PETROLOGIE Katodová luminiscence Čtení zápisu z dob vzniku horniny JAROMÍR LEICHMANN FILIP JELÍNEK 3 1 2 I obyčejný kámen nalezený na poli může být pro geologa cenným zdrojem informací, má v sobě záznam o procesech, které se podílely na jeho vzniku. Hornina je vlastně obdobou černé skříňky jsou v ní zapsány události, jimiž prošla během své existence. Ta trvala v některých případech desítky milionů či miliardy let. Úkolem petrologa (z lat. petra skála) je celý tento záznam přečíst. Každá hornina ale není snadno Doc. RNDr. Jaromír Leichmann, Dr. (*1963) vystudoval geologii na Masarykově univerzitě v Brně a na Univerzitě v Salcburku. V Ústavu geologických věd na Přírodovědecké fakultě MU se zabývá zejména využitím katodové luminiscence v geologii. Mgr. Filip Jelínek (*1978) vystudoval geologii na Přírodovědecké fakultě MU v Brně. Na této fakultě nyní využívá katodovou luminiscenci ve své doktorské práci. čitelná, a proto si petrologové pomáhají řadou chemických a fyzikálních metod. Jednou z nich je katodová luminiscence. Tímto termínem se označuje emise viditelného světla vyvolaná dopadem urychlených elektronů na horninu či minerál. Intenzita emitovaného světla je závislá především na koncentraci aktivátorů atomů, jejichž přítomnost ve struktuře studovaného materiálu luminiscenci vyvolává. K nim patří například atomy manganu a prvků vzácných zemin (jiné prvky, zejména dvojmocné železo, naopak luminiscenci tlumí). Kromě emise viditelného světla lze po dopadu urychlených elektronů na horninu sledovat a analyzovat řadu dalších jevů přinášejících informace o studovaném materiálu, například odraz elektronů či rentgenové záření. 1. a 2. Na obou snímcích je týž achát z Podkrkonoší (délka spodní hrany snímku odpovídá 3 mm). Na prvním snímku (získaném klasickou polarizační mikroskopií) je zřetelně vidět páskovanou strukturu achátu, odpovídající narůstání jednotlivých poloh chalcedonu. Na druhém snímku (získaném katodovou luminiscencí) je zřetelné, že chalcedon luminiscenci nevykazuje na snímku je černý. Zato jsou zřetelné dva tenké proužky kalcitu s jasně oranžovou luminiscencí (ty zase nejsou viditelné na prvním snímku). 3. Hrubozrnný tmavý granit durbachit z valounu nalezeného v karbonských slepencích na Drahanské vrchovině u Lulče, katodová luminiscence (délka spodní hrany snímku odpovídá 1,2 mm). Horniny již vykrystalované někdy reagují s různými fluidy. Zrno plagioklasu, tj. jednoho z živců, je v centrální části přeměněno na karbonát (oranžová luminiscence), albit (bez luminiscence) a světlou slídu (rovněž bez luminiscence). Přeměna byla důsledkem reakce plagioklasu z centrální části zrna, který měl oproti okraji zrna vyšší obsah vápníku, s roztoky bohatými CO 2. Ty pronikaly do zrna podél puklin nebo štěpných ploch krystalu. Některé z puklin byly později vyplněny karbonátem a na fotografii se jeví jako tenké oranžové žilky. Pokud roztoky pronikají křemenem nebo plagioklasem s nízkým obsahem vápníku, není na hranici žilky a minerálu patrná žádná reakce. Tam, kde se roztoky putující žilkou dostaly do styku s částí plagioklasu bohatou vápníkem, se ale původní zrno rozpadlo a začal se tvořit sekundární kalcit a další minerály. http://www.vesmir.cz Vesmír 84, březen 2005 143
