ØVELSE 3 INTRODUKTION TIL PETROGRAFISK BESKRIVELSE KLASSIFIKATION CIPW NORM Blok 3 /Geologi 3.1 Magmatisk petrologi Paul Martin Holm 2004
1. Den petrografiske beskrivelse Magmabjergarter er dannet ved størkning af smelter. Hovedformålene med en petrologisk undersøgelse er i denne sammenhæng at udrede, hvilken smeltesammensætning der har været tale om, hvordan størkningen er forløbet, hvad der er kommet ud af det, og hvad der er sket efter at smelten størknede? Det skal indledningsvis slås fast, at den kemiske sammensætning af en magmabjergart kun i meget få tilfælde er et nogenlunde pålideligt udtryk for smeltens sammensætning. I det almindelige tilfælde vil der være en markant forskel mellem bjergartens og smeltens kemiske sammensætning. Den petrografiske beskrivelse af bjergarter ved hjælp af tyndslib har som formål: 1. At identificere bjergartens mineraler og inddele dem i bjergartsdannende, accessoriske og sekundære mineraler; og evt. at bestemme den kemiske sammensætning for nogle af mineralernes ved hjælp af krystaloptiske metoder. 2. At beskrive de teksturelle forhold, først og fremmest graden af klystallinitet, kornstørrelsesforhold og mineralkornenes former og indbyrdes relationer. 3. At karakterisere, klassificere og navngive bjergarten med udgangspunkt i en modalanalyse, dvs. bestemmelse af de bjergartsdannende mineralers indbyrdes mængdeforhold, målt som rumfangsprocenter. 4. At tolke bjergartens størkningsforløb (bl.a. mineralernes dannelsesorden), senere omdannelser, oprindelse og genese. 1.1 Indledning Beskrivelsen af en bjergart indledes af en kort karakteristik, f.eks. at der er tale om en jævnkornet og grovkornet bjergart, der viser magmatisk lamination. 1.2 Identifikation og beskrivelse af mineralerne Det er praktisk at beskrive mineralerne i en bestemt rækkefølge, dels for at få alle væsentlige oplysninger med, dels for at gøre det let at sammenligne forskellige bjergarter. Den praksis, der følges af de fleste petrologer, er: 1. Eventuelle strøkorn beskrives først idet der begyndes med de mafiske mineraler i ordenen: olivin, pyroxen(er), amfibol(er), glimmer; efterfulgt af de felsiske mineraler i ordenen: plagioklas, alkalifeldspat og kvarts eller feldspathoider. 2. Dernæst beskrives grundmassens mineraler i den samme rækkefølge. Findes et mineral både som strøkorn og i grundmassen, beskrives det under begge overskrifter. 3. De underordnede (accessoriske) mineraler. 4. Sekundære mineraler. For hvert mineral gøres rede for kornstørrelse, kornformer, karakteristiske tvillingdannelser, farve og evt. pleokroisme, indeslutninger og omdannelser. (Derimod nævnes ikke generelle forhold som f.eks. at pyroxener viser 90 spaltelighed, feldspater interferensfarver af lav orden, osv. Dette er implicit givet, når man siger, at det er pyroxen, feldspat, osv. Kun når der er tale om et ikke-identificeret mineral, er der grund til at nævne de optiske egenskaber m.v.). Magmabjergarternes kemiske variation er resultatet af flere forskellige processer. Et fælles træk ved disse processer er, at de indebærer en 2
fraktionering af grundstofferne. Med fraktionering menes her, at koncentrationen af et grundstof i en fase (f.eks. et magma) ændres ved fordeling mellem denne fase og en eller flere nytilkomne faser (f.eks. mineraler). Der er principielt to typer af processer, vi vil beskæftige os med i denne introduktion til geokemien: smeltning og størkning. Ved dannelse af magma, som sker ved partiel opsmeltning af en såkaldt kildebjergart, vil magmaet have en sammensætning, der er forskellig fra kildens. Dette skyldes, at bjergarter smelter inkongruent - f.eks. er sammensætningen af en eutektisk smelte fjern fra kildebjergartens i så godt som alle tilfælde. Magmaer ændrer sammensætning (dvs. differentierer) under krystallisationen, fordi mineralerne har en anden sammensætning end magmaet, og fordi de bortfraktioneres under krystallisation. At forstå magmaers og magmabjergarters geokemi er ensbetydende med at forstå disse fraktioneringsprocesser mellem magma og fast fase (= mineraler) ( eller mellem magma og en fluid eller gasfase). Kvantitativt er processerne relateret til parametre som mineralsammensætning (i kilde og krystallisat), tryk og temperatur. 