Στα μεταμορφωμένα πετρώματα, είναι δυνατόν κάποιες φορές, να βρούμε ιστολογικές ενδείξεις για τις μεταμορφικές αντιδράσεις που έχουν συμβεί, αν και η κρυστάλλωση ενός ορυκτού σε υψηλότερο βαθμό μεταμόρφωσης, παράλληλα με την επίδραση παραμορφωτικών τάσεων, μπορεί να εξαλείψει πλήρως τα στοιχεία της προηγούμενης, χαμηλότερου βαθμού, μεταμόρφωσης. Μια ένδειξη μεταμορφικής αντίδρασης αποτελεί η ψευδομόρφωση ενός ορυκτού χαμηλού βαθμού από ένα άλλο υψηλότερου βαθμού, π.χ. η αντικατάσταση πορφυροβλαστών ανδαλουσίτη από λεπτομερή σιλλιμανίτη. Στα μεταμορφωμένα πετρώματα, είναι δυνατόν κάποιες φορές, να βρούμε ιστολογικές ενδείξεις για τις μεταμορφικές αντιδράσεις που έχουν συμβεί, αν και η κρυστάλλωση ενός ορυκτού σε υψηλότερο βαθμό μεταμόρφωσης, παράλληλα με την επίδραση παραμορφωτικών τάσεων, μπορεί να εξαλείψει πλήρως τα στοιχεία της προηγούμενης, χαμηλότερου βαθμού, μεταμόρφωσης. Μια ένδειξη μεταμορφικής αντίδρασης αποτελεί η ψευδομόρφωση ενός ορυκτού χαμηλού βαθμού από ένα άλλο υψηλότερου βαθμού, π.χ. η αντικατάσταση πορφυροβλαστών ανδαλουσίτη από λεπτομερή σιλλιμανίτη. ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Μεταμορφικές Αντιδράσεις

Άλλη τέτοια ένδειξη μεταμορφικής αντίδρασης είναι η παρουσία σιλλιμανίτη και χαλαζία, σε σύμφυση, μέσα σε κρύσταλλο μοσχοβίτη. Ο χαλαζίας και ο σιλλιμανίτης αντικαθιστούν το μοσχοβίτη, αφήνοντας μεμονωμένες νησίδες του ορυκτού, οπτικά συνεχείς (κατασβένουν ταυτόχρονα). ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Μεταμορφικές Αντιδράσεις

Στο παράδειγμα αυτό παρουσιάζεται ένα πρόβλημα. Ο μοσχοβίτης είναι ορυκτό που περιέχει K (KAl 3 Si 3 O 10 (OH) 2 κι επομένως η διάσπασή του, θα έπρεπε να δώσει ως προϊόν κάποιο καλιούχο ορυκτό, το οποίο δεν υπάρχει στην παραγένεση. Οι πετρολόγοι θεωρούν ότι αυτός ο ιστός αντικατοπτρίζει τη μεταφορά ιόντων K + μέσω υδατικών διαλυμάτων μακριά από τη θέση όπου έγινε η αντίδραση και πιθανόν να πήραν μέρος στη δημιουργία ενός καλιούχου ορυκτού σε κάποια άλλη θέση. Επομένως, αντιδρώντα και προϊόντα δεν βρίσκονται πάντα δίπλα-δίπλα σε μια λεπτή τομή, γεγονός που κάνει δύσκολο την αναγνώριση των αντιδράσεων που συνέβησαν. Στο παράδειγμα αυτό παρουσιάζεται ένα πρόβλημα. Ο μοσχοβίτης είναι ορυκτό που περιέχει K (KAl 3 Si 3 O 10 (OH) 2 κι επομένως η διάσπασή του, θα έπρεπε να δώσει ως προϊόν κάποιο καλιούχο ορυκτό, το οποίο δεν υπάρχει στην παραγένεση. Οι πετρολόγοι θεωρούν ότι αυτός ο ιστός αντικατοπτρίζει τη μεταφορά ιόντων K + μέσω υδατικών διαλυμάτων μακριά από τη θέση όπου έγινε η αντίδραση και πιθανόν να πήραν μέρος στη δημιουργία ενός καλιούχου ορυκτού σε κάποια άλλη θέση. Επομένως, αντιδρώντα και προϊόντα δεν βρίσκονται πάντα δίπλα-δίπλα σε μια λεπτή τομή, γεγονός που κάνει δύσκολο την αναγνώριση των αντιδράσεων που συνέβησαν. ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Μεταμορφικές Αντιδράσεις

