ØVELSE 3, 2. del Klassifikation af magmatiske bjergarter Blok 3 / Geologi 3.1 Magmatisk petrologi Paul Martin Holm 2005
Klassifikation af magmatiske bjergarter kan baseres på flere forskellige karaktertræk ved bjergarten således at en og samme bjergart alt efter valgte klassifikationsprincipper kan benævnes forskelligt. Eksempelvis kan den samme basalt betegnes som basisk, subalkalin og tholeiitisk. Ved klassifikation af en bjergart er det endvidere ofte ønskeligt at placere den i en gruppe af naturligt forekommende og sammenknyttede bjergartstyper da den derved bliver placeret både i en genetisk og globaltektonisk sammenhæng. I det følgende gennemgås skematisk nogle vigtige og almindeligt anvendte klassifikationsmetoder for magmatiske bjergarter samt den af Den Internationale Geologiske Union (IUGS) anbefalede nomenklatur for magmatiske bjergarter. Endelig omtales klassifikation af magmabjergarter efter deres naturlige bjergartsassociation samt nogle aktuelle opfattelser af betydningen af denne opdeling, genetisk og i pladetektonisk sammenhæng. 1. Former for klassifikation Magmabjergarter kan klassificeres efter følgende karaktertræk: 1. Krystallisationsbetingelser/dannelsesmiljø 2. Mineralogi Farveindeks Modale mineralindhold 3. Kemisk sammensætning Surhedsgrad Alkalinitet Normative mineralindhold Udvalgte grundstofrelationer (TAS) 4. Naturlig bjergartsassociation Behandles senere 1.1 Klassifikation efter krystallisationsbetingelser/dannelsesmiljø Der skelnes mellem to hovedgrupper af bjergarter: Vulkanske bjergarter Plutoniske bjergarter Overgangstyper mellem disse to grupper betegnes ofte subvulkanske, hypabyssale m.m., dog vil vi ikke anvende disse betegnelser, men blot skelne mellem de to hovedgrupper. 1.2 Klassifikation efter mineralogi Udgangspunktet for en mineralogisk klassifikation er bjergartens modale mineralindhold ('modus' -det faktiske mineralindhold af bjergarten udtrykt i volumen %), ideelt bestemt eksempelvis ved punkttælling på tyndslib. En punkttælling kan lade sig gøre på plutoniske bjergarter, hvis kornethed tillader identifikation af de enkelte mineralkorn. I vulkanske bjergarter er dette kun til en vis grad muligt idet disse bjergarter ofte har et indhold af glas eller er så finkornede, at en modalanalyse ikke kan gennemføres. For vulkanske bjergarter foretages derfor ofte en beregning ud fra en kemisk analyse af det forventede mineralindhold (= det normative mineralindhold), der så anvendes som det faktiske mineralindhold i diagrammerne til klassifikation. IUGS anbefaler at man anvender TAS-diagrammet til klassifikation af vulkanske bjergarter, når en modalanalyse ikke er mulig. 12
Mineralogisk kan bjergarter klassificeres efter (a) farveindeks, og (b) modale (/normative) mineralindhold. 1.2.1 Farveindeks Ved farveindeks, M (mafisk indeks), forstås volumen % mafiske (mørke) mineraler i bjergarten. Der skelnes mellem klasserne: Farveindeks Klassebetegnelse 0-35 Leucokratisk 35-65 Mesokratisk 65-90 Melanokratisk 90-100 Ultramafisk 1.2.2 Modale δ mineralindhold (IUGS-systemet) Inddelingen er baseret på følgende mineraler og mineralgrupper: Q kvarts A alkalifeldspat (dvs. orthoklas, mikroklin, perthit, sanidin, anorthoklas og albit (med An-indhold 00-05)) P plagioklas, dvs. An-indhold 05-100 F M feldspatoider eller foider, dvs. nefelin, leucit, sodalit, nosean og haüyne. mafiske (mørke) mineraler, dvs. glimmere, amfiboler, pyroxener, oliviner, malmmineraler, accessoriske mineraler (zircon, apatit osv.), epidot, granat, melilit, primære karbonater osv. Bjergarter med mindre end 90% mafiske mineraler (= M) inddeles på grundlag af deres indhold af lyse mineraler idet summen af lyse mineraler i modalanalysen omregnes til 100%, det vil sige summerne A + P + Q = 100 og A + P + F = 100. Nomenklaturen for de således klassificerede bjergarter er vist i figurene 3-1 til 3.5: Farveindeks Plutoniske 0-90 Fig. 1 Nomenklaturhenvisning For en underinddeling af gabbroide bjergarter, se fig. 2 90-100 Fig. 6 Vulkanske 0-90 Fig. 3 For en underinddeling af felt nr. 10 i fig. 3 henvises til fig. 4 90-100 - Vulkanske bjergarter kan endvidere karakteriseres ud fra deres phenokrystindhold. I to 13