1.3 De teksturelle forhold Indeholder bjergarten glas fortælles hvor stor en del glasset udgør af slibets areal (hvilket svarer til rumfangsprocenten som er det der sædvanligvis bestemmes i en modalanalyse). Desuden gøres rede for eventuelle strøkorns og krystalliters relationer til glas-matrix, er der tale om euhedrale eller korroderede korn, er der reaktionszoner osv. Eventuelle strukturer i glasset som f.eks. perlit, sfæruliter og flydestrukturer beskrives ligesom der gøres rede for eventuel devitrifikation og andre omdannelser af glasset. Er der tale om en glasfri bjergart, er det unødvendigt at nævne i beskrivelsen at den er holokrystallin, idet dette er selvindlysende. Der gøres rede for: 1. Mineralernes kornstørrelsesforhold, dvs. de vigtigste mineralers korndiametre. Er bjergarten porfyrisk, jævnkornet osv. 2. Mineralernes indbyrdes mængdeforhold, modus, bestemmes. Dette gøres sædvanligvis ved punkttælling, dvs. ved at tælle punkter i et netværk eller ved benyttelse af et punkttælle-instrument. I en almindelig bjergartsbeskrivelse kan man nøjes med en visuel vurdering af mængdeforholdene, f.eks. ved at benytte det i figur 0.1 viste diagram. Hvor der er tale om meget grovkornede bjergarter med få mineralkorn i et enkelt synsfelt, kan det være vanskeligt at bestemme modalsammensætningen ved hjælp af almindelige tyndslib. 3. Mineralkornenes indbyrdes relationer, herunder om muligt den orden mineralerne er dannet i, beskrives ved hjælp af kornformer, indeslutninger, omvoksninger, zonering, reaktionszoner (koronaer) osv. Er der tale om en foretrukken orientering, som f.eks. magmatisk lamination, eller en retningsløs (massiv) tekstur? Nogle eksempler på vigtige teksturelle relationer: Strøkorns relationer til grundmassen (matrix), se ovenfor under omtalen af glasbjergarter. Er man usikker på oprindelsen af strøkorn, kan man kalde dem makrokryster. Er de udfældet som tidlige faser, er der tale om phenokryster. Hvis det er fremmede korn, f.eks. mineraler der er revet løs fra sidestenen, kalder man det xenokryster. Teksturer dannet ved akkumulation af mineralkorn: kumulater hvor de akkumulerede korn kaldes kumulus-fasen, de mellemliggende korn udfældet fra den interstitielle smelte kaldes interkumulus-fasen. Sådanne bjergarter kan vise magmatisk lamination 3
og magmatisk lagdeling. Det sidste ses evt. i håndstykker. Teksturer som angiver "in situ" krystallisation: ofitisk, granitisk mv. Sammenvoksningsteksturer: granofyrisk mv. Poredannelser: tomme porer, miarolitiske hulrum, amygduler mv. Der henvises i øvrigt til det senere afsnit: Grundlæggende petrografiske termer til beskrivelse af bjergarter i håndstykke og tyndslib. 1.4 Karakterisering og klassificering af magmabjergarter Ud fra mængdeforholdet mellem de bjergartsdannende mineraler klassificeres og navngives bjergarterne ved hjælp af QAPF-diagrammet og eventuelle hjælpediagrammer til dette. Er der tale om glasrige eller aphanitiske bjergarter hvor modalsammensætningen ikke kan bestemmes, kan klassificering og navngivning kun ske ud fra kemiske bjergartsanalyser og anvendelse af TAS-diagrammet. Er en bjergart ud fra QAPF-diagrammet bestemt til være en alkalifeldspat-granit, kan navnet blive yderligere præciseret ved at nævne karakteristiske mineraler. Eksempler er biotit-alkalifeldspat-granit, alkaligranit (dvs. en alkalifeldspat-granit med indhold af alkalipyroxen og/eller -amfibol) osv. En almindelig granit kan tilsvarende inddeles i f.eks. biotit-granit, to-glimmer-granit, hypersthen-granit (dvs. charnockit) osv. En vigtig del af disse manøvrer er at bestemme om bjergarten er vulkansk eller plutonisk, idet der findes QAPF-diagrammer for begge bjergartsgrupper. De vigtigste kriterier er tilstedeværelsen af glas eller ej, kornstørrelsen og poreindholdet. 