kitörési mechanizmus, kristályosodási készség, környezeti tényezők

Átírás

1 Magmás kőzettan-i Magma: Si-gazdag kőzetolvadék, amely szilárd anyagot (ásvány, kőzet) és oldott és/vagy szételegyedett gázokat/gőzöket is tartalmazhat Láva: Összetétele: 99 tömeg%-át 8 elem (O, Si, Al, Fe, Ca, Mg, Na és K) alkotja, jellemzése oxidokkal (pl. SiO 2, stb.) általában 0,2-5,0 tömeg%-át oldott gáz/gőz alkotja: H 2 O, CO 2, CO, S-, Cl- és N-vegyületek, Ar könnyen illók (szerepük: kitörési mechanizmus, kristályosodási készség, környezeti tényezők) Magma: tanulmányozható: közvetlenül (láva) közvetve (kőzetek kőzettan, geokémia tárgya

2 Tanzánia, Oldoinyo Lengai Hawaii, Kilauea

3 Alapvető magmatípusok Hartai, 2003 Magma típusok A három fő magmatípus kémiai összetétele. Az illók az összetételben nincsenek feltüntetve (Hartai, 2003). Magmák: SiO 2 -tartalom alapján: bazaltos (bázisos) ~80% andezites (neutrális) ~10% növekvő illótartalom riolitos (savanyú) ~10% további típus elenyésző

4 Bazaltos magmatípusok - A képződő olvadékok általában bazaltos összetételűek - A legtöbb magmás kőzet bazaltos összetételű magmából származtatható - Három bazalt típus különíthető el az összetétel és képződési környezet szerint: - Mészalkáli bazalt (CA) - Tholeiites bazalt (TH) - Alkáli bazalt (AB) A köpeny szilárd, a magmák nagy része onnan származik olvadás

5 Tholeiites basalt (MORB)

6 Fázis diagram Al-tartalmú 4-fázisú lherzolitra a felsőköpenyben és az átmeneti zónában Al-fázis (szubszolidusz reakciók): Plagioklász sekély (< 50 km) Spinell km Gránát km Si VI koordináció > 400 km Phase diagram of aluminous lherzolite with melting interval (gray), sub-solidus reactions, and geothermal gradient. After Wyllie, P. J. (1981). Geol. Rundsch. 70,

7 Lherzolit: egy peridotit típus olivin > ortopiroxén Lherzolit + klinopiroxén Olivin 90 Dunit Peridotit Lherzolit 40 Ortopiroxenit Olivin websterit 10 Piroxenit 10 Ortopiroxén Websterit Klinopiroxenit Klinopiroxén Ultrabázisos kőzetek Streckeisen-diagramja

8 Hogyan képződik olvadék/magma a köpenyben? Geoterma önmagában nem okoz olvadást a köpenyben, azonban olvadás bekövetkezik, ha: 1) T emelkedik: Köpeny radioaktív elemei 1 o C-os T emelkedést 10 7 év alatt valószínűtlen Forró foltok valószínűbb, de lokális (pl. Hawaii) Lherzolite Melting by raising the temperature.

9 A gránát lherzolit olvadása az asztenoszérában Olvadás a köpenyben (lherzolitban): geoterma metszi a szoliduszt: > o C-on ~ km mélység között Lherzolite

10 2) P csökken: Hogyan képződik olvadék/magma a köpenyben? A köpeny adiabatikus felemelkedése (több 100 km) konduktív hőveszteség nélkül aktív köpeny dekompressziós olvadás (lassú) legalább 30%-nyi köpenyanyag olvadhat meg Melting by (adiabatic) pressure reduction. Melting begins when the adiabat crosses the solidus and traverses the shaded melting interval. Dashed lines represent approximate % melting. Lherzolite

11 3) Illó hozzáadódás történik: Hogyan képződik olvadék/magma a - fluidum zárvány köpenyben? - csillám, amfibol, karbonát- és szulfidásvány, apatit a köpenyben - néhány 100 ppm különösen a H 2 O hatása drámai Kisérletek Lherzolite Dry peridotite solidus compared to several experiments on H2O-saturated peridotites.

