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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

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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/