1.5 Tolkning Ud fra mineralindhold og mineralrelationer kan en bjergarts dannelsesforløb blive fastlagt. Nogle eksempler vil illustrere fremgangsmåden. Porfyriske lavabjergarter: Phenokryster er dannet subvulkansk (intratellurisk), evt. dybt nede i skorpen eller i den øvre kappe, og fortæller om forholdene i det dybtliggende magmakammer; især hvis der er phenokryster af flere mineraler. Phenokrysternes relationer til matrix og dennes udvikling som glas, aphanitiske eller finkornede mineralsammenvoksninger fortæller om eruptionsform og størkningsforløb. Flydestrukturer og poreindhold i lavabjergarter giver oplysninger om smelternes viskositetsforhold. Plutoniske bjergarter: Er der tale om kumulater eller produkter af in situ-krystallisation? Er der flere stadier i størkningsforløbet: phenokryster, seriat eller jævnkornet tekstur, mineralernes dannelsesorden og indbyrdes relationer osv. Det er vigtigt at fastlægge om interstitielle mineraler i plutoniske bjergarter er dannet som slutprodukt af størkningsprocessen, eller sekundært, f.eks. ud fra senmagmatiske opløsninger, eller ud fra postmagmatiske hydrotermale imprægnationer. Eventuelle omdannelser af de bjergartsdannende mineraler, som f.eks. saussuritisering af plagioklas eller chloritisering af amfibol, skal inddrages i denne vurdering. Der kan også være tale om egentlige forvitringsdannelser. 4
Mineralernes dannelsesorden bestemmes ud fra graden af idiomorfi, indeslutninger, omvoksninger m.m., men det skal understreges, at dette ikke altid kan gøres med 100% sikkerhed, bl.a. på grund af mineraludfældning fra interstitielle smelter som udvisker mineralkornenes oprindelige kornformer. Man skal i denne sammenhæng være opmærksom på om mineralkornene viser vækststadier, f.eks. ved farvezonering, rækker af indeslutninger, der markerer tidlige kerner af kornene og optisk zonaritet i de krystalsystemer, hvor dette kan iagttages. Når størkningsforløbet er udredet, ved man hvilke mineraler, der er liquidusfaser, om der har været tale om ligevægts- eller uligevægtskrystallisation, krystallisation ved højt eller lavt volatiltryk, langsom eller hurtig størkning, i ro eller under bevægelse, magmaets viskositet osv. Afblanding i mineralerne og mineralomdannelser giver oplysninger om subsolidusrelationerne. Fig. 1. Diagram til hjælp ved den visuelle bestemmelse af en bjergarts modalsammensætning. 5
2. Grundlæggende petrografiske termer til beskrivelse af bjergarter i håndstykke og tyndslib Tekstur Ved en bjergarts tekstur forstås de geometriske relationer mellem bjergartens komponenter (mineraler og glas). En bjergarts tekstur omfatter egenskaberne: 1. Krystallinitet (graden af krystallisation; mængdeforholdet mellem mineraler og glas ). 2. Kornstørrelse (både den absolutte og de forskellige mineralers relative størrelse). 3. Form af mineralkorn. 4. Gensidige geometriske relationer mellem bjergartens komponenter, mineraler og glas. 2.1 Krystallinitet Magmatiske bjergarter varierer i klystallinitet fra at være udelukkende opbygget af mineralkorn til udelukkende at bestå af glas: 100% mineralkorn HOLOKRYSTALLIN HYPOKRYSTALLIN / HYPOHYALIN / 100% glas HOLOHYALIN 2.2 Kornstørrelse Kornstørrelsesbegrebet omfatter følgende karakterer: (A) Generelle kornstørrelsesbegreber PHANEROKRYSTALLIN Alle korn af de vigtigste mineraler kan skelnes ved øjets hjælp. APHANITISK PEGMATITISK APHYRISK Ingen mineralkorn (bortset fra eventuelle phenoklyster) kan skelnes ved øjets hjælp. To undertyper haves: Mikrokrystallin - mineralkorn kan identificeres ved mikroskop. Mineralkorn der er store nok til at give polarisationsfarver, kaldes mikrolitter. Kryptokrystallin - mineralkorn for små til mikroskopisk identifikation. Korn der er for små til at vise polarisationsfarver (<0.01 mm), kaldes klystalliter. En variant af phaneroklystallin hvor mineralkornene er meget store: >1-2 cm. Teksturer der ofte anvendes om aphanitiske bjergarter uden phenoklyster. (B) Absolut kornstørrelse GROVKORNET korndiameter: > 5 mm MELLEMKORNET korndiameter: 1-5 mm FINKORNET korndiameter: < 1 mm (C) Relativ kornstørrelse EQUIGRANULAR/ JÆVNKORNET Alle mineralkorn er af omtrent samme størrelse. 6
