http://www.americansouthwest.net/arizona/bill_williams_river/bwrocks_l.html
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geoquímica das rochas
metamórficas
Fábio R. D. de Andrade, Instituto de Geociências
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Metamorfismo, do grego meta = mudança, morfo = forma
IUGS-SCMR
“Metamorfismo é um processo subsolidus que causa mudanças na
mineralogia e na textura das rochas, e por vezes alterando sua composição
química. Estas mudanças ocorrem quando a rocha é exposta a condições
físicas ou químicas distintas daquelas que normalmente ocorrem na
superfície do planeta e em zonas de cimentação e diagênese em
subsuperfície. Estes processos podem coexistir com fusão parcial.”
limites físicos: diagênese (<200oC, <3Kbar) – fusão parcial
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migmatitos, fusão parcial
rochas sedimentares
metamorfismo
Metamorfismo processo subsolidus que causa mudanças mineralógicas,
texturais ou químicas em uma rocha que foi submetida a condições físicas
e/ou químicas diferentes daquelas onde ela se formou.
grau metamórfico termo genérico referente às condições de temperatura (T) e pressão (P) do metamorfismo
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fácies metamórficas
campos definidos de temperatura (T) e pressão (P)
no qual ocorreu o metamorfismo
fácies metamórficas
zeólitas
xisto verde
anfibolito
granulito
xisto azul
hornfels
eclogito
fácies metamórficas
Fig. 25-2. Temperature-pressure diagram showing the generally accepted limits of the various facies used in this text. Boundaries are approximate and gradational. The “typical” or average continental geotherm is from Brown and Mussett (1993). Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.
zonas metamórficas (subdivisões das fácies)
composições químicas adequadas
exemplo, em rochas metapelíticas
zona da clorita
ardósias e filitos com clorita, muscovita, quartzo e albita
zona da biotita
filitos e xistos com biotita, clorita, muscovita, quartzo e albita
zona da granada
xistos com almandina, biotita, clorita, musc, qz, albita ou oligoclásio
zona da estaurolita
xisto com estaurolita, biotita, musc, qz, granada e plagioclásio
zona da cianita
xistos com cianita, biotita, musc, qz, plag, granada e estaurolita
zona da sillimanita
xistos e gnaisses com sillimanita, biotita, musc, qz, plag, granada e possível estaurolita
Fig. 25-9. Typical mineral changes that take place in metabasic rocks during progressive metamorphism in the medium P/T facies series. The
approximate location of the pelitic zones of Barrovian metamorphism are included for comparison. Winter (2001) An Introduction to Igneous
and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.
mudanças composição química protolito → rocha metamórfica
sistemas isoquímicos ideais e aproximados
sistemas aloquímicos
com perda de voláteis (H2O, CO2) e de elementos solúveis
fácies metamórficas e paragêneses minerais
paragêneses minerais = conjuntos de minerais coexistentes em equilíbrio
rochas de mesma composição química podem apresentar diferentes paragêneses minerais
em função da intensidade do metamorfismo
as paragêneses dependem de
composição química do protolito (rocha original)
pressão
temperatura
composição dos fluidos presentes
Pressão
litostática s1 = s2 = s3
“isotrópica”
similar à pressão hidrostática
dirigida s1 > s2 > s3 (elipsóide de esforços ou de stress)
anisotrópica
gera foliação
Figure 21-3. Flattening of a ductile homogeneous sphere (a) containing randomly oriented flat disks or flakes. In (b), the
matrix flows with progressive flattening, and the flakes are rotated toward parallelism normal to the predominant stress.
Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.
deformação
não será abordada nesta aula
pressão de fluidos
fluidos = facilitadores da mobilidade química em processos metamórficos
presença indicada pela existência de minerais hidratados e carbonatados
fornecida em termos de frações molares ou pressões parciais
p.ex. XH20 + XCO2 + ... = 1
PH2O + PCO2 + ... = Pfluidos
inclusões fluidas
tipo de metamorfismo
tipos de metamorfismo
regional ou dinamotermal – cinturões orogênicos
térmico ou de contato – próximo a intrusões de rochas ígneas
dinâmico – ao longo de planos de falha (cisalhamento)
de fundo oceânico ou hidrotermal – nas dorsais meso-oceânicas
de soterramento – em bacias sedimentares muito espessas
de impacto – em crateras de impacto de meteoritos
Metamorfismo, do grego meta = mudança, morfo = forma
exemplos de reações metamórficas: NaAlSi3O8 ↔ NaAlSi2O6 + SiO2 albita jadeíta qz KAl3Si3O10(OH)2 + SiO2 ↔ KAlSi3O8 + Al2SiO5 + H2O muscovita qz K-felds sillimanita
Metamorfismo, do grego meta = mudança, morfo = forma exemplos de reações metamórficas:
act = actinolite; chl = chlorite; ep = epidote; gt = garnet; hbl = hornblende; plag = plagioclase. Two minerals represented in the figure do not participate in the reaction, they can be quartz and K-feldspar. This reaction takes place in nature when a rock goes from amphibolite facies to greenschist facies.
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variação das condições metamórficas em uma região
Orijärvi: biotita (phl – flogopita) + muscovita + qz
Oslo: K-feldspato + cordierita
2 KMg3AlSi3O10(OH)2 + 6 KAl2AlSi3O10(OH)2 + 15 SiO2 = 3 Mg2Al4Si5O18 + 8 KAlSi3O8 + 8 H2O
2 biotita + muscovita + quartzo = cordierita + feldspato potássico
reações metamórficas polimórficas
paragêneses e regras da fases
sistema de 1 componente: Al2SiO5
F = C - P + 2
F graus de liberdade
C componentes
P número de fases
se F = 2 (P,T)
logo P = C
regra das fases
mineralógica
de Goldschmidt
paragêneses e regras da fases
Figure 21-9. The P-T phase diagram for the system Al2SiO5
calculated using the program TWQ (Berman, 1988, 1990,
1991). Winter (2001) An Introduction to Igneous and
Metamorphic Petrology. Prentice Hall.
P = fases (phases)
P = 1 frequente
P = 2 raro
P = 3 apenas em P-T
do pto invariante
(~ 0.37 GPa e 500oC)
sistemas com componentes voláteis
exemplo MgO – H2O
fases naturais possíveis
periclásio (MgO)
água (H2O)
brucita (Mg(OH)2)
aquecimento
bru → per + H2O
resfriamento (e hidratação)
per + H2O bru
Figure 24-1. P-T diagram for the reaction brucite = periclase + water.
From Winter (2001). An Introduction to Igneous and Metamorphic
Petrology. Prentice Hall.
sistemas componentes voláteis
resfriamento e hidratação
per + H2O bru
o sistema fica sobre a linha
até se a reação se completar
(se houver H2O suficiente)
se não houver H2O suficiente
periclásio e brucita
coexistirão em equilíbrio
em baixa T
Figure 24-1. P-T diagram for the reaction brucite = periclase + water.
From Winter (2001). An Introduction to Igneous and Metamorphic
Petrology. Prentice Hall.
sistemas componentes voláteis
Figure 27-16. Phase diagram for the reaction: calcite + quartz = wollastonite + CO2 calculated using the program SUPCRT, assuming pCO2 = PLith. Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.