4 4. Žíla hydrotermálního kalcitu v uranovém ložisku Rožná na Českomoravské vrchovině, katodová luminiscence (délka spodní hrany odpovídá 3 mm). Ve struktuře jsou zaznamenány procesy, jež daly vznik hydrotermálním žilám, s nimiž bývá zrudnění spojováno. Pozorovat lze postupnou krystalizaci kalcitu z hydrotermálního roztoku. Drobné změny chemického složení či teplotních a tlakových podmínek způsobily zonální stavbu kalcitového zrna (viz střídání světlejší a tmavší barvy). Kalcit bývá často na hydrotermálních žilách přítomen v několika generacích. 5. Žíla sideritu v uranovém ložisku Rožná v počínajícím stadiu zatlačení mladším kalcitem, katodová S vzájemným zatlačováním hydrotermálních karbonátů se lze setkat často. Starší výplní hydrotermální žíly je v tomto případě siderit neboli uhličitan vápenatý (červeno-černé domény), mladší je kalcit (s oranžovou luminiscencí). Tentokrát nevyplňuje zbylé dutiny, nýbrž v podobě tenkých žilek proráží skrz siderit. Na kontaktu mezi žilkou kalcitu a sideritem je patrný neostrý lem s červenooranžovou luminiscencí, produkt reakce mezi oběma karbonáty. 6. Žíla sideritu v uranovém ložisku Rožná v pokročilém stadiu zatlačení mladším kalcitem, katodová luminiscence (délka spodní hrany odpovídá 3 mm). Všechny snímky na s. 142 147 Jaromír Leichmann, Filip Jelínek Jak se hornina pomocí katodové luminiscence zkoumá? Nejprve se z ní vyřízne destička o tloušťce 0,03 mm a vyleští se. Je průhledná a lze ji studovat s využitím klasického optického polarizačního mikroskopu (viz např. Vesmír 74, 638, 1995/11 a přílohu Vesmíru 2004/3 Mikroskopie dnes). Jestliže je povrch vzorku vystaven ve vakuu proudu urychlených elektronů, je emitováno viditelné světlo, které můžeme nejen pozorovat, ale také fotografovat, popřípadě podrobit spektrální analýze. Zatímco pozorování v klasic- 5 6 7. Ryolit z Opárenského údolí u Lovosic, katodová Ryolity jsou horniny, které v blízkosti zemského povrchu nebo na něm krystalizují z magmatu velmi rychle a v důsledku rychlého chladnutí se v nich často objevuje sklo (červenohnědá hmota). V levé časti je vidět větší zrno křemene (vykazuje červenou luminiscenci uprostřed a modrou na okraji). Změna v luminiscenci prozrazuje změnu podmínek v průběhu krystalizace zrna, nejpravděpodobnější změnou byl pokles teploty způsobený vnikáním magmatu do chladnějších částí kůry. V průběhu pohybu do vyšších částí kůry se magma dostalo do nerovnováhy s již vykrystalizovaným křemenem, což je vidět v levé časti zrna (kde je výrazně korodováno rozpuštěno ve zbytkovém magmatu). Závěr krystalizace magmatu byl pak už rychlý, v důsledku prudkého poklesu teploty nevznikaly další krystaly minerálů, ale pouze sklo. 8. Granit z brněnského masivu, katodová luminiscence (délka spodní hrany fotografie odpovídá 1,2 mm). Krystalizace tohoto žilného granitu byla poněkud pomalejší oproti krystalizaci ryolitu (viz obr. 7), ale stále ještě poměrně rychlá. Jako první se začal z magmatu vylučovat plagioklas, který je vidět v levé časti snímku má špinavě žlutou luminiscenci. Jeho krystalizace byla náhle přerušena silným poklesem teploty a místo něho začal krystalizovat granofyr (jemné prorůstání živce s křemenem je patrné ve střední části snímku). Krystalizace magmatu pak byla zakončena tvorbou draselného živce na snímku má charakteristickou modrou luminiscenci. Nepravidelně se střídají sektory s luminiscencí tmavší a světlejší, což patrně souvisí s rychlou krystalizací v důsledku prudkého poklesu teploty. 144 Vesmír 84, březen 2005 http://www.vesmir.cz