Ο Carmichael πρότεινε, για τον παραπάνω ιστό, ότι το Κ που μεταφέρθηκε αντέδρασε σε κάποια άλλη θέση του πετρώματος με σιλλιμανίτη, χαλαζία και νερό και ξανάδωσε μοσχοβίτη. Πρότεινε, έτσι, ότι τα μεταμορφωμένα πετρώματα υπόκεινται σε μια κυκλική διαδικασία αντίδρασης και διάλυσης κάτω από συνθήκες μονομεταβλητής ισορροπίας. Οι μεταμορφικές αντιδράσεις γράφονται με τα αντιδρώντα ορυκτά στα αριστερά και τα προϊόντα στα δεξιά. Χρησιμοποιούνται είτε τα ονόματα των ορυκτών είτε οι χημικές τους συστάσεις ή και τα δύο. Για παράδειγμα η αντίδραση σχηματισμού του βολλαστονίτη: CaCO 3 + SiO 2 = CaSiO 3 + CO 2 Ασβεστίτης + χαλαζίας = βολλαστονίτη + CO 2 Ο Carmichael πρότεινε, για τον παραπάνω ιστό, ότι το Κ που μεταφέρθηκε αντέδρασε σε κάποια άλλη θέση του πετρώματος με σιλλιμανίτη, χαλαζία και νερό και ξανάδωσε μοσχοβίτη. Πρότεινε, έτσι, ότι τα μεταμορφωμένα πετρώματα υπόκεινται σε μια κυκλική διαδικασία αντίδρασης και διάλυσης κάτω από συνθήκες μονομεταβλητής ισορροπίας. Οι μεταμορφικές αντιδράσεις γράφονται με τα αντιδρώντα ορυκτά στα αριστερά και τα προϊόντα στα δεξιά. Χρησιμοποιούνται είτε τα ονόματα των ορυκτών είτε οι χημικές τους συστάσεις ή και τα δύο. Για παράδειγμα η αντίδραση σχηματισμού του βολλαστονίτη: CaCO 3 + SiO 2 = CaSiO 3 + CO 2 Ασβεστίτης + χαλαζίας = βολλαστονίτη + CO 2 ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Μεταμορφικές Αντιδράσεις

Αυτή η αντίδραση είναι απλή ως αναφορά τη χημική σύσταση των ορυκτών και την εξισορρόπηση των αντιδρώντων και των προϊόντων. Οι περισσότερες αντιδράσεις όμως είναι πολύπλοκες και αν χρησιμοποιηθούν και ορυκτά που αποτελούν στερεά διαλύματα, τότε απαιτείται μεγάλος αριθμός mole για να εξισορροπήσει η αντίδραση, π.χ.: 75 St Qtz = 100 Alm Sil H 2 O σταυρόλιθος + χαλαζίας = αλμανδίνης + σιλλιμανίτης + H 2 O Οι μεταμορφικές αντιδράσεις γράφονται από αριστερά προς τα δεξιά αναφερόμενες συνήθως σε αύξηση του βαθμού μεταμόρφωσης. Αυτό όμως δεν αποτελεί κανόνα, αφού αντιδράσεις αφυδάτωσης μπορούν να συμβούν σε συνθήκες μειούμενης πίεσης υπό σταθερή θερμοκρασία. Αυτή η αντίδραση είναι απλή ως αναφορά τη χημική σύσταση των ορυκτών και την εξισορρόπηση των αντιδρώντων και των προϊόντων. Οι περισσότερες αντιδράσεις όμως είναι πολύπλοκες και αν χρησιμοποιηθούν και ορυκτά που αποτελούν στερεά διαλύματα, τότε απαιτείται μεγάλος αριθμός mole για να εξισορροπήσει η αντίδραση, π.χ.: 75 St Qtz = 100 Alm Sil H 2 O σταυρόλιθος + χαλαζίας = αλμανδίνης + σιλλιμανίτης + H 2 O Οι μεταμορφικές αντιδράσεις γράφονται από αριστερά προς τα δεξιά αναφερόμενες συνήθως σε αύξηση του βαθμού μεταμόρφωσης. Αυτό όμως δεν αποτελεί κανόνα, αφού αντιδράσεις αφυδάτωσης μπορούν να συμβούν σε συνθήκες μειούμενης πίεσης υπό σταθερή θερμοκρασία. ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Μεταμορφικές Αντιδράσεις

