Geokémiai összefoglaló

Geokémiai összefoglaló Főelem geokémia A földkéreg leggyakoribb elemei A Föld összetétele/ (Winter, 2001) leggyakoribb (Ringwood, 1975) Elem/Oxid Atom% Tömeg% Elem Atom% O 60,8 Si/SiO 2 21,2 59,3 Al/Al 2 O 3 6,4 15,3 Fe/FeO 2,2 7,5 Ca/CaO 2,6 6,9 Mg/MgO 2,4 4,5 Na/Na 2 O 1,9 2,8 Fe 31 O 30 Si 18 Mg 15 Ca 1,8 Ni 1,7 Al 1,4 Na 0,9 Koncentráció értékük megadása oxidos formában tömeg %

Nagy mennyiségben előforduló főelemek (major)- >1 tömeg % meghatározzák a(z) - kőzetek ásványos összetételét és rendszertani helyét, - olvadási és kristályosodási folyamatokat és rendszereket, - olvadék viszkozitását, sűrűségét, felhajtóerejét, - diffúziót Kis mennyiségben előforduló főelemek (minor)- 0,1-1 tömeg % - általában helyettesítenek (Mn Fe; Cr Fe), - akcesszóriákat formálnak (P Cr krómit) apatit; Ti ilmenit, rutil, titanit; Nyomelemek (trace) - <0,1 tömeg %, (ppm (10-6 ), ppb (10-9 )) - koncentrációja túl kevés önálló ásványok formáláshoz (Zr kivétel) - főelemeket helyettesítenek, - mennyiségük és eloszlásuk a magmák és magmás kőzetek fejlődésére, a forrás régió és a magmás folyamatok jellemzésére - metamorf események?

Reprezentatív magmás kőzetek kémiai összetétele (oxid %) Koncentráció értékek, azaz relatív mennyiségek (g/100g vagy g/t), oka: adatok összehasonlíthatósága független a mért anyag mennyiségétől) Peridotit Bazalt Andezit Riolit Fonolit SiO 2 42,26 49,20 57,94 72,82 56,19 TiO 2 0,63 1,84 0,87 0,28 0,62 Al 2 O 3 4,23 15,74 17,02 13,27 19,04 Fe 2 O 3 3,61 3,79 3,27 1,48 2,79 FeO 6,58 7,13 4,04 1,11 2,03 MnO 0,41 0,20 0,14 0,06 0,17 MgO 31,24 6,73 3,33 0,39 1,07 CaO 5,05 9,47 6,79 1,14 2,72 Na 2 O 0,49 2,91 3,48 3,55 7,79 K 2 O 0,34 1,10 1,62 4,30 5,24 P 2 O 5 0,11 0,95 0,53 0,10 0,67 Cr 2 O 3 1,22 0,08 Illó 3,91 0,95 0,83 1,10 1,57

FeO (ritkábban Fe 2 O 3 -ban) Fe 2 O 3 =FeO*1,1113 vagy FeO=Fe 2 O 3 *0,8998 Primer FeO/Fe 2 O 3 arány az olvadék/szilárd fázisegyensúlyi oxigénfugacitásától függ (nagy fo2 mellett a Fe 3+ és Ti oxidba megy) Mállás FeO és Fe 2 O 3 szétosztás (megoszlás): Irvine és Baragar (1971): Fe 2 O 3 =TiO 2 +1,5 La Bas et al. (1986): Fe 2 O 3 /FeO<0,5 üde bazaltban Tapasztalati Fe 2 O 3 /FeO arány:- Básisos kőzetek: 0,2-0,25 - Neutrális kőzetek: 0,40-0,50 - Savanyú kőzetek: 0,70-0,95 Illó (izzítási veszteség LOI DTA, kemence) CO 2, H 2 O - (<120 C, pórus és felületi), H 2 O + (>120 C, szerkezeti) fluidum zárványok, illó-mentes ásványok Üde bazalt: H 2 O + <2 %, CO 2 <0,5 % (Le Bas et al., 1986)

