Přednáška V. Petrologie klíčová slova: magma, horniny vyvřelé, sedimentární, metamorfované, systém hornin. 1
Petrologie je obor geologických věd, který se zabývá studiem hornin. Zabývá se vznikem hornin, jejich systematikou, různými aspekty jejich vývoje a vztahy k okolním objektům litosféry. Synonymem pro petrologii je do značné míry název litologie. Petrologie se dělí na dílčí obory: Petrofyzika - zabývá se hlavně fyzikálními vlastnostmi hornin. Petrochemie - zabývá se především chemickým složením hornin. Hlubinná petrologie - studuje materiály, které tvoří hlubší patra Země, nepřístupná přímému zkoumání, a procesy jejich vzniku. Technická petrografie - studuje nehorninové materiály, např. sklo, keramické hmoty, strusky apod. petrografickými metodami, umělé kameny. Aplikovaná petrografie - je aplikace petrografických metod v různých oborech (archeologie, pedologie, environmentalistika a 2 mnoho jiných).
Pro označení předmětu studia petrologie se používají tři základní termíny: skála, kámen a hlavně hornina. Hornina je materiál tvořící skály, skalní masívy i kameny. Je to přírodně vzniklá látka, tvořená souborem zrn jednoho nebo více minerálů, sklem, přeměněnými organickými hmotami nebo kombinací těchto komponent. Skála představuje výchoz pevných hornin z moře, nebo ze zvětralinového pláště, který souvisí s pevným horninovým základem. Kámen označuje kusy hornin, úlomky apod., odloučené od horninového masívu buď přírodními procesy (vyvětráváním) nebo uměle (lámáním a technickou úpravou). 3
Obr. 1: Příklad multiminerální horniny www.natur.cuni.cz 4
Horniny zemské kůry se dělí do třech základních skupin: Primární: Magmatické (vyvřelé) Sekundární: Sedimentární Metamorfované Složení hornin je závislé na jejich původu a vývoji: U vyvřelých hornin záleží na charakteru magmatu a podmínkách jeho tuhnutí. Výchozí materiál, proces jeho transportu a způsob sedimentace je rozhodující pro sedimentární horniny. Složení metamorfovaných hornin je závislé na povaze původních hornin a vlivech, které vedly k jejich přeměně. Vznik a vývoj hornin je úzce spjat s horninovým cyklem. 5
Obr. 2: Horninový cyklus www.petrol.sci.muni. cz 6
1. Magmatické horniny (vyvřeliny) vznik viz min. přednáška (vznik minerálů magmatickými procesy) Systém vyvřelých hornin se opírá především o jejich mineralogické složení, chemismus a uložení v rámci zemské kůry. Nerosty obsažené v horninách se rozlišují na: - podstatné (horninotvorné) jsou přítomny nejčastěji v podstatném množství a při určování hornin mají rozhodující význam. - podružné - minerály se vyskytují v podružném množství a nemají pro klasifikaci horniny zásadní význam. V jiných horninách se mohou vyskytovat i v podstatném množství - akcesorické (doplňkové) - jsou zastoupeny ve velmi malém množství (viditelné obvykle pouze pod mikroskopem) 7
Horninotvornými minerály jsou v magmatických horninách především silikáty a oxidy. Rozlišujeme je na tzv. felsické a mafické minerály: - Felsické (světlé): bílá, růžová nebo našedlá barva Křemen (SiO 2 ) Ortoklasové živce = ortoklasy (silikáty Al a K) Plagioklasové živce = plagioklasy (silikáty Al, Na a Ca) - Mafické (tmavé): černá barva, větší hustota než felsické min. Slídy (silikáty Al, Mg a Fe) Amfiboly Pyroxeny Olivín (silikát Mg a Fe) 8