Τα περισσότερα πετρώματα έχουν πολύπλοκη ορυκτολογική και χημική σύσταση. Σ’ ένα τυπικό μεταπηλίτη θα μπορούσε να συμβεί η αντίδραση: 9 St + Mu + 5 Qtz = 17 Sil + 2 Grt + Bt + 9 H 2 O Όλα όμως τα αντιδρώντα δεν θα εξαλειφθούν από την παραγένεση. Για να καταναλωθούν όλα τα αντιδρώντα ταυτόχρονα, θα πρέπει η αναλογία σταυρόλιθου, μοσχοβίτη και χαλαζία στο πέτρωμα να είναι 9:1:5. Για να σταματήσει ή να ολοκληρωθεί μία αντίδραση πρέπει να καταναλωθεί ένα από τα αντιδρώντα ορυκτά, αυτό που βρίσκεται σε μικρότερο ποσοστό στο πέτρωμα. Ακόμη, κάποιο από τα προϊόντα, σιλλιμανίτης, γρανάτης ή βιοτίτης, θα μπορούσε να υπάρχει στο πέτρωμα πριν ξεκινήσει η αντίδραση, ως προϊόν κάποιας άλλης αντίδρασης που συνέβη νωρίτερα. Η συνύπαρξη και των τριών ορυκτών-προϊόντων αποτελεί απόδειξη ότι η αντίδραση έλαβε χώρα. Τα περισσότερα πετρώματα έχουν πολύπλοκη ορυκτολογική και χημική σύσταση. Σ’ ένα τυπικό μεταπηλίτη θα μπορούσε να συμβεί η αντίδραση: 9 St + Mu + 5 Qtz = 17 Sil + 2 Grt + Bt + 9 H 2 O Όλα όμως τα αντιδρώντα δεν θα εξαλειφθούν από την παραγένεση. Για να καταναλωθούν όλα τα αντιδρώντα ταυτόχρονα, θα πρέπει η αναλογία σταυρόλιθου, μοσχοβίτη και χαλαζία στο πέτρωμα να είναι 9:1:5. Για να σταματήσει ή να ολοκληρωθεί μία αντίδραση πρέπει να καταναλωθεί ένα από τα αντιδρώντα ορυκτά, αυτό που βρίσκεται σε μικρότερο ποσοστό στο πέτρωμα. Ακόμη, κάποιο από τα προϊόντα, σιλλιμανίτης, γρανάτης ή βιοτίτης, θα μπορούσε να υπάρχει στο πέτρωμα πριν ξεκινήσει η αντίδραση, ως προϊόν κάποιας άλλης αντίδρασης που συνέβη νωρίτερα. Η συνύπαρξη και των τριών ορυκτών-προϊόντων αποτελεί απόδειξη ότι η αντίδραση έλαβε χώρα. ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Μεταμορφικές Αντιδράσεις

Η αντίδραση αποτελείται από 6 φάσεις. Αν κάποιο από τα ορυκτά καταναλωθεί, τότε θα μείνουν 5 φάσεις στην παραγένεση. Μόνο αν βρεθούν και οι 6 φάσεις μαζί (παρουσιάζοντας και ιστολογικά στοιχεία για την αντίδραση) έχουμε ενδείξεις ότι η αντίδραση βρισκόταν σε εξέλιξη. Για να παραστήσουμε γραφικά την αντίδραση μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το διάγραμμα AFM, όπου: Θεωρούμε ότι στην παραγένεση υπάρχει πάντα χαλαζίας και μοσχοβίτης και υπολογίζονται οι μοριακές συμμετοχές Al 2 O 3, FeO, MgO, K 2 O. Η αντίδραση αποτελείται από 6 φάσεις. Αν κάποιο από τα ορυκτά καταναλωθεί, τότε θα μείνουν 5 φάσεις στην παραγένεση. Μόνο αν βρεθούν και οι 6 φάσεις μαζί (παρουσιάζοντας και ιστολογικά στοιχεία για την αντίδραση) έχουμε ενδείξεις ότι η αντίδραση βρισκόταν σε εξέλιξη. Για να παραστήσουμε γραφικά την αντίδραση μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το διάγραμμα AFM, όπου: Θεωρούμε ότι στην παραγένεση υπάρχει πάντα χαλαζίας και μοσχοβίτης και υπολογίζονται οι μοριακές συμμετοχές Al 2 O 3, FeO, MgO, K 2 O. ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Μεταμορφικές Αντιδράσεις