CIPW normaszámítás A CIPW normaszámítást W. Cross J.P. Iddings L.V. Pirsson H.S. Washington vezette be 1903-ban. A norma hipotetikus ásványok egy listája (q-kvarc, or-ortoklász, ab-albit, ananortit, stb.), ami a kőzetek főelem összetételéből megadott recept szerint számolt idealizált normatív - ásványos összetétele (< - > modális ásványos összetétel). A normaszámítás célja: - finomszemcsés és üveges kőzetek ásványos összetételének becslése és rendszertani besorolása, - különböző pt-n keletkezett kiömlési és mélységi kőzetsorozatok összehasonlítása, - saját és/vagy irodalmi adatok összevetése, - természetes rendszerek (pl. alkáli bazalt vagy hiplogránit, stb.) és laboratóriumi kísérletekben használt szintetikus rendszerek összehasonlítása, a szintetikus rendszerek jellemzése (normatív összetétel alapján), - orto- és egyes törmelékes eredetű parametamorf képződmények forráskőzeteinek meghatározása, - fontos kőzettani paraméterek számolása

Petrogenetikai paraméterek Szilicium telítettség: túltelített kőzet (silica oversaturated) normatív q-t tartalmaz telítetlen kőzet (silica undersaturated) normatív q-val inkompatibilis fázisokat (ol, ne) tartalmaz Magnéziumszám (mg#): mg#=100*mg/(mg+fe 2+ ), ahol Mg és Fe atom%, primitív bázisos olvadék: mg# > 0,68-0,75 Differenciációs index (D.I.): D.I.=q+ab+or+ne+kp+lc (CIPW normákból, Thorton-Tuttle) - szilifikációs index (S.I.): S.I. =100[Si-(Al+Fe 2+ +Mg+3Ca+11Na+11K+Mn-Fe 3+ -Ti-4P)/2], ahol Si, Al, stb. atom% (Fitton) S.I.<0 - ne-gazdag; S.I.~0 - hy-gazdag, S.I.>0 - q-gazdag kőzetek

A főelemek és számolt normák geokémiai alkalmazásai: Magmás és ortometamorf kőzetek esetén: - Kőzetek osztályozása magma típusának meghatározására (Streckeisen, kétváltozós és háromszög diagramok segítségével) - Tektonikai (geodinamikai) környezet meghatározására( kétváltozós, háromszög és sokváltozós diagramok segítségével) - Frakcionációs kristályosodás modellezése: Harker-diagram - Forrás régió meghatározása - Parciális olvadás nyomonkövetése Parametamorfitok és törmelékes üledékes kőzetek esetén: - Forráskőzet megállapítása - Tektonikai környezet meghatározása

A főelemek alkalmazásai: TAS diagram Illómentes főelem összetétel: Peridotit Peridotit illómentes SiO 2 42,26 43,97 TiO 2 0,63 0,65 Al 2 O 3 4,23 4,40 Fe 2 O 3 3,61 3,76 FeO 6,58 6,85 MnO 0,41 0,43 MgO 31,24 32,51 CaO 5,05 5,26 Na 2 O 0,49 0,51 K 2 O 0,34 0,35 P 2 O 5 0,11 0,11 Cr 2 O 3 1,22 1,23 Illó 3,91 - Összesen 100 100

A főelemek alkalmazásai:

A főelemek alkalmazásai: - magmatektonikai helyzetet felismerő diagramok: Mullen, 1983 Pearce et al, 1977

A főelemek alkalmazásai: Harker diagramok

Nyomelemek Osztályozásuk, a rádiusz és a töltés alapján történik, megkülönböztetünk: Kis térerejű nyomelemek (low field strength elements - LFSE) vagy nagy ionrádiuszú litofil (large ion lithophile elements LILE) -magmában maradó nyomelemek (elemhelyettesítés nem előnyös energetikailag) Átmeneti fémek első sorozatának elemei (first transition series elements - HFSE) Sc-tól a Zn-ig - különbözően viselkednek, pl.: Ti, Cu, Zn bazaltos magmákban nem míg Cr, Co, Ni koncentrálódnak Ritkaföldfémek (rare earth elements REE -lantanidák+y -magmát szerető nyomelemek - könnyű ritkaföldfémek (LREE) - nehéz ritkaföldfémek (HREE) Nagy térerejű nyomelemek (high field strength elements - HFSE) -magmát kedvelő nyomelemek (nagy iontöltés miatt elemhelyettesítés kedvezőtlen) Plantinafém csoport elemei (platinum group elements PGE) elemei: pl. Os, Ir, Pd - magban koncentrálódnak köpenyben kis mennyiség