INEQUIGRANULAR 2.3 Form af mineralkorn EUHEDRAL (idiomorf) Mineralkorn af markant forskellig størrelse: Porfyrisk tekstur betegner relativt store korn (phenokryster) i en finerekornet grundmasse. Præfix'et micro - kan sættes til phenokryster med en diameter på 0,05-0,5 mm. Vitrofyrisk betegner en porfyritisk tekstur hvor grundmassen er glas. Mineralkorn komplet afgrænset af karakteristiske krystalflader. SUBHEDRAL (hypidiomorf) Mineralkorn kun afgrænset af nogle karakteristiske krystalflader. ANHEDRAL (allotriomorf) Mineralkorn mangler alle karakteristiske krystalflader. Specifikke termer til angivelse af formen af mineralkorn: SKELETAL DENDRITISK TABULAR (tavleformet) ACICULAR (nåleformet) SPHÆRULTISK FORGRENET PSEUDOMORF Mineralkorn med hulrum og/eller indbugtninger, karakteristisk efter bestemte krystallografiske retninger. Mineralkorn bestående af en trælignende ordnet gruppe af fibre med fælles optisk orientering. Krystal med en aflang form, fladtrykt parallelt med en krystallografisk akse. Nåleformede krystaller. Et radierende bundt af krystalline fibre med en kun svagt afvigende optisk orientering af de enkelte fibre. Langstrakte, eventuelt buede og forgrenede, krystaller med forgreninger udviklet langs krystallen og hvor de enkelte forgreninger har en svagt afvigende optisk orientering. Mineralaggregater af et andet mineral under bibeholdelse af det oprindelige minerals kornform. Termer beskrivende mineralkornsformer dannet ved delvis genopløsning (resorption) af kornene: SVAMPET INDBUGTET Mineralkorn indeholdende mange små, indbyrdes sammenknyttede, kasseformede glasindeslutninger der giver mineraler et svampet eller porøst udseende. Mineralkorn med indbugtninger i overfladen. Indbugtningeme er (i modsætning til skeletale korn) ikke krystallografisk betinget. 7
2.4 Gensidige relationer mellem mineralkorn De forskellige former for gensidige mineralkornarrangementer i en bjergart kan opdeles i en række teksturkategorier af hvilke flere har navn efter eksempelvis karakteristiske krystalformer og derfor allerede er blevet omtalt. Der kan skelnes mellem følgende kategorier af teksturer: (A) Equigranular tekstur EUHEDRAL GRANULAR De fleste af mineralkornene er euhedrale og af ensartet størrelse. SUBHEDRAL GRANULAR De fleste af mineralkornene er subhedrale og af ensartet størrelse. (ANHEDRAL) GRANULAR De fleste af mineralkornene er anhedrale og af ensartet størrelse. (B) Inequigranular tekstur Karakteriseret ved forskellig størrelse af de forskellige mineralkorn. Inequigranulare teksturer kan opdeles i: SERIAT PORFYRISK GLOMEROPORFYRISK POIKILITISK OFITISK INTERSTITIEL Kornene af de vigtigste mineraler viser en kontinuerlig kornstørrelsesvariation. Relativt store mineralkorn (phenokryster) omgivet af finerekornede mineralkorn som grundmasse. En variant af porfyrisk tekstur med phenokrysterne samlede i bundter eller klumper. Relativt store korn af ét mineral indeslutter adskillige mindre korn af et eller flere andre mineraler. En variant af poikilitisk tekstur, hvor alle de indesluttede mineraler er aflange af form (eksempelvis lister af plagioklas omsluttet af augit = ofte benævnt doleritisk tekstur). Sub-ofitisk tekstur: De mindre korn er ikke totalt indesluttede i de store korn. To varianter haves, afhængig af karakteren af det materiale der udfylder kileformede mellemrum mellem større mineralkorn, ofte tavler af feldspat, i en bjergart: Intersertal tekstur, hvor mellemrummene udfyldes af glas eller hypokrystallinsk materiale. Intergranular tekstur, hvor mellemrummene udfyldes af ét eller flere slags mineralkorn. 8
