Metamorfné fácie

Vznik a vývoj myšlienky metamorfných fácií

Termín fácia bol v geológii po prvýkrát použitý pre sedimentárne fácie vyčlenené v usadených horninách. Autorom termínu bol roku 1838 švajčiarsky geológ Amanz Gressly. V metamorfnej petrológii ho podobným spôsobom po prvýkrát navrhol používať fínsky geológ Pentti Eelis Eskola. Eskolova klasifikácia bola v 70. rokoch 20. storočia upravená novozélandským geológom Francisom Turnerom.
Pri výskume metamorfných terénov sa používajú i ďalšie metódy pre určovanie stupňa metamorfózy, napr. metóda metamorfných izográd, teda hraníc metamorfných zón s rovnakým typom premeny hornín. Metamorfné zóny orogénnej metamorfózy po prvýkrát vyčlenil v Škótskej vysočine geológ George Barrow.

Princíp metamorfných fácií

Rôzne metamorfné fácie možno jasne definovať podľa minerálneho zloženia horniny. Keďže nie všetky minerály sú stabilné pri rovnakých podmienkach a niektoré rekryštalizujú, alebo sa tavia pri vyšších a iné pri nižších teplotách a tlakoch, tomuto stavu musí zodpovedať aj zmena zloženia hornín, ktoré sú tvorené z rôznych minerálov. Hornina v pôvodnom stave, pred metamorfózou sa označuje protolit. Protolitom môžu byť usadené, vyvreté aj premenené horniny. Zloženie protolitu preto výrazne ovplyvňuje aj minerálne zloženie výslednej horniny. Príkladom sú premenené karbonáty, ktoré zvyknú v amfibolitovej fácii vytvárať rôzne druhy mramorov, zatiaľ čo na kremeň bohaté horniny ako žula, pri rovnakej fácii vytvárajú ortoruly.
Ak je zmena teplotno-tlakových podmienok, v ktorých sa hornina nachádza dostatočne veľká, môže v nej dôjsť k zmene minerálneho zloženia. Zatiaľ čo stabilné minerály nemusia byť zmenou vôbec postihnuté, iné sa môžu stať nestabilnými alebo metastabilnými. To ako sa bude každý minerál správať záleží na jeho reakčnej kinetike, aktivačnej energii reakcie a množstve fluíd prítomných v hornine.
Koncept metamorfných fácií sa pre uľahčenie interpretácie aplikuje do jednoduchého diagramu, ktorý sa skladá z niekoľkých základných minerálnych zón stabilných len pri určitých tlakoch a teplotách. Tieto zóny označované fácie sú priestorovo obmedzené jednak prítomnosťou základných indexových minerálov, tak aj určitým stupňom metamorfózy. Indexový minerál v premenenej hornine začína rásť po dosiahnutí určitých teplotno-tlakových podmienok, chemické látky pre svoj rast získava na úkor starších minerálnych asociácií (všetkých minerálov prítomných v hornine), ktoré v nových podmienkach prestávajú byť stabilné. Minerálne asociácie boli vyčlenené na základe experimentálnych i terénnych prác, ako aj pozorného mikroskopického štúdia hornín. Minerály premenených hornín a ich vekové vzťahy sa študujú polarizačnými mikroskopmi a skenovacím elektrónovým mikroskopom na výbrusoch hornín. Potrebné je najmä zistiť presné minerálne paragenézy metamorfných minerálov, ktoré reprezentujú jednotlivé štádiá vývoja metamorfovanej horniny.
V súčasnosti sa vymedzuje viacero metamorfných fácií. Mená jednotlivých fácií sú odvodené od typických premenených metabazitov. Medzi základné patrí fácia zelených břidlic a modrých bridlíc, eklogitová, amfibolitová a granulitová fácia. V oblasti nižších teplôt a tlakov sa nachádzajú menej významné anchimetamorfné fácie, ako je zeolitová a prehnit-pumpellyitová fácia ktoré sa niekedy ani samostatne nevyčleňujú. Podobný stav panuje i pre fácie kontaktnej metamorfózy, kde existuje celý rad fácií kontaktných rohovcov a sanidínová fácia. Toto členenie sa opiera najmä o Putišovu prácu Petrografia metamorfovanýh hornín.