Nyomelem beépülése ásványokba, főelem helyettesítések: Kritériumok: iontöltés, ionsugár azonos ionsugár és azonos iontöltés : egyenlő esélyek hasonló ionsugár és azonos iontöltés: kisebb méretű ion hasonló ionsugár: nagyobb iontöltésű ion két elem közül a kisebb elektronegativitású elem Fő elemek Si Ti Al Fe Mg Ca Na K Helyettesítő nyomelemek Ge, P V, Nb, Ta Ga Cr, Co, Ni Sc, Co, Ni Sr, Eu, RFF Eu Rb, Ba, Sr, Eu

Nyomelem beépülése ásványokba, főelem helyettesítések: Ásvány Főelemek Nyomelemek Ca, Na, K, Sr, Ba, Eu, Pb, Rb Földpátok Si, Al Ge Mg, Fe Ni, Cr, Co Olivin Si Ge Ca, Na La, Ce Klinopiroxén Mg, Fe Ni, Cr, Sc, Co, V Si Ge K Rb, Ba, Cs Csillámok Al, Mg, Fe Cr, Co, Sc, V, Zn Si, Al Ge Ca La, Ce, Sr, Th, U, Y Apatit P As, S Cirkon Zr La, Ce, Lu, Yb, Hf, Th, Y

Kompatibilis és inkompatibilis nyomelemek Inkompatibilis elemek: azok amelynek töltése és mérete a köpenyásványok rácspoziciójáétól eltér és az olvadás során olvadék fázisba maradnak. pl: K, Rb, Sr, Ba, REE, Nb, Ta, Zr, Hf, U, Pb D i ásv/olv <1 - inkompatibilis nyomelem, az adott ásvány szerkezete nem segíti elő, hogy az illető elem a kristályos fázisba lépjen, és így olvadékba marad Kompatibilis elemek: azok az elemek, amelyek inkább a köpenyásványok rácspontjaiban foglalnak helyet és olvadás során a szilárd fázisban maradnak. pl: Ni, Cr, Co, Os, Mg, Sc D i ásv/olv <1 kompatibilis nyomelem, az adott ásványban van olyan főelem, amelyet a nyomelem helyettesíteni tud, így az illető elem beépül a kristályos fázisba

Nyomelemek megoszlási törvényszerűségei Nyomelemek Ni, Co, Cr V, Ti Zr, Hf Ba, Rb Sr RFF Y Jellemzésük Erősen kompatibilis elemek. Ni és Co olivinben, Cr spinellben és klinopiroxénben koncentrálódik. Ha nagy koncentrációban vannak jelen a kőzetben, akkor a köpenyforrásra utalnak. Mindkettő erős frakcionáció mutat Fe-Ti oxidba (ilmenit, Ti-magnetit). Ha eltérően viselkednek, akkor a Ti akcesszórikus ásványaiba frakcionálódik (titanit és rutil). Erősen inkompatibilis elemek, amelyek kőzetalkotó szilikátokban nem helyettesítenek (bár kivételesen Ti-ot helyettesíthetnek titanitban vagy rutilban). Erősen inkompatibilis elemek, amelyek K-t helyettesítenek K földpátban, csillámban és amfibolban. Rb helyettesítése amfibolban kevésbé kifejezett, mint K-földpátban és csillámban, a K/Ba aránnyal e fázisok elkülöníthetők. Ca-t helyettesíti plagioklászban (de nem piroxénben) és kevésbé kiterjedten K-t K- földpátban. Kis nyomáson, ahol plagioklász képződik, kompatibilis elemként viselkedik. Nagy nyomáson, ahol a plagioklász nem stabil, inkompatibilis elemként viselkedik. Nehéz RFF gránátban dúsulnak sokkal inkább, mint a könnyű RFF, ugyanígy ortopiroxénben és amfibolban, csak csökkenő mértékben. Plagioklász és titanit több könnyű RFF-t fogad be. Eu2+ erősen a plagioklászba particionálódik. Általában inkompatibilis, a nehéz RFF-hez hasonlóan gránátban, ortopiroxénben és amfibolban koncentrálódik. Titanitban és apatitban azonban szintén dúsul, ezért ezeknek a fázisoknak a jelenléte jelentős hatással lehet a mennyiségére. Wilson, 1989