Με βάση το διάγραμμα υπάρχουν 3 πιθανές παραγενέσεις 5 φάσεων α) Grt- St-Bt (z), β) Grt-St-Sil (y) γ) St-Sil-Bt (x). ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Μεταμορφικές Αντιδράσεις A A M M F F Sil St Grt Bt z z x x y y St + Mu + Qtz = Sil + Grt + Bt + H 2 O

Όταν ολοκληρωθεί η αντίδραση, με την κατανάλωση του St (όπως συμβαίνει συνήθως στα μεταπηλιτικά), τότε θα προκύψει το παρακάτω τριγωνικό διάγραμμα: ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Μεταμορφικές Αντιδράσεις A A M M F F Sil Grt Bt z z x x y y St + Mu + Qtz = Sil + Grt + Bt + H 2 O

Μόνο μία παραγένεση 5 φάσεων προκύπτει τώρα: Mu-Qtz-Sil-Bt-Grt Και οι 3 παραγενέσεις x, y, z πέφτουν μέσα στο τρίγωνο Sil-Grt-Bt. Και στα 3 αυτά πετρώματα η συνύπαρξη σιλλιμανίτη, βιοτίτη και γρανάτη είναι σταθερή, διαφέρουν όμως οι αναλογίες των ορυκτών σε κάθε πέτρωμα. Μόνο μία παραγένεση 5 φάσεων προκύπτει τώρα: Mu-Qtz-Sil-Bt-Grt Και οι 3 παραγενέσεις x, y, z πέφτουν μέσα στο τρίγωνο Sil-Grt-Bt. Και στα 3 αυτά πετρώματα η συνύπαρξη σιλλιμανίτη, βιοτίτη και γρανάτη είναι σταθερή, διαφέρουν όμως οι αναλογίες των ορυκτών σε κάθε πέτρωμα. ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Μεταμορφικές Αντιδράσεις

Για να εφαρμοστούν πειραματικές ή θεωρητικές πληροφορίες αντιδράσεων σε πραγματικά πετρώματα πρέπει οι αντιδράσεις να χαρακτηριστούν πλήρως, καθώς και η διαδρομή ή ο μηχανισμός που τα αντιδρώντα θα μετατραπούν στα προϊόντα. Πρέπει επίσης να επαληθευθεί αν όλα τα στοιχεία που παίρνουν μέρος στις αντιδράσεις υπάρχουν στα ορυκτά. ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Μηχανισμοί Μεταμορφικών Αντιδράσεων

Έστω ότι έχουμε νησίδες κυανίτη και χαλαζία, οπτικά συνεχείς, μέσα σε μοσχοβίτη που περιέχει βελόνες σιλλιμανίτη. ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Μηχανισμοί Μεταμορφικών Αντιδράσεων

Ούτε ο κυανίτης ούτε ο χαλαζίας περιέχουν K ή H 2 O για να δημιουργηθεί ο μοσχοβίτης. Μία αντίδραση που μπορεί να περιγράψει αυτή την παραγένεση είναι: 3 Ky + 3 Qtz + 2K H 2 O = 2 Mu + 3H + Το ερώτημα που προκύπτει είναι από πού προέρχονται τα ιόντα K + και H + ; Ούτε ο κυανίτης ούτε ο χαλαζίας περιέχουν K ή H 2 O για να δημιουργηθεί ο μοσχοβίτης. Μία αντίδραση που μπορεί να περιγράψει αυτή την παραγένεση είναι: 3 Ky + 3 Qtz + 2K H 2 O = 2 Mu + 3H + Το ερώτημα που προκύπτει είναι από πού προέρχονται τα ιόντα K + και H + ; ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Μηχανισμοί Μεταμορφικών Αντιδράσεων