12 Csillám- és amfibol-tartalmú peridotit Hogyan képződik olvadék/magma a - Oceáni geotermán köpenyben? Lherzolite - Kontinentális geotermán amfibol és csillám olvadása H 2 O felszabadulással jár Olvadék mennyisége limitált: ~1%; magmaképződésre nem, LVL magyarázatára elegendő Phase diagram (partly schematic) for a hydrous mantle system, including the H2Osaturated lherzolite solidus of Kushiro et al. (1968), the dehydration breakdown curves for amphibole (Millhollen et al., 1974) and phlogopite (Modreski and Boettcher, 1973), plus the ocean and shield geotherms of Clark and Ringwood (1964) and Ringwood (1966). After Wyllie (1979). In H. S. Yoder (ed.), The Evolution of the Igneous Rocks. Fiftieth Anniversary Perspectives. Princeton University Press, Princeton, N. J, pp

13 Magma fizikai tulajdonsága Sűrűség: kémiai elemek relatív koncentrációja, X- és T-függő Sűrűség Hőmérséklet ( o C)

14 Magma fizikai tulajdonsága Hőmérséklet: >1000 o C (olvadó köpeny szilikátásványainak olvadás pontja: ol, px, amf, bi), X-függő Felszíni lávahőmérsékletek (mért adatok o C-ban!) - bazalt andezit dácit riolit Kristályosodási intervallum: több 100 o C (az első és az utolsó kristályos fázisig) P- és X-függő (illó-tartalom) laboratóriumi kisérletek (mikro- és makroméretben)

15 Magma fizikai tulajdonsága Illótartalom: (forrás régió, magma evolúció: kristályosodás előtt, alatt és után) - a magma 0,2-5,0 tömeg%-át oldott gáz/gőz alkotja: H 2 O, CO 2, CO, N-, Cl- és S-vegyületek, Ar - szerepük: kitörési mechanizmus, kristályosodási készség, környezeti tényezők Illótelítettség Illószételegyedés (magma forrás ) függ: P-csökkenés és/vagy olvadék fogyás (=kristályosodás, nem szilárdulás!)

16 Magma fizikai tulajdonsága Viszkozitás: belső surlódás (ellenállás), ami a folyás/mozgás ellen hat két párhuzamos olvadék réteg között, és arányos az elmozdulással szemben fellépő nyíróerővel F/A ; egység = pascal-secundum (régen poise 1 poise = 0.1 Pa. s) dv dz F (erő), A (terület, amire hat) [F/A=stressz], v (sebesség), z (távolság) mozgékonyság, kristályosodási képesség

17 Magma fizikai tulajdonsága Viszkozitást befolyásolja: - kémiai összetétel, a magma főleg szilikát polimer (=SiO 4 tetraéderből álló hálózat), amit leginkább Si és O hidak építenek fel Si-O-Si (olvadt kovasav) erős kötés; továbbá jelen van a hálózatban részt nem vevő oxigén és a hálózatot módósító kation (M=Ca 2+, Mg 2+, Fe 2+, Na +, K + ) M-O-M (olvadt fémoxid) tehát a MAGMA: 2(Si-O-M) Al (és Fe 3+ ) polimerizációt növelő szerepe (helyettesítés, - ) erősen polimerizált olvadék viszkozitása nagyobb, M kationok csökkentik a viszkozitást

18 Magma fizikai tulajdonsága Viszkozitást befolyásolja: - kémiai összetétel, a magma főleg szilikát polimer (=SiO 4 tetraéderből álló hálózat), amit leginkább Si és O hidak építenek fel Si-O-Si (olvadt kovasav) erős kötés; továbbá jelen van a hálózatban részt nem vevő oxigén és a hálózatot módósító kation (M=Ca 2+, Mg 2+, Fe 2+, Na +, K + ) M-O-M (olvadt fémoxid) tehát a MAGMA: 2(Si-O-M) Al (és Fe 3+ ) polimerizációt növelő szerepe (helyettesítés, - ) erősen polimerizált olvadék viszkozitása nagyobb, M kationok csökkentik a viszkozitást