reações metamórficas
possíveis assembléias minerais sedimentares (quartzo, calcita, dolomita, magnesita) a ~400oC se forma talco pela reação 3Mag + 4Qz + H2O = Tc + 3CO2 ao final da reação, Q e M se tornam incompatíveis, separados por uma nova linha
quartzo (Q) calcita (C) dolomita (D) magnesita (M) talco (Tc)
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~400o C <400o C >400o C
~ 450o C se inicia a reação entre D e Q: 3Dol + 4Qz + H2O = Tc + 3Cal + 3CO2 a linha QD desaparece quando a reação se completa, Q e D não são mais compatíveis, separados por nova linha a linha que desapareceu unia os reagentes a linha que surgiu une os produtos
quartzo (Q) calcita (C) dolomita (D) magnesita (M) talco (Tc)
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~450o C <450o C >450o C
~500 C quartzo, calcita e talco reagem para formar tremolita
quartzo (Q) calcita (C) dolomita (D) magnesita (M) talco (Tc) tremolita (Tr)
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~500o C <500o C >500o C
quartzo (Q)
calcita (C)
dolomita (D)
magnesita (M)
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>500 C talco e calcita reagem, formando tremolita e dolomita a linha talco-calcita desaparece ao final da reação, uma nova linha aparece entre tremolita e dolomita
>500o C >500o C >500o C
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grade petrogenética
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as paragêneses dependem de P, T
e das proporções molares dos constituintes
Figure 21-17. CaO-MgO-SiO2 diagram at a
fixed pressure and temperature showing the
compositional relationships among the
minerals and zones at Crestmore. Numbers
correspond to zones listed in the text. After
Burnham (1959) Geol. Soc. Amer. Bull., 70,
879-920; and Best (1982) Igneous and
Metamorphic Petrology. W. H. Freeman.
paragêneses minerais em rochas metamórficas
minerais em equilíbrio para dadas condições P, T, X (X = composição)
não se aplica a minerais reliquiares (reações incompletas)
ou minerais de alteração (secundários)
Figure 21-17. CaO-MgO-SiO2 diagram at a fixed
pressure and temperature showing the
compositional relationships among the minerals
and zones at Crestmore. Numbers correspond to
zones listed in the text. After Burnham (1959)
Geol. Soc. Amer. Bull., 70, 879-920; and Best
(1982) Igneous and Metamorphic Petrology. W.
H. Freeman.
sistemas com um número elevado de componentes
1) “ignorar” componentes
– elementos traços
– elementos que participam de apenas uma fase
– elementos totalmente móveis (voláteis)
2) combinar componentes que se subsituem em soluções sólidas
3) limitar os tipos de rochas a serem projetadas em gráficos
4) combinar componentes em “pseudocomponentes” complexos
Diagramas triangulares para rochas metamórficas simplificações gráficas para representar a composição mineralógica de rochas com composição química complexa 13 óxidos comumente presentes na maioria das rochas SiO2
Al2O3
TiO2
FeO Fe2O3
MnO CaO MgO K2O Na2O P2O5
H2O CO2
A = Al2O3 + Fe2O3 - Na2O - K2O
C = CaO - 3.3 P2O5
F = FeO + MgO + MnO
simplificação dos
sistemas
protolitos
reunidos em categorias de acordo com suas composições
1. ultramáficos – muito alto Mg, Fe, Ni, Cr
2. máficos – alto Fe, Mg e Ca
3. pelitos – alto Al, K, Si, baixo Ca
4. carbonáticos – alto Ca, Mg, CO2
5. quartzosos – SiO2 puro (ou quase)
6. quartzo-feldspáticos – alto Si, Na, K, Al
diagrama ACF – rochas máficas
representa apenas os minerais que se formam ou são consumidos nas reações
metamórficas
componentes
A = Al2O3 + Fe2O3 - Na2O - K2O
C = CaO - 3.3 P2O5
F = FeO + MgO + MnO
simplificação dos
sistemas
diagrama AKF – rochas pelíticas
representa apenas os minerais que se formam ou são consumidos nas reações
metamórficas
componentes
A = Al2O3 + Fe2O3 - Na2O - K2O - CaO
K = K2O
F = FeO + MgO + MnO
simplificação dos
sistemas
fácies metamórficas campos definidos de temperatura (T) e pressão (P) no qual ocorreu o metamorfismo
Referências
Teixeira et al. 2009. Decifrando a Terra, 2ª. edição, Cia. Editora Nacional.
Philpotts, Principles of Igneous and Metamorphic Petrology
Krauskopf e Bird, Introduction to Geochemistry
Teaching phase diagrams www.serc.carleton.edu
página de Prof. S. Nelson http://www.tulane.edu/~sanelson/eens212/index.html
página de Prof. J. Winter http://www.whitman.edu/geology/winter/