A nyomelemek alkalmazásai: Sokelemes (Spider) diagramok - lehetővé teszik, hogy egységes módon egyszerre több nyomelem viselkedését lehessen vizsgálni - Ritkaföldfém eloszlás: ezek az elemek nagyon hasonlóan viselkednek, van egy kisméretű eltolódás az inkompatibilitásukban illetve az Eu viselkedésében - Referencia összetételhez hasonlítjuk- normáljuk- mivel - a páros rendszámú elemek elemek gyakoribbak mint a mellettük lévő páratlanok-fűrészfogszerű megjelenés lenne - közvetlenül tudjuk vizsgálni a gazdagodást, vagy szegényedést egy referencia értékhez viszonyítva - Relatív koncentráció értékek logaritmikus ábrázolás Csökkenő inkompatibilitás, növekvő rendszám

Eu-anomália - negatív Eu-anomália érzékenyen jelezheti a korábbi plagioklász kristályosodását - Eu Ca-ot helyettesíti plagioklászban - számszerűsíthető: Eu*=(Sm N +Gd N )/2 - Sm N, Gd N kondritra normált értékek - Eu N /Eu* <1- negatív anomália - Eu N /Eu* >1- pozitív anomália - E mellett a Ce-anomália is számszerűsíthető

A nyomelemek alkalmazásai: Ritkaföldfém diagramok - egyes elemek adott referencia összetételhez képest gazdagodtak-e - egymáshoz képest például a könnyű és nehéz ritkaföldfémek- van-e gazdagodás vagy szegényedés - görbe lefutása: egyenletes - negatív vagy pozitív anomáliák felismerése és jellemzése eloszlási minta érzékenyen jelzi a magmaképződés, illetve a frakcionációs kristályosodás körülményeit, történetét

A nyomelemek alkalmazásai: Nyomelem diagramok Csökkenő inkompatibilitás Növekvő teljes megoszlási együttható Legfontosabb referencia összetételi adatok: MORB (midle ocean ridge bazalt-óceánközépi hátság bazalt), primitív köpeny, OIB (ocean island bazalt-óceáni szigeteken képződött bazalt), kondrit

A nyomelemek alkalmazásai: részleges olvadás Két fő típusát különböztetjük meg: 1. egyensúlyi olvadás 2. frakcionációs olvadás 1. Egyensúlyi olvadás: folyamatos egyensúly van az olvadék és a szilárd fázis között 2. Frakcionációs olvadás: kis magmacsomagok keletkeznek, amelyek elhagyják az olvadás helyszínét- feljebb összeállnak Modális: az ásványok olyan részarányban olvadnak meg, amilyen arányban a szilárd kiindulási kőzetben vannak jelen Nem modális: a kisebb olvadáspontú ásványok hamarabb és nagyobb részarányban olvadnak meg

A nyomelemek alkalmazásai: részleges olvadás Olvadási folyamat során számszerűen megadható a nyomelemek koncentráció változása az ásvány/olvadék megoszlási együttható és a részleges olvadás típusának ismeretében. Ásvány/olvadék megoszlási együttható D i ásv/olv =C i ásv /C i olv (McIntire, 1963) Pl. az olivinben a La=0,13 ppm az olvadékban a La=13 ppm D La olivin/olvadék =C La olivin /C La olvadék =0,13/13=0,01 http://earthref.org/germ/

megoszlási együtthatók A nyomelemek alkalmazásai: részleges olvadás Megoszlási együttható függ: A magma összetételétől 100 Oxidációs körülmények: dácit - azok az elemek, riolit amelyek különböző iontöltéssel fordulnak elő pl. Eu, amely 10 reduktív környezetben +2 (+3 helyett), így plagioklászokban helyettesíti a Ca-ot. Kristályosodási hőmérséklet: Sr megoszlási 1 együtthatója logaritmikusan változik plagioklászban 1400 és 1100 C között (Drake és Will, 1975) Sm megoszlási együtthatója titanitban 1100 és 900 C között (Green és Pearson, 1986) 0,1 Hornblende/olvadék megoszlási együtthatók (Rollinson, 1993) bazalt bazaltos andezit Nyomás: La Ce Nd Sm Eu Gd Dy Er Yb Lu Ritkaföldfém elemek megoszlási együtthatója a titanitra vonatkoztatva érzékelhetően nőnek nagyobb nyomáson.