Zeolitová fácia

Zeolitová fácia sa vyznačuje najnižším stupňom teplotnej premeny. Tvorí prvý krok od premeny pôvodného protolitu. Voľným okom nemusí byť vôbec pozorovateľná. Minerály týchto hornín rekryštalizovali pri veľmi nízkych teplotách, a nízkych tlakoch. Zodpovedajú tzv. anchimetamorfóze, premene ku ktorej môže dochádzať i v hlboko pochovaných usadených súvrstviach sedimentárnych panví. Fácia zodpovedá teplotám okolo 50 až 150 °C v rozmedzí hĺbky 1 až 5 km. Pre najmenej metamorfované pelitické sedimenty je typický zvýšený obsah illitu s vysokou kryštalinitou a medzivrstvami kaolinitu, tiež nízkoteplotný chlorit, albit, pyrofylit a chloritoid.
Základnou minerálnou asociáciou pre metabazity tvorí kremeň a zeolity, čo sú na vodu bohaté silikáty obsahujúce sodík, vápnik a hliník (napr. wairakit, heulandit, analcím, laumontit a stilbit). V metapelitoch vystupuje typická rada indexových minerálov v podobe muskovitu, chloritu, albitu a kremeňa. Zeolitová fácia je najčastejšia pri pelitických sedimentoch, ktoré sú bohaté na hliník, kremík, sodík a chudé na železo, horčík a vápnik.

Prehnit-pumpellyitová a lawsonitovo-albitová fácia

Fácie typické pre hlboko pochované sedimenty sú tiež prehnit-pumpellyitová a lawsonitovo-albitová fácia. Typickými minerálmi sú prehnit a pumpellyit, sú to tiež vodnaté silikáty obohatené o vápnik a hliník a v prípade pumpellyitu aj o železo a horčík. Vyskytujú sa niekedy i zeolitovej fácii, ale častejšie sú skôr pri teplotách 200 – 300 °C. V metapelitoch v tejto fácií vzniká muskovit, chlorit, albit a kremeň. Pri rovnakých teplotách ale vzrastajúcom tlaku dochádza k vzniku lawsonitovo-albitovej fácie. Ani tieto horniny nie sú natoľko premenené aby v nich nebolo možné na prvý pohľad zistiť pôvodnú štruktúru.

Amfibolitová fácia

Vo vyššej časti strednoteplotnej fácie dochádza k novým zmenám minerálneho zloženia fácie zelených bridlíc a vzniku amfibolitovej fácie. Rozsah tejto fácie je od 3 do 12 kbar, a od teplôt 500 do 700 °C. Počas tohoto prechodu dochádza k niekoľkým chemickým zmenám, ako je zmena albitu na oligoklas. Zvýšenie obsahu hliníka v amfiboloch má za následok zmenu aktinolitu na hornblend a jemu podobné amfiboly ako sú tschermakit, edenit, či pargasit. Vznik hornblendu podmieňuje aj reakcia chloritu, zoisitu a kremeňa, pri ktorej vzniká aj plagioklas a voda. Vo vyššieteplotnej časti fácie hlavne ak je amfibolit bohatý na železo a hliník, môže ňom vznikať aj granát.
Typická minerálna asociácia pri metabazitoch (amfibolitoch) je oligoklas, hornblend, epidot, chlorit a kremeň. S nárastom teploty ale dochádza k tomu, že od asi 550 °C zaniká posledný chlorit a od 600 °C mizne aj epidot. Namiesto nich vzniká granát. Za vysokých teplôt nakoniec dochádza k vzniku klinopyroxénu, hlavne diopsidu. Táto reakcia spotrebováva zvyšky epidotu aj amfibolu na úkor vznikajúceho granátu a klinopyroxénu. Metapelity amfibolitovej fácie sú svory a pararuly. Kremenno-živcové horniny tvoria tzv. leptity, ak pôvodne išlo o tufy a pyroklastiká; prípadne vyvreté kremenno-živcové horniny v amfibolitovej fácii vytvárajú ortoruly. Prechod do granulitovej fácie naznačuje najmä vznik ďalších pyroxénov.