V případech, kde nelze přesně určit minerální složení horniny (h. sklovité a submikrokrystalické), lze k jejich klasifikaci použít charakteristiky vycházející z jejich chemismu. I při chemické klasifikaci se však odkazuje na minerální složení, resp. na obsah SiO 2. Podle chemismu (rep. reakce ph) rozdělujeme horniny na: Ultrabazické (pod 45% SiO 2 ) peridotit, pikrit Bazické (45-52% SiO 2 ) gabro, čedič Intermediální (52 65% SiO 2 ) granodiorit, dacit Kyselé (nad 65% SiO 2 ) žula, ryolit 9
Obr. 3: Závislost chemického a minerálního složení v základních typech magmatických hornin Steinbach 1987 10
Dalším činitelem pro začlenění magmatických hornin do systému je jejich umístění v litosféře. Základníčlenění je na horniny: Hlubinné (plutonické, intruzivní) žula, diorit, gabro Výlevné (vulkanické, efuzivní) ryolit, znělec, čedič + žilné pegmatit, porfyr, aplit Hlubinné vyvřeliny vznikly krystalizací magmatu ve velké hloubce. Magma se ochlazovalo velmi pomalu a proto jsou plně vykrystalované - minerály dosahují relativně velkých rozměrů zrn. Výlevné vyvřeliny tuhly na povrchu nebo těsně pod povrchem za podmínek velmi rychlého ochlazování. Jsou proto obvykle mnohem jemněji zrnité než plutonity a mohou obsahovat i horninové sklo. Žilné vyvřeliny představují poměrně rychle utuhlé intruzívní horniny. Typický žilný tvar má za důsledek poměrně rychlé ochlazování a oproti hlubinným horninám tak vzniká jemněji zrnitá hornina. 11
Obr. 4: Granit (žula) (křemen, K živec > Na, Ca živce, biotit, muskovit) www.horniny.kvalitne.cz Obr. 5: Gabro (sodnovápenatý živec, pyroxen) www.horniny.kvalitne.cz 12
Obr. 6: Bazalt (pyroxeny, amfiboly, sodnovápenaté živce, olivín ) www.horniny.kvalitne.cz Obr. 7: Ryolit (křemen, živce, biotit) www.horniny.kvalitne.cz 13
Obr. 8: Pegmatit (křemen, K-živce, muskovit, biotit) www.horniny.kvalitne.cz Obr. 9: Porfyr (křemen, živce, amfibol) www.horniny.kvalitne.cz 14
HORNINY granitické světlé andesitické střední barvy basaltické tmavé ultratmavé intruzivní a hlubinné středně a hrubozrnné ŽULA DIORIT GABRO PERIDOTIT žilné s porfyrickými vyrostlicemi ŽULOVÝ PORFYR DIORITOVÝ PORFYRIT GABROVÝ PORFYRIT - výlevné jemnozrnné RYOLIT ANDESIT ČEDIČ - horninotvorné nerosty křemen, K- živec živec (sodnovápenatý) amfibol,živec (sodnovápenatý a vápenatosodný),foidy a biotit živec vápenatosodný,pyroxen olivin, pyroxen podružné nerosty muskovit,biotit, amfibol pyroxen olivin,amfibol vápenato-sodný živec 15
2. Sedimentární horniny vznik viz min. přednášky (sedimentární cyklus, eroze) Klasifikace sedimentárních hornin vychází především z jejich geneze (=vzniku). Rozlišujeme sedimenty: Klastické (úlomkovité) vznikají sedimentací rozrušených úlomků starších hornin Biochemické a chemogenní vznikají především vylučováním z roztoků, či mineralizací schránek organismů Organogenní mají biogenní původ, vznikly nahromaděním zbytků organismů, zachovaly si organický charakter 16
Klastické sedimenty: Představují sedimentární horniny v užším pojetí, vznikly jako produkt sedimentárního cyklu (rozrušování transport ukládání). Zdrojem klastů (=úlomků starších hornin) mohou být vyvřeliny, metamorfity, ale i sedimenty. Podle velikosti úlomků lze dělit klastické horniny na: a. psefity štěrková složka (> 2 mm) b. psamity písčitá složka (0,06 2 mm) c. aleurity prachová složka (0,06 0,002 mm) c. pelity jílová složka (< 0,002) psefos = hrubý, psamos = písek, alevros = mouka, pelos = bahno Podle vlivu exogenních činitelů a místa vzniku rozlišujeme sedimenty mořské, říční, větrné (fluviální), ledovcové (glaciální) apod. (viz exogenníčinitelé činnost tvořivá). 17