7 8
9 10 9. a 10. Granit z Jeseníků, délka spodní hrany odpovídá 3 mm. Na obr. 9 (klasická polarizační mikroskopie) je v levém horním rohu patrná tmavá slída biotit která je nápadná svou špinavě zelenou barvou. Další minerály, zbarvené šedě až černě, je obtížné charakterizovat. Na obr. 10 (katodová luminiscence) je biotit černý (luminiscenci nevykazuje), zato zrna, původně šedá, lze nyní snadno rozlišit. Plagioklas je nápadný luminiscencí modrou až modrofialovou, drobná zrna kalcitu mají luminiscenci oranžovou, zrna apatitu (fosforečnanu vápenatého) jsou sytě žlutá. Na snímku je patrné, že jednotlivé minerály mají svou charakteristickou vnitřní stavbu, která prozrazuje, v jakých podmínkách vznikaly. 11. Hrubozrnný tmavý granit durbachit z valounu nalezeného v karbonských slepencích Drahanské vrchoviny u Lulče, katodová luminiscence (délka spodní hrany snímku odpovídá 1,2 mm). Struktura vznikla při pomalé krystalizaci magmatu v hlubších částech zemské kůry. V horní časti snímku je dobře patrné modro-zelené zrno plagioklasu, nejstarší jeho částí je homogenní světle modrý střed, pocházející z poměrně klidných podmínek na začátku krystalizace magmatu. Okolo tohoto středu je vyvinut široký lem, ve kterém jsou rozeznatelné jednotlivé úzké zóny. Každá z nich poukazuje na nějakou drobnou změnu v podmínkách krystalizace magmatu (bez dalších analýz nelze určit, zda šlo o změnu tlaku, teploty či složení magmatu, nebo např. o jiné proudění magmatu či o rotaci rostoucího krystalu a přísun čerstvé porce magmatu k postupně narůstajícímu krystalu). Krystalizací z magmatu vývoj horniny nekončí, na snímku jsou patrné i změny vznikající v důsledku reakce již vykrystalované horniny s roztoky. Produktem těchto reakcí může být např. kalcit (tenké žilky s oranžovou luminiscencí). 12. Tonalit (křemenný diorit) z Jeseníků, katodová Obdobná reakce jako na obr. 3, také v tomto případě centrální, vápníkem bohatá část plagioklasu s roztoky. Převažující složkou roztoků byla ale v tomto případě voda. Žluto-zelená luminiscence a výsledky bodových mikrosondových analýz ukazují, že hlavním novotvořeným minerálem je v tomto případě prehnit (vodnatý alumosilikát vápníku). Tenké žilky a drobná zrna kalcitu však prozrazují, že se na složení roztoků podílel v menší míře i CO 2. kém mikroskopu přináší informace zejména o barvě, indexu lomu a dalších optických vlastnostech vzorku, pozorování s využitím katodové luminiscence přináší informace o přítomnosti, rozmístění a dalších vlastnostech aktivátorů. Kombinací obou typů pozorování lze často dokumentovat struktury, které vznikaly v důsledku jednotlivých procesů podílejících se na genezi horniny. Takto pozorované struktury je pak možno analyzovat na elektronové mikrosondě a pomocí analýz určit například teplotu, při které hornina krystalizovala zjistit dejme tomu teplotu lávy z vulkánu starého několik set milionů let. Zmínili jsme možnost přečíst minulost horniny, ale stejně dobře lze katodovou luminiscenci v geologii využít ke studiu změn v nedávné minulosti nebo současnosti, způsobených vulkanickou činností aj. Ö INZERCE 395 146 Vesmír 84, březen 2005 http://www.vesmir.cz
11 12