tilfælde er basalter givet specielle navne, og i begge tilfælde drejer det sig om kumulatbjergarter: Phenokryst-indhold Nomenklatur > 25% olivin Picrit (-basalt) > 25% olivin + clinopyroxen Ankaramit Udtrykket picrit anvendes især om tholeiitiske bjergarter, medens olivin-rige alkali basalter ofte betegnes oceanit. Picrit anvendes også om bjergarter defineret ud fra TASdiagrammet, fig. 5. Særlige bjergarter: Larvikit: En monzonitisk til syenitisk bjergart som ofte indeholder kun ternær feldspat (anorthoklas) med betydelige andele af alle tre kationer (Na, K og Ca). Et betydeligt indhold af Ca koblet med fraværet af plagioklas gør, at bjergartens klassifikation i QAPF-systemet (som alkalifeldspatsyenit) er i modstrid med dens mere primitive geokemi. Fig. 1 Gruppeinddeling af plutoniske bjergarter på grundlag af det modale mineralindhold (målt i rumfangsprocent). Se også figurtekst til fig. 3. 14
Fig. 2 Inddeling af gabbro-bjergarter. Plagioklas + orthopyroxen + clinopyroxen + olivin + hornblende. A B C Gabbro-bjergarter med plagioklas, pyroxen og olivin Underinddeling af gabbro-bjergarter i gabbro, gabbro-norit og norit. Gabbro-bjergarter der indeholder hornblende. 15
Fig. 3 Gruppeinddeling af vulkanske bjergarter. Underinddeling af basalt/andesit findes i fig. 4 koordinatsystem med A = (0, 0), Q = (50, 100), P = (100, 0) og F = (50, -100) fås: 16
Farveindex 8 (modal) 35 basalt mela-andesit 40 (vægt) leucobasalt andesit 52 % SiO 2 Fig. 4 Underinddeling af andesit/basalt på basis af farveindeks og vægt % SiO 2. 1.3 Klassifikation efter kemisk sammensætning Ud fra en bjergarts kemiske sammensætning kan en klassifikation foretages efter følgende karaktertræk: 1.3.1 Surhedsgrad Ved en bjergarts surhedsgrad forstås dens indhold af SiO 2 udtrykt i vægt %. (Surhedsgrad har intet med ph at gøre). Der skelnes mellem følgende klasser: Vægt % SiO 2 Klasse > 63 Sur 63-52 Intermediær 52-45 Basisk < 45 Ultrabasisk 1.3.2 Alkalinitet Alkaniteten er et mål for indholdet af alkalimetaller i forhold til aluminium og silicium, målt i forhold til den mulige dannelse af feldspat. Alkaliniteten beregnes ud fra de molekylære forhold af Na, K, Al og Si. I alkalifeldspat er forholdet ideelt således: (Na,K)AlSi 3 O 8 => (Na+K) : Al:Si = 1 : 1 : 3 Er der eksempelvis mere SiO 2 i bjergarten end til at danne feldspat, vil der kunne dannes et SiO 2 -mineral; er der mindre til stede, vil andre mineraler kunne dannes. En klassifikation efter alkalinitet skelner mellem klasserne: 17
Klassifikation af bjergarter efter alkalinitet (Her uden hensyn til Ca) Hovedklasse Underklasse (Na 2 O+K 2 O):Al 2 O 3 (Na 2 O+K 2 O):6SiO 2 Subalkaline - Plumasitisk/ Peraluminis = 1 # 1 Der er tilstrækkeligt SiO2 til mulig dannelse af SiO2- mineraler. < 1* # 1 Der er et yderligere overskud af Al2O3 således at bjergarten vil kunne danne muskovit og korund. Alkaline Miaskitisk = 1 > 1 Der forekommer feldspatoider i bjergarten. Alkaligranit > 1 < 1 Alkalirhyolit Alkaliamfibol og -pyroxen dannes i bjergarten. Peralkalin > 1 > 1 (foidsyenit/phono Feldspatoider forekommer sammen med alkaliamfibol og/eller alkalipyroxen. -lit) Bjergarter med alkaliamfibol og/eller -pyroxen kaldes peralkaline. * Egentlig (Na+K+Ca)/Al<1, men for stærkt udviklede magmaer er Ca oftest m. lav og N Q +K en god tilnærmelse. 