psefity psamity aleurity pelity skupina štěrky slepence brekcie písky pískovce křemence arkózy droby spraše prachovce jíly jílovce hornina složení sypké, zrna o velikosti >2mm stmelená zaoblená štěrková zrna stmelená ostrohranná štěrková zrna sypké, zrnitostní frakce písek stmelená písková zrna silicifikované pískovce a prachovce vysoký obsah zrn živců jílovitý tmel, obsah jílu > 25% křemitý prach, obsah CaCO 3 stmelené prachové částice nesoudržné, zrnitostní frakce jílu stmelený jílovitý materiál jílovité břidlice 18 jíl, štěpnost na tenké destičky
Sedimenty lze dle jejich charakteru dělit na zpevněné a nezpevněné. Ke zpevnění (=diagenezi) dochází u sedimentů staršího původu a děje se tak buď kompakcí (pouhým stlačením), nebo cementací (vyloučením tmelu). Z hlediska minerálního charakteru jsou zpravidla nejčastější pojiva železitá (limonit - rezavá barva, hematit - červenohnědá barva), pojivo křemité - barva šedobílá, vápnité - barva béžová až bělavá, glaukonitové - barva šedozelená. Pokud lze rozpoznat pojivo a vlastní klastický materiál, označuje se klast jako základní hmota (matrix) a pojivo jako tmel. Mezi nezpevněné horniny lze považovat i zeminy. 19
Obr. 10: Typy pojiv klastických sedimentů. 1 - kontaktní, 2 - povlakové, 3 - pórové nebo výplňové, 4 - bazální, 5 - korozní, 6 - regenerační. www.geotech.fce.vutbr.cz 20
Obr. 11: Břidlice www.horniny.kvalitne.cz Obr. 12: Štěrk www.edwclevy.com 21
Obr. 13: Jílovec www.horniny.kvalitne.cz Obr. 14: Pískovec www.horniny.kvalitne.cz 22
Biochemické sedimenty Vznikají ukládáním a následnou rekrystalizací schránek odumřelých organismů především na dně vodních nádrží (jezera, moře). Dle chemismu lze tyto sedimenty rozdělit na: a. křemité usazeniny - tvořené sedimentací křemíkatých schránek (Radiolaria, Diatomacea) - diatomit, silicit b. usazeniny uhličitanu vápenatého (CaCO 3 ) - vzniklé zpevněním vápnitých schránek (Foraminifera, Mollusca) - vápenec 23
Obr. 15: Organogenní vápenec www.geotech.fce.vutbr.cz 24
Obr. 17: Vápenec www.horniny.kvalitne.cz Obr. 16: Diatomit www.cgu.cz 25
Chemogenní sedimenty Vznik chemogenních sedimentů je dán srážením či vylučováním chemických sloučenin z roztoku (zpravidla vodného). Jejich výskyt je tudíž vázán na vodní prostředí, velké procento vzniká v mořích. Dle chemismu lze tyto sedimenty rozdělit na: a. křemité usazeniny - tvořené kryptokrystalickými odrůdami SiO 2 a opálu - rohovec, gejzirit b. usazeniny uhličitanu vápenatého (CaCO 3 ) - sintr, travertin, aragonit c. usazeniny železných rud - limonit, siderit, chamosit d. usazeniny fosfátů (fosforitů) - vznikají zpravidla vysrážením z mořské vody e.) solné uloženiny (evapority) - vznikají v aridních a semiaridních oblastech 26
Obr. 18: Travertin vápenatý chemogenní sediment www.geotech.fce.vutbr.cz 27
Obr. 20: Travertin www.horniny.kvalitne.cz Obr. 19: Sintr www.horniny.kvalitne.cz 28
Organogenní sedimenty (organolity, biolity) Organolity vznikly anaerobním rozkladem rostlinných a živočišných pozůstatků. Podle původu organické hmoty rozdělujeme organolity na zoogenní (zoolity) a fytogenní (fytolity). Kaustobiolity se rozdělují na: uhelnou řadu (rašelina (xylit lignit) - hnědé uhlí černé uhlí - antracit (gagát, šungit) živičnou řadu (ropa, ozokerit, asfalt, zemní plyn) Horniny uhelné řady vznikají prouhelněním především rostlinného materiálu, původ živic není dosud zcela objasněn, předpokládá se vznik rozkladem uhlovodíků živočišného původu. 29
Obr. 22: Xylit www.cgu.cz Obr. 21: Hnědé uhlí www.horniny.kvalitne.cz 30
Obr. 24: Šungit http://www.antikom.si Obr. 23:Černé uhlí www.horniny.kvalitne.cz 31