Teljes megoszlási együttható D i = Σ x i ásv *D i ásv/olv D i ásv/olv ásvány/olvadék megoszlási együttható X i ásv az illető ásvány viszonylagos részaránya Ultrabázisos-bázisos rendszerben (McKenzie és O Nions, 1991) olivin ortopiroxén klinopiroxén gránát spinell La 0,0004 0,002 0,054 0,01 0,01 Ce 0,0005 0,003 0,098 0,021 0,01 Nd 0,001 0,0068 0,21 0,087 0,01 Sm 0,0013 0,01 0,26 0,217 0,01 Eu 0,0016 0,013 0,31 0,32 0,01 Tb 0,0015 0,019 0,31 0,75 0,01 Yb 0,0015 0,049 0,28 4,03 0,01 Lu 0,0015 0,06 0,28 5,5 0,01

A földköpenyben a gránát-peridotit ásványos összetétele: ásvány % olivin 60,1 ortopiroxén 18,9 klinopiroxén 13,7 gránát 7,3 La, Yb teljes megoszlási együtthatója ebben a rendszerben: D La =0,601*0,0004+0,189*0,002+0,137*0,054+0,073*0,01=0,0087 D Yb =0,601*0,0015+0,189*0,049+0,137*0,28+0,073*4,03=0,3427 Mindkét elem inkompatibilis ultrabázisos és bázisos magmás rendszerben, a La erősebben dúsul az olvadékban, míg a Yb egy részét a gránát visszatartja.

A nyomelemek koncentráció változása az olvadási folyamat során: Attól függően, hogy egyensúlyi vagy frakcionációs, modális és nem modális olvadás történt különböző egyenleteket használunk, amelyekben fontos: A nyomelemek koncentrációja (az olvadékban, kiindulási kőzetben, visszamaradt kőzetben) Nyomelem megoszlási együtthatója (ásványfázisra vonatkoztatva, kiindulási ásványfázisra, olvadékba lépő ásványfázisra és a visszamaradt kőzetre vonatkoztatva) Olvadás mértéke (magma (t%)/megolvadó kőzet (t%)) Ásványok részaránya (az ásványok viszonylagos mennyisége a kiindulási kőzetben, olvadás után visszamaradt kőzetben)

Pl. modális és nem modális részleges olvadás során Bazaltos rendszerben kompatibilis elem Cr, Ni, Co Cr koncentrációja földköpenyben 3000 ppm az olvadékba lépő Modális összetétel (%) ásványok részaránya (%) Spinell lherzolit Gránát lherzolit olivin 57 60,1 ortopiroxén 25,5 18,9 klinopiroxén 15 13,7 spinell 2,5 gránát 7,3 Spinell lherzolit Gránát lherzolit olivin 1,21 1,3 ortopiroxén 8,06 8,7 klinopiroxén 76,37 36 spinell 14,36 gránát 54 Kostopoulos és James, 1992 Króm ásvány/olvadék megoszlási együtthatója (McKenzie és O Nionos, 1991): olivin ortopiroxén klinopiroxén gránát spinell 0,3 1,5 3 5,5 300

Teljes ásvány megoszlási együttható: D i = Σ x ásv i *D ásv/olv i olivin ortopiroxén klinopiroxén gránát spinell 0,3 1,5 3 5,5 300 Spinell lherzolit Gránát lherzolit olivin 57 60,1 ortopiroxén 25,5 18,9 klinopiroxén 15 13,7 spinell 2,5 gránát 7,3 Modális olvadás során: Spinell lherzolit esetében: D Cr =0,57*0,3+0,255*1,5+0,15*3+0,025*300=8,5035 Gránát lherzolit esetében: D Cr = 0,601*0,3+0,189*1,5+0,137*3+0,073*5,5=1,2763

Teljes ásvány megoszlási együttható: D i = Σ x ásv i *D ásv/olv i olivin ortopiroxén klinopiroxén gránát spinell 0,3 1,5 3 5,5 300 Spinell lherzolit Gránát lherzolit olivin 1,21 1,3 ortopiroxén 8,06 8,7 klinopiroxén 76,37 36 spinell 14,36 gránát 54 Nem modális olvadás során: Spinell lherzolit esetében D Cr =0,0121*0,3+0,086*1,5+0,7637*3+0,1436*300=45,50373 Gránát lherzolit esetében: D Cr = 0,013*0,3+0,087*1,5+0,36*3+0,54*5,5=4,1844