1.3.3 Udvalgte grundstofrelationer Blandt flere forslag til klassifikation af bjergarter efter relationen mellem nogle få udvalgte grundstoffer er i fig. 5 vist IUGS' forslag til en klassifikation baseret på det totale indhold af Na 2 O + K 2 O og SiO 2 i en bjergart (angivet som vægt %). Diagrammet benævnes oftest TAS - total alkali versus silica. 1.3.4 Normativt mineralindhold På basis af en kemisk analyse af en bjergart er det muligt at beregne, hvilke mineraler bjergarten potentielt kunne indholde. Ud fra observationer af krystallisationsrækkefølgen af mineraler i naturligt forekommende bjergarter er der konstrueret beregningsprocedurer, der muliggør dette. Resultatet af en sådan beregning er det normative mineralindhold ('normen') af bjergarten. Benyttes normen som en tilnærmelse til det modale mineralindhold, kan en bjergart klassificeres efter fig. 1-4 og 6. Et eksempel på anvendelse af normværdier er basalt-tetraedret. Der herskede indtil for ca. 30 år siden stor usikkerhed om, hvordan basalter skulle klassificeres. Var tholeiitiske eller alkalibasaltiske smelter de mest primære, og hvordan kunne man aflede den ene type fra den anden? Yoder og Tilley (1962) løste dette problem eksperimentelt, illustreret ved hjælp af basalt-tetraedret. 18
Fig. 5 IUGS-systemet til kemisk klassifikation af vulkanske bjergarter efter indhold (i vægt %) af (Na 2 O + K 2 O) og SiO 2, TAS. B: koordinaterne for gitteret. C: nomenklatur for høj-mgo-vulkaniter. 1.4 Opgave A) Afbild i fig. 1 en bjergart bestående af: 50% alkalifeldspat, 25% plagioklas, 10% nephelin, 10% amfibol, 3% magnetit, 1% biotit og 1% apatit. Hvad hedder bjergarten? B) Afbild i fig. 5 en bjergart med 49% SiO 2, 3% Na 2 O, 3% K 2 O. Hvad hedder bjergarten? C) Afbild i fig. 5 en bjergart med 42% SiO 2, 2% Na 2 O, 0,5% K 2 O og 14% TiO 2. Hvad hedder bjergarten? 19
1.5 Klassifikation af ultramafiske bjergarter efter mineralogi 1.5.1 Definitioner og nomenklatur 1.5.2 Ultramafiske bjergarter Indeholder pr. definition > 90 volumen % mafiske mineraler. 1.5.3 Ultramafiske/ultrabasiske bjergarter Begrebet ultramafisk er naturligvis ikke synonymt med ultrabasisk: Ultramafisk: >90 volumen % mafiske mineraler Ultrabasisk: <45 vægt % SiO 2 Ofte vil det dog være sådan, at ultramafiske bjergarter også er ultrabasiske, og omvendt, hvilket fremgår af nedenstående fortegnelse over vægt % SiO 2 -indholdet i nogle relevante mineraler. Det gælder dog ikke pyroxeniter. Tabel 1.5 Vægt % SiO 2 -indholdet i nogle udvalgte mafiske og felsiske mineraler Mafiske mineraler Vægt % SiO 2 Forsterit 42,9 Fayalit 29,4 Hornblende 37,0 (1) Serpentin 42,0 (1) Enstatit 60,0 Diopsid 55,6 Ægirin 52,0 Calcit 0,0 Felsiske mineraler Anorthit 43,2 Albit 68,7 Nefelin 42,3 (1) Indholdet er baseret på en gennemsnitssammensætning af mineralet. Nogle eksempler på ultrabasiske bjergarter: Dunit: Består hovedsaglig af Olivin (fig. 6). Dannet enten som kumulat i magmakammen eller som restit i kappen ved ekstrem grad af opsmeltning. Carbonatit: Består hovedsaglig af carbonat. Dannet ved størkning af ekstruderet carbonatsmelte. Den plutonske bjergart kaldes sovit. Af tabel 1.4.1 fremgår at pyroxenrige bjergarter eksempelvis ofte vil være ultramafiske uden samtidig at være ultrabasiske. Anorthosit (en gabbro med >90 volumen % plagioklas) vil derimod kunne være ultrabasisk uden at være ultramafisk. 20
1.5.4 Nomenklatur for ultramafiske bjergarter Inddelingen af ultramafiske bjergarter efter det relative indhold af mafiske mineraler er gengivet i fig. 6. Fig.6 Inddeling af ultramafiske bjergarter efter det relative indhold af mafiske mineraler. Til venstre: diagrammet for olivin + orthopyroxen + clinopyroxen. Til højre: diagrammet for olivin + pyroxen + hornblende. 21