19 Magma fizikai tulajdonsága Viszkozitást befolyásolja: illótartalom: oldott H 2 O felszabdalja a Si-O-Si kötést depolimerizáció csökkenő viszkozitás Viszkozitás (poise) Bazaltos (bázisos) olvadék Viszkozitás (poise) Riolitos (savanyú) olvadék oldott CO 2 CO 3 2- komplexet képez növeli a polimerizációt növekvő viszkozitás

20 log 10 [viszkozitás (Pa s)] a Riolit Magma fizikai tulajdonsága Magma Dácit fizikai tulajdonsága Andezit Bazalt Viszkozitást befolyásolja: hőmérséklet, illótartalom: száraz riolit magma SiO 2 =70-75 %, T= o C, Pa s száraz andezit magma log 10 [viszkozitás (Pa s)] b Riolit Dácit Hőmérséklet ( o C) Andezit Bazalt Oldott H 2 O (tömeg%) SiO 2 =52-55 %, T= o C, Pa s száraz bazalt magma SiO 2 =45-48 %, T= o C, Pa s Természetes olvadékok (magmák) viszkozitása 1 bár nyomáson: (a) hőmérséklet (b) oldott H 2 O-tartalom függvényében Shaw (1972) modellje alapján

21 Magma fizikai tulajdonsága Magma fizikai tulajdonsága A láva összetétele hőmérséklete sűrűsége viszkozitása ~ ~ viszonyítva a vízhez Harangi, 2003

22 Olvadék képződhet Olvadék képződhet Távolodó lemezek mentén köpeny felemelkedés óceánközépi hátságok Adiabatikus felemelkedés dekompressziós olvadás Közeledő lemezek mentén szubdukciós zónák Fluidum áramlás és hozzáadódás LVL Forró foltok lokalizált olvadékok (nagy mélységből)

23 Konvergens és divergens lemez szegélyek konvekciós cella konvekciós cella

24 Forró pontok 3D perspective view of the Hawaiian Islands shown in green, with the white summits of Mauna Loa (4,170 m high) and Mauna Kea (4,206 m high). The islands are the tops of massive volcanoes, most of whose bulks lie below the sea surface. Ocean depths are colored from purple (5,750 m deep northeast of Maui) and blue to light gray (shallowest). Historical lava flows are shown in red, erupting from the summits and rift zones of Mauna Loa, Kilauea, and Hualalalai volcanoes on Hawai i.

25 Lemeztektonika magmaképződés Bázisos (bazaltos) magmák: 1. Óceánközépi hátság (TH) (3 & 18 km 3 /év) 2. Intrakontinentális hasadék (TH) (0.1 & 1.5 km 3 /év) 3. Szigetív (CA) 4. Aktív kontinens perem (0.6 & 8 km 3 /év) 5. Ív mögötti medence (TH) 6. Óceáni sziget (AB, TH) (0.4 & 2 km 3 /év) 7. Egyéb intrakontinentális terület (AB) kimberlit, karbonatit, anortózit.. kontinentális kéreg óceáni kéreg litoszféra köpeny szublitoszféra köpeny olvadék forrása

26

27

28 Tholeiites Tholeiites és alkáli és alkáli bazalt bazalt képződése kémiailag képződése uniform kémiailag köpenyből uniform köpenyből Változó (más mint X): Hőmérséklet Nyomás Phase diagram of aluminous lherzolite with melting interval (gray), sub-solidus reactions, and geothermal gradient. After Wyllie, P. J. (1981). Geol. Rundsch. 70,

29 Tholeiites és alkáli bazalt Tholeiites bazalt sekély mélységben képződik: - 25%-os olvadás < 30 km tholeiites bazalt Alkáli bazalt nagyobb mélységben képződik és kisebb mértékű olvadás során: < 20 %-os olvadás > 60 km alkáli bazalt Tholeiites bazalt nagyobb mértékű olvadás során képződik: - 30 %-os olvadás ~ 60 km tholeiites bazalt