Cr koncentrációja az olvadékban: Modális egyensúlyi olvadás: Spinell lherzolit esetében: ahol D io =8,5035 C i L=C i os/{d io +[F*(1-D io )]} F-olvadás mértéke=1 % - azaz 0,01 C i L =3000/{8,50+[0,01*(1-8,50)]}=356 ppm Gránát lherzolit esetében: ahol D io =1,2763 C i L=C i os/{d io +[F*(1-D io )]} F-olvadás mértéke=1 % - azaz 0,01 C i L =3000/{1,2763+[0,01*(1-1,2763)]}=2356 ppm Nem modális egyensúlyi olvadás: Spinell lherzolit esetében, ahol P io =D io nem modális C i L=C i os/[d io +(F*(1-P io ))] F-olvadás mértéke=1 % azaz 0,01 C i L =3000/{8,50+[0,01*(1-45,50373)]}=372 ppm Gránát lherzolit esetében, ahol P io =D io nem modális C i L=C i os/{d io +[F*(1-P io )]} F-olvadás mértéke=1 % azaz 0,01 C i L =3000/{1,2763+[0,01*(1-4,1844)]}=2411 ppm

Gyakorlat: Ni koncentrációja földköpenyben 1985 ppm az olvadékba lépő Modális összetétel (%) ásványok részaránya (%) Spinell lherzolit Gránát lherzolit olivin 57 60,1 ortopiroxén 25,5 18,9 klinopiroxén 15 13,7 spinell 2,5 gránát 7,3 Spinell lherzolit Gránát lherzolit olivin 1,21 1,3 ortopiroxén 8,06 8,7 klinopiroxén 76,37 36 spinell 14,36 gránát 54 Kostopoulos és James, 1992 Nikkel ásvány/olvadék megoszlási együtthatója (Mysen, 1978): olivin ortopiroxén klinopiroxén gránát spinell 15,5 1,7 2,6 5,1 0,0001

Gyakorlat: Teljes ásvány megoszlási együttható: D i = Σ x ásv i *D ásv/olv i Modális olvadás során: Spinell lherzolit esetében: D Cr =0,57*15,5+0,255*1,7+0,15*2,6+0,025*0,0001=9,6585 Gránát lherzolit esetében: D Cr = 0,601*15,5+0,189*1,7+0,137*2,6+0,073*5,1=10,3653 Nem modális olvadás során: Spinell lherzolit esetében D Cr =0,0121*15,5+0,086*1,7+0,7637*2,6+0,1436*0,0001=2,3193 Gránát lherzolit esetében: D Cr = 0,013*15,5+0,087*1,7+0,36*2,6+0,54*5,1=4,0394

Gyakorlat: C i L=C i os/{d io +[F*(1-D io )]} C i L=C i os/{d io +[F*(1-P io )]} Olvadási mód Spinell lherzolit forráskőzet modális egyensúlyi olvadás Gránát lherzolit forráskőzet modális egyensúlyi olvadás F Ni (ppm) 0,01 206 0,03 211 0,05 215 0,10 226 0,15 237 0,20 250 0,01 193 0,03 197 0,05 201 0,10 211 0,15 222 0,20 234 Olvadási mód Spinell lherzolit forráskőzet nem modális egyensúlyi olvadás Gránát lherzolit forráskőzet nem modális egyensúlyi olvadás F Ni (ppm) 0,01 206 0,03 206 0,05 207 0,10 208 0,15 210 0,20 211 0,01 187 0,03 188 0,05 194 0,10 197 0,15 200 0,20 203

Ni (ppm) 300 250 200 150 100 50 0 spinell lherzolit, modális egyensúlyi olvadás spinell lherzolit, nem modális egyensúlyi olvadás gránát lherzolit, modális egyensúlyi olvadás gránát lherzolit, nem modális egyensúlyi olvadás 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 F olvadás mértéke A Ni koncentrációja adott forráskőzet esetén alapvetően független az olvadás típusától, csupán nagymértékű (>10%) olvadás esetén változik a koncentrációja