2. Metamorfované horniny vznik viz min. přednášky (horninový cyklus, vznik minerálů) Metamorfované horniny vznikají z již existujících hornin, jako jsou vyvřelé, sedimentární,ale i dříve metamorfované horniny. Změny nastávají působením tepla, tlaku a chemické aktivity roztoků. Mění se textura a složení minerálů. Za nízkých teplot a tlaků je proměna slabá a dojde pouze ke zpevnění horniny. Při zvýšení teploty a tlaku jsou změny tak rozsáhlé, že není možné poznat o jakou původní horninu se jednalo před metamorfózou. Teplotní rozsah metamorfózy je od 200 C (do 200 C probíhá tzv. diageneze - zpevňování hornin) do teploty, kdy se daná hornina začíná tavit (tato teplota závisí na složení horniny a pohybuje se od 650 do 1100 C. 32
Od magmatických procesů je metamorfóza odlišná tím, že horninový materiál zůstává v průběhu metamorfózy v pevném stavu (nevzniká magma). Metamorfóza je děj, který nelze přímo pozorovat, a proto jsou podmínky, při nichž probíhá, pouze odhadovány. Uvádí se, že všesměrný tlak narůstá asi o 2,5 MPa na 100 m hloubky, teplotní gradient stoupá o 30 C na 100 metrů. Metamorfóza působí na horniny tak, že se stávají kompaktnější a zvyšuje se jejich hustota. Významný jev v metamorfované hornině je tzv. usměrnění minerálů a deskovitá odlučnost břidličnatost. Metamorfní pochody se podle svého rozsahu dělí na: metamorfózu regionální metamorfózu lokální 33
Obr. 25: Textura metamorfovaných hornin: A - plošně paralelní, B - lineárně paralelní, C - všesměrná www.geotech.fce.vutbr.cz 34
Regionální metamorfóza: Svými účinky postihuje rozsáhlá území 100-1000 km 2 ), probíhá velmi dlouho, pravděpodobně desítky mil. let. V jejím průběhu vznikají krystalické břidlice. Rozděluje se na: m. orogenní - v oblastech srážek litosférických těles m. mořského dna - na středooceánských divergentních hranicích, metamorfóza je ovlivněna horkými roztoky mořskou vodou m. pohřbením - v sedimentárních pánvích, působí zde tlak nadloží Regionální metamorfózou vznikají např. fylity, svory, mramory, ruly. 35
Lokální metamorfóza Dochází k ní anomálními změnami podmínek v prostorově omezených částech zemské kůry. Probíhá mnohem rychleji než metamorfóza regionální, několik sekund až několik tisíc let. V rámci lokální metamorfózy se vymezuje několik podtypů: m. kontaktní - probíhá na kontaktech vyvřelých hornin (magmatu či lávy) m. dislokační - je způsobena drcením hornin na zlomech a v pásmech kolem nich m. šoková - je nejrychlejším typem metamorfózy, probíhá obvykle jen několik sekund (př. náraz meteoritu na zemský povrch či podzemní jaderný výbuch) Lokální metamorfózou vznikají tělesa metamorfovaných hornin malého plošného rozsahu, jako např. kontaktní břidlice, kontaktní rohovce, porcelanity, erlany. 36
Původní horniny kyselé vyvřeliny (žula, ryolit) bazické vyvřeliny (diorit, čedič, znělec) ultrabazické vyvřeliny (peridotit) konglomeráty pískovce arkozy jílovité sedimenty (břidlice, jílovce) slinité horniny (slínovce, opuky) vápence a dolomity Metamorfované horniny rula (ortorula) granulit zelené břidlice, amfibolit, eklogit chloritická břidlice, mastková břidlice, hadec (serpentinit) konglomerátové ruly kvarcit rula (pararula) porcelanit, fylit (slabá m.), svor (silná m.), rula (pararula) rohovec, erlan, amfibolit krystalické vápence (mramory a 37 dolomity)
Obr. 27: Fylit www.horniny.kvalitne.cz Obr. 26: Mramor www.horniny.kvalitne.cz 38
Obr. 29: Pararula www.horniny.kvalitne.cz Obr. 28: Ortorula www.horniny.kvalitne.cz 39