30 A képződő bazaltos olvadék (magma) összetétele a P függvényében Nyomás szerepe Nyomás hatása Illómentes rendszer NaAlSiO 4 (nefelin) NaAlSi 2 O 6 (jadeit) Change in the eutectic (first melt) composition with increasing pressure from 1 to 3 GPa projected onto the base of the basalt tetrahedron. After Kushiro (1968), J. Geophys. Res., 73, Nefelin-tartalmú alkáli bazalt NaAlSi 3 O 8 (albit) Kvarc-tartalmú tholeiites bazalt (Fe,Mg) 2 SiO 4 forszterit (Fe,Mg) 2 Si 2 O 6 ensztatit SiO 2

31 Fázisok bazaltos olvadékban kis P olivin plagioklász klinopiroxén csökkenő T-vel ~70 o C T tartomány Anhydrous P-T phase relationships for a midocean ridge basalt suspected of being a primary magma. After Fujii and Kushiro (1977). Carnegie Inst. Wash. Yearb., 76,

32 kis P olivin plagioklász klinopiroxén csökkenő T-vel ~70 o C T tartomány nagy P Fázisok bazaltos olvadékban klinopiroxén plagioklász olivin csökkenő T-vel ~80 o C T tartomány Anhydrous P-T phase relationships for a midocean ridge basalt suspected of being a primary magma. After Fujii and Kushiro (1977). Carnegie Inst. Wash. Yearb., 76,

33 Fázisok bazaltos olvadékban kis P olivin plagioklász klinopiroxén, csökkenő T-vel nagy P klinopiroxén plagioklász olivin, csökkenő T-vel 25 km-nél minden együtt kristályosodik = többszörös telítettség 25 km-es mélységnél a magma egyensúlyban van a köpennyel (óceánközépi hátság bazalt)

34 A főbb magmás kőzetek és ásványos összetételük-i Vulkáni és mélységi kőzetek ásványos összetétele. Az egyes kőzettípusok közötti átmenet folyamatos. Hartai, 2003

35 A főbb magmás kőzetek és ásványos összetételük-ii A főbb magmás kőzetek és ásványos összetételük

36 . Mélységi magmás Kvarc (Q) kőzetek-i Mélységi magmás kőzetek-i Kvarc-gazdag gránit QAPF diagram: >10 % felzikus (világos) ásvány Savanyú, neutrális, bázisos Alkáli földpát (A) Anortózit: >90 % plagioklász Gabbró: >35 % mafikus (sötét) ásvány Diorit: <35 % mafikus (sötét) ásvány Ha QAPF < 10 %? Gránit Szienit 50 Alkáliszienit 60 Foidolit 65 Alkálidiorit Alkáligabbró 60 Diorit Gabbró Anortózit Plagioklász (P) Földpátpótló (F) Mélységi magmás kőzetek Streckeisen-diagramja

37 Bázisos kőzetek Mélységi magmás Plagioklász Mélységi magmás kőzetek-ii Anortózit 90 Gabbró Olivin Ultrabázisos kőzetek 10 Piroxén, Amfibol Piroxenit & hornblendit 40 Peridotit Olivin 40 Peridotit Nórit: gabbró (opx>cpx) Piroxenit Hornblendit Mélységi magmás kőzetek Streckeisen-diagramja Piroxén 40 Amfibol

38 Mélységi magmás kőzetek-iii Mélységi magmás kőzetek-iii Ultrabázisos kőzetek 90 Olivin Dunit Peridotit Olivin 40 Lherzolit Olivin websterit Piroxenit Ortopiroxenit Ortopiroxén Mélységi magmás kőzetek Streckeisen-diagramja Websterit Klinopiroxenit Klinopiroxén

39 Kvarc (Q) Kiömlési magmás kőzetek Kiömlési magmás kőzetek Riolit Dácit Fenokristályokon alapul Nem a legpontosabb Alkáli földpát (A) Trachit 35 Látit 65 Plagioklász Andezit/Bazalt (P) 10 Fonolit Tefrit/ Bazanit Foidit A classification and nomenclature of volcanic rocks, after IUGS. Földpátpótló (F)