Granulitová fácia

Granulitová fácia vzniká za pri zvyšovaní tlaku a teploty z amfibolitovej fácie. Vznikajú pri stredných až vysokých tlakoch do 12 kbar a teplotách v rozmedzí 700 – 900, prípadne až 1 000 °C. Pri prechode z amfibolitovej fácie dochádza ku kryštalizácii ortopyroxénov, najmä hypersténu. Pre fáciu je tiež typický plagioklas, ortoklas a klinopyroxén. Pri ďalšom náraste tlaku, začína stúpať význam granátu, plagioklasu a klinopyroxénu. V najvyššej časti vzniká hlinitý ortopyroxén, osumilit, spinel, kremeň a zafirín. Pre metabazity sú typické tmavé granulity, pre metapelity – granulitické ruly, pre kremenno-živcové horniny – svetlé granulity.

Fácia modrých bridlíc

Horniny, ktoré vznikajú prechodom z fácie zelených bridlíc do oblasti vysokých tlakov sú pre svoju mierne modrú farbu označované ako modré bridlice. Pre ich minerálne zloženie je typický Na-amfibol glaukofán, často s prímesou crossitu alebo riebeckitu. Pre nižšiu časť fácie je typický glaukofán, lawsonit a chlorit. Pri náraste tlaku a teplôt sú to glaukofán, zoisit/epidot, granát, paragonit, chlorit, rutil a ďalšie.
Výskyt modrých bridlíc je najčastejšie spájaný so subdukčným rozhraním litosférických platní, kedy sú niektoré horniny rýchlo ponorené do veľkých hĺbok, pričom dochádza k rýchlemu nárastu tlaku a pri pomerne nízkych teplotách. Postupný nárast teploty ale spôsobuje vznik granátu a klinopyroxénu. Ak množstvo týchto kryštálov ďalej rastie, môže vzniknúť neostrá hranica medzi fáciou modrých bridlíc a eklogitovou fáciou.

Eklogitová fácia

Horniny ktoré podstúpia ultravysokotlakú (nad 12 kbar) a vysokoteplotnú (400 – 900 °C) metamorfózu sa vyznačujú obsahom zeleného klinopyroxénu omfacitu a granátu, hlavne pyropu. Obsahujú tiež zoisit, fengit, paragonit, glaukofán, kremeň, kyanit, mastenec, rutil a karbonáty. Tieto horniny majú obvykle bázické protolity a označujú sa eklogity. Z metapelitov ultravysokotlaké ruly a biele bridlice eklogitovej fácie. Ultravysokotlaké eklogity (nad 25 kbar) môžu obsahovať aj diamant alebo coesit.
Minerálne asociácie tejto fácie tvorí len malý počet fáz, čo má za následok, že tu prebieha len málo kontinuitných reakcií. Absencia väčšieho množstva reakcií spôsobuje, že je často veľmi zložité určiť presné tlaky, ktoré viedli k vzniku asociácie.

Fácie kontaktných rohovcov

Na styku magmatických hornín s ich okolím dochádza k osobitému druhu premeny. Kontaktná metamorfóza nemá veľký rozsah a je výrazne závislá od teploty magmy resp. lávy. Kontaktný účinok vzrastá s bázicitou magmy. So vzrastajúcim kontaktným účinkom sa vyčleňujú fácia albit-epidotických, amfibolických, ortoklas-cordieritických, ortoklasovo-sanidínových a sanidínových rohovcov. Horniny ktoré ich tvoria sú typickou súčasťou kontaktných aureol okolo intrúzií. V metapelitoch sú to typické porcelanity a kontaktné rohovce. Pre kontaktne metamorfované karbonáty, podobné mramorom sú typické indexové minerály mastenec, tremolit, wollastonit, prípadne i grosulár.