂ a H₂O. Průběh této metamorfní reakce lze vyjádřit rovnicí:

3KAl₂[(OH)₂|AlSi₃O₁₀] + 4CaCO₃ + 6SiO₂ ===> 3K[AlSi₃O₈] + 2Ca₂Al₃[OH|O|SiO₄|Si₂O₇] + 4CO₂ + 2H₂O

Příkladem oxidačně redukční reakce je přeměna hematitu na magnetit podle rovnice:

6Fe₂O₃ ===> 4Fe₃O₄ + O₂

Pokud při metamorfní přeměně hornin dochází k přínosu látek z vnějšího zdroje, označujeme takovou přeměnu jako metasomatickou metamorfózu. Termínem metasomatóza se označuje soubor procesů, při nichž dochází k metasomatické metamorfóze. Při metasomatóze probíhá výměna atomů či iontů mezi jednotlivými minerály či mezi minerály a okolním prostředím, což vede k nahrazování relativně starších minerálů mladšími minerály. V průběhu metasomatózy se mění nejen nerostné složení původní asociace (horniny), ale i její chemické složení. Jak již bylo uvedeno ve stati II.3, dochází k metasomatickým procesům převážně vlivem hydrotermálních roztoků, a proto se tento typ metasomatózy často označuje jako hydrotermální metasomatóza; hydrotermální metasomatóza, která je vyvolávána vysokoteplotními (pneumatolytickými) roztoky, se někdy označuje jako pneumatolytická metasomatóza.

V následujících odstavcích jsou velmi stručně charakterizovány hlavní typy metasomatické metamorfózy:

Granitizace je velmi složitý metasomatický proces spojený s migrací látek při velmi vysokém stupni regionální metamorfózy. V průběhu granitizace vznikají přeměnou starších hornin různého složení horniny granitoidního typu.

Jako albitizace se označuje metasomatické zatlačování různých silikátů albitem. Jde například o nahrazování bazického plagioklasu albitem v bazických efuzívech v průběhu tzv. spilitové reakce, kterou je možno vyjádřit následující rovnicí:

Ca[Al₂Si₂O₈] + Na₂CO₃ + 4SiO₂ ===> 2Na[AlSi₃O₈] + CaCO₃

Z uvedené rovnice je zřejmé, že nahrazování anortitu albitem za současného vzniku kalcitu je způsobováno uhličitanem sodným, jenž je přinášen hydrotermálním roztokem (reakce je zvratná - při stoupající teplotě probíhá doleva).

Feldspatizace je metasomatický proces, při němž dochází k obohacování hornin živci (např. albitem nebo ortoklasem).

Sericitizace je hydrotermální přeměna draselných živců a plagioklasů, při níž vzniká jemně šupinkovitý muskovit (sericit). Průběh sericitizace K-živce lze schematicky vyjádřit rovnicí:

3K[AlSi₃O₈] + H₂O ===> KAl₂[(OH)₂|AlSi₃O₁₀] + 6SiO₂ + K₂O

Kaolinizace je souhrn metasomatických procesů vedoucích k zatlačování alumosilikátů (zejména živců) kaolinitem. Termínem kaolinizace se však rovněž označuje vznik kaolinitu při zvětrávání alumosilikátů vhodného složení. Průběh kaolinizace lze vyjádřit reakcí:

4K[AlSi₃O₈] + 4H₂O ===> Al₄[(OH)₈|Si₈O₁₀] + 8SiO₂ + 2K₂O

Jako serpentinizace se označuje metasomatická přeměna, která postihuje především ultrabazické horniny (např. peridotity). V průběhu serpentinizace dochází k nahrazování olivínu, pyroxenů, příp. amfibolů minerály serpentinové skupiny. V průběhu serpentinizace kromě minerálů serpentinové skupiny vznikají i další nerosty, jako např. magnezit, mastek, brucit a magnetit. Velmi schematicky lze hydrataci olivínu (forsteritu) za vzniku minerálu serpentinové skupiny společně s brucitem naznačit rovnicí:

4Mg₂[SiO₄] + 6H₂O ===> Mg₆[(OH)₈|Si₄O₁₀] + 2Mg(OH)₂

Následují rovnice naznačuje průběh serpentinizace ultrabazické horniny složené z olivínu (s 50% forsteritové složky a 50% fayalitové složky) a pyroxenu. Produktem této reakce je minerál serpentinové skupiny, brucit, magnezit, magnetit a chalcedon:

6MgFe[SiO₄] + 2Mg₂[Si₂O₆] + 6H₂O + 2CO₂ + O₂ ===>
===> Mg₆[(OH)₈|Si₄O₁₀] + 2Mg(OH)₂ + 2MgCO₃ + 2Fe₃O₄ + 6SiO₂

Propylitizace je metasomatická přeměna tmavých minerálů a živců na směs chloritu, muskovitu, albitu, epidotu a dalších nerostů, která postihuje některé vulkanické horniny (např. andezity).

Silicifikace neboli prokřemenění je metasomatická přeměna, při níž dochází k prosycení horniny křemenem.

Jako greisenizace se označuje vysokoteplotní hydrotermální metamorfóza, která postihuje především granity a jim blízké kyselé horniny. Hydrotermální roztoky bohaté na F, B, Cl, Si, Li, P a někdy též na Sn, W a Mo způsobují vznik zcela nové nerostné asociace. Greisenizací vzniká hornina zvaná greisen. Tato hornina je složena především z křemene a slídy (muskovitu, někdy cinwalditu), v menším množství obsahuje topaz, fluorit, K-živec, turmalín, apatit, kassiterit, wolframit a další minerály. Vznik pro greiseny typické nerostné asociace muskovit+křemen+topaz reakcí K-živce s vysokoteplotním roztokem obsahujícím HF schematicky vyjadřuje rovnice:

5K[AlSi₃O₈] + 3HF ===> KAl₂[(OH,F)₂|AlSi₃O₁₀] + 11SiO₂ + Al₂[F₂|SiO₄] + 2K₂O + H₂O

Skarnizace je metasomatická přeměna zpravidla karbonátových hornin, při níž vznikají skarny, tj. horniny tvořené především pyroxeny (diopsid-hedenbergitové řady), granáty (andraditem a grossularem), amfiboly, epidotem a dalšími minerály. (Skarny však mohou vznikat i jinak - např. regionální metamorfózou hornin vhodného složení.) Vznik typického andradit-hedenbergitového skarnu s magnetitem hydrotermální přeměnou sedimentární horniny tvořené kalcitem a sideritem naznačuje následující rovnice (do reakce vstupující Fe₂O₃ může být součástí výchozího sedimentu, produktem oxidace sideritu, příp. může docházet k přínosu Fe₂O₃ hydrotermálním roztokem):

4CaCO₃ + 2FeCO₃ + 2Fe₂O₃ + 5SiO₂ ===> Ca₃Fe₂[SiO₄]₃ + CaFe[Si₂O₆] + Fe₃O₄ + 6CO₂

další »»