40 Vulkáni törmelékek és piroklasztitok nevezéktana

41 Piroklasztitok osztályozása Legalább 75%-ban vulkáni anyag, salak <-> horzsakő (sűrűség, kémia) tefra -- tufit (25-75%), tufás kőzet (10-25%) Piroklasztit kőzetek Üveg Hamu (<2 mm) Lapilli (2-64 mm) összetevő Tufa Lapillitufa Lapillikő Üvegtufa Lapillitufabreccsa szemcseméret Kőzettörmelék tufa Kristálytufa Piroklasztbreccsa/ Agglomerátum Kőzettörmelék 50 Kristály Blokk/bomba (>64 mm) Classification of the pyroclastic rocks. a. Based on type of material. After Pettijohn (1975) Sedimentary Rocks, Harper & Row, and Schmid (1981) Geology, 9, b. Based on the size of the material. After Fisher (1966) Earth Sci. Rev., 1,

42 A magma kristályosodása Magmakamra

43 A magma kristályosodása Magmakamra Likvidmagmás szételegyedés

44 A magma kristályosodása Magmakamra Előkristályosodás

45 A magma kristályosodása Magmakamra Főkristályosodás frakcionációs kristályosodás

46 A magma kristályosodása Magmakamra Utókristályosodáspegmatitos kristályosodás

47 A magma kristályosodása Magmakamra Utókristályosodáshidrotermális kristályosodás

48 Magmás kristályosodási folyamat fokozatosan hülő bazaltos magmából (kisérletek alapján) <374 o C Hidrotermális o C Pegmatitos Magma összetétele Hőmérséklet Kései, kishőmérsékletű kristályosodás Muszkovit Kvarc Ortoklász Biotit Albit Amfibol Felzikus, riolitos, savanyú Neutrális, andezites Korai, nagyhőmérsékletű kristályosodás Olivin Piroxén Egyidejű kristályosodás Anortit Bázisos, mafikus, bazaltos Ultrabázisos Fe-Mg-Ca szilikátok (mafikus ásványok) Na-K-Ca alumoszilikátok (felzikus ásványok)

49 A magma pegmatitos és hidrotermális kristályosodása

50 Magmás kőzetek osztályozása kémiai összetétel alapján Alkáli kőzetek: Na- és K-alumoszilikátok > Ca-alumoszilikátok Mészalkáli kőzetek: Ca-alumoszilikátok > Na- és K-alumoszilikátok Tholeiites kőzetek: nagy Fe-, Mg- és kicsi Si-tartalom, de Fe-tartalommal nő a Si-tartalom

51 Magmás kőzetek osztályozása SiO 2 - tartalom alapján Ultrabázisos: SiO 2 <44 tömeg% Mg-, Fe-, Cr-gazdag olivin, piroxén, amfibol, csillám (színes szilikátok) oxid és szulfid ércásványok Bázisos: SiO 2 =44-52 tömeg% Fe-, Mg-, Ti-gazdag (Ca és Al növekszik) anortit-gazdag plagioklász, piroxén, olivin, amfibol, oxid ércásványok Neutrális: SiO 2 =52-64 tömeg% Al-, Ca-, Fe-gazdag (Na, K növekszik) plagioklász (káliföldpát), amfibol (piroxén, biotit) Savanyú: SiO 2 >64 tömeg% Na-, K-, Al-, P-gazdag kvarc, káliföldpát, plagioklász, biotit (amfibol) apatit

52 Alkáli magmás kőzetek csoportosítása Si-telítettség alapján Telítetlen alkáli kőzetek: telített és telítetlen Na-, K-alumoszilikátok és Fe-, Mg- (Ca-) szilikátok Telített alkáli kőzetek: telített Na-, K-, Ca-alumoszilikátok és Fe-, Mg-, Ca-szilikátok Túltelített alkáli kőzetek: kvarc és telített Na-, K-, Ca-alumoszilikátok, továbbá Fe-, Mg-, Ca-szilikátok