(C) Orienterede teksturer TRACHYTISK LAMINATION FLYDESTRUKTUR IGNIMBRIT KAM (eng.: Comb texture) ORBICULAR Tekstur med en subparallel orientering af listeformede feldspatkorn i grundmassen af vulkanske bjergarter. Subparallel orientering af hovedsagelig tavler af feldspat i plutoniske bjergarter. Mineraler og evt. bjergartsfragmenter viser en orientering og evt. foldning fremkommet ved "udtværing" af delvis størknede dele af en lavastrøm i bevægelse. Struktur dannet ved sammensvejsning af pyroklastisk materiale under Nuée ardente udbrud. Langstrakte, eventuelt buede og forgrenede, korn der ligger i samme optiske retning. Mineralkornene danner typisk lag. Tekstur hvor bjergarten indeholder kugler bestående af koncentriske skaller af rytmisk alternerende mineralkorn. (D) Sammenvoksningsteksturer MIKROGRAFISK Regulær sammenvoksning af to mineraler og dannende et runeskriftlignende billede. GRANOFYRISK MYRMEKITISK En variant af mikrografisk tekstur med en mindre regelmæssig sammenvoksning af kvarts og feldspat eller en mere radierende sammenvoksning. Plagioklas sammenvokset med ormelignende kvarts. Teksturen ses oftest langs randen af plagioklaskorn. (E) Radierende teksturer Radierende teksturer opstår, når langstrakte mineralkorn radierer ud fra en fælles kerne; teksturen findes oftest i finkornede bjergarter. SPHÆRULITISK Bjergarten indeholder omtrent kugleformede legemer bestående af et aggregat af fibrøse korn af ét eller flere mineraler og radierende ud fra en kerne. (F) Overvoksningsteksturer Teksturer hvor et mineral er overvokset af enten materiale af samme sammensætning, af svagt afvigende sammensætning eller et helt andet mineral, herunder: KORONA Tekstur hvor et korn af ét mineral er omgivet af en rand af et eller flere korn af et andet mineral. Rapakivi tekstur angiver specifikt en korona tekstur, hvor en Na-rig plagioklas overvækst er foregået på store, oftest 9
afrundede, alkali-feldspatkorn. ZONERING Ét eller flere bånd eller zoner i et mineralkorn afviger fra resten af kornet med hensyn til kemisk sammensætning. Forskellige typer af zonering kendes - til dels betinget af karakteren af mineralet. (G) Hulrumsteksturer En gruppe teksturer karakteriserede ved enten hulrum i bjergarten eller sandsynligvis tidligere (nu udfyldte) hulrum. VESICVLAR Tekstur med runde, ovale eller aflange hulrum dannet ved afgivelse og udvidelse af gas i bjergarten. AMYGDALOIDAL Tidligere hulrum udfyldt af senere dannede mineraler. MIAROLITISK Tekstur karakteriseret af uregelmæssigt formede hulrum (druserum) ind i hvilke euhedrale korn af de bjergartsdannende mineraler er vokset, og ofte med krystaller af mineraler som f.eks. turmalin, topaz og titanit. 10
3. Bemærkning vedr. magmatiske bjergarters petrografi Bjergartens petrografi kan med fordel opdeles i en beskrivelse af bjergarten i håndstykke studeret med øje og lup, samt en beskrivelse af tyndslib af bjergarten studeret med polarisationsmikroskop. I øvrigt gås frem jf. nærværende noter. Ved angivelse af hyppigheden af de enkelte faser, er det praktisk at angive dem i relation til deres teksturelle position. F.eks. opgives en koncentration af plagioklas på 60 vol.% i en vulkansk bjergart som 10% strøkorn og 50% i grundmassen; og tilsvarende vil kvaliteten af beskrivelsen vinde ved at angive at ud af 30% olivin i en plutonisk bjergart, er de 25% kumulus olivin og 5% interkumulus olivin. Et eksempel på rapporteringen af mineralhyppigheder i en vulkansk bjergart kunne således være: Modalanalyse af tephrit fra Kap Verde øerne: Strøkorn: clinopyroxen 12% amfibol 1% haüyne 2% i alt 15% Grundmasse: glas 60% clinopyroxen 10% plagioklas 10% Fe-Ti-oxid 5% i alt 85% Det er vigtigt, at hver fase beskrives således at de relevante oplysninger noteres, og at tolkning af de petrografiske data - både for de enkelte faser og samlet - holdes adskilt fra beskrivelsen. Det kan enten gøres ved at fortolkninger i teksten følger umiddelbart efter observationerne for den enkelte fase, eller ved at al diskussion af data (tolkninger) gives i et særskilt afsnit af teksten efter datapræsentationen (observationerne). Data skal i princippet kunne benyttes af andre til at opnå alternative tolkninger af bjergartens genese. 11