Κάποιοι πετρολόγοι πιστεύουν ότι αυτά τα ιόντα προέρχονται από μια εξωτερική πηγή, όπως ένα γειτονικό μάγμα, που κάποιες φορές εμφανίζεται στην επιφάνεια σαν πλουτωνικό πέτρωμα και κάποιες φορές υποτίθεται ότι βρίσκεται σε βάθος. Αυτή η παραδοχή είναι δικαιολογημένη, αφού τα γρανιτικά μάγματα, όταν έχουν σχεδόν στερεοποιηθεί, τείνουν να είναι πλούσια σε αλκάλεα και νερό. Αποτελούν ακόμη τις πηγές φλεβών και πηγματιτών πλούσιων σε νερό που διεισδύουν στα περιβάλλοντα πετρώματα. Αντιδράσεις μεταξύ περιβαλλόντων πετρωμάτων και μαγματικών ρευστών έχουν διαπιστωθεί ακόμη και σε περιοχική κλίμακα σε κάποιες περιοχές, αλλά γρανιτικά πετρώματα δεν εμφανίζονται πάντα μέσα σε περιβάλλοντα με μεταμορφωμένα πετρώματα. Κάποιοι πετρολόγοι πιστεύουν ότι αυτά τα ιόντα προέρχονται από μια εξωτερική πηγή, όπως ένα γειτονικό μάγμα, που κάποιες φορές εμφανίζεται στην επιφάνεια σαν πλουτωνικό πέτρωμα και κάποιες φορές υποτίθεται ότι βρίσκεται σε βάθος. Αυτή η παραδοχή είναι δικαιολογημένη, αφού τα γρανιτικά μάγματα, όταν έχουν σχεδόν στερεοποιηθεί, τείνουν να είναι πλούσια σε αλκάλεα και νερό. Αποτελούν ακόμη τις πηγές φλεβών και πηγματιτών πλούσιων σε νερό που διεισδύουν στα περιβάλλοντα πετρώματα. Αντιδράσεις μεταξύ περιβαλλόντων πετρωμάτων και μαγματικών ρευστών έχουν διαπιστωθεί ακόμη και σε περιοχική κλίμακα σε κάποιες περιοχές, αλλά γρανιτικά πετρώματα δεν εμφανίζονται πάντα μέσα σε περιβάλλοντα με μεταμορφωμένα πετρώματα. ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Μηχανισμοί Μεταμορφικών Αντιδράσεων

Μια δεύτερη πηγή προέλευσης αυτών των ιόντων μπορεί να είναι γειτονικές περιοχές του ίδιου πετρώματος όπου συμβαίνουν ταυτόχρονα άλλες αντιδράσεις και μεταξύ των δύο περιοχών υπάρχει σύνδεση. Η μεταφορά των στοιχείων είναι της κλίμακας μερικών εκατοστών ή και μέτρων και ονομάζεται μεταφορά μάζας μέσω διάχυσης (diffusive mass transfer). Η μεταβολή των συγκεντρώσεων των ιόντων προκαλεί διαφορά χημικού δυναμικού μεταξύ των θέσεων όπου συμβαίνουν οι αντιδράσεις. Αυτή η διαφορά είναι που προκαλεί τη φυσική μετακίνηση των χημικών συστατικών μέσω διάχυσης. Μια δεύτερη πηγή προέλευσης αυτών των ιόντων μπορεί να είναι γειτονικές περιοχές του ίδιου πετρώματος όπου συμβαίνουν ταυτόχρονα άλλες αντιδράσεις και μεταξύ των δύο περιοχών υπάρχει σύνδεση. Η μεταφορά των στοιχείων είναι της κλίμακας μερικών εκατοστών ή και μέτρων και ονομάζεται μεταφορά μάζας μέσω διάχυσης (diffusive mass transfer). Η μεταβολή των συγκεντρώσεων των ιόντων προκαλεί διαφορά χημικού δυναμικού μεταξύ των θέσεων όπου συμβαίνουν οι αντιδράσεις. Αυτή η διαφορά είναι που προκαλεί τη φυσική μετακίνηση των χημικών συστατικών μέσω διάχυσης. ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Μηχανισμοί Μεταμορφικών Αντιδράσεων

Σε μια σειρά τέτοιων αντιδράσεων εξετάστηκε και η μετατροπή του κυανίτη σε σιλλιμανίτη. Εκτός από την ψευδομόρφωση του σιλλιμανίτη κατά ανδαλουσίτη, δεν υπάρχουν άλλες ιστολογικές ενδείξεις για το μετασχηματισμό κάποιου αργιλοπυριτικού ορυκτού σε άλλο αργιλοπυριτικό. Γι’ αυτό όταν συνυπάρχουν αργιλοπυριτικά ορυκτά σε ένα πέτρωμα φαίνεται ότι βρίσκονται σε κατάσταση ισορροπίας. Σ’ ένα πέτρωμα η πολυμορφική μετατροπή του κυανίτη σε σιλλιμανίτη μπορεί να περιλαμβάνει δύο αντιδράσεις που συμβαίνουν ταυτόχρονα σε γειτονικές θέσεις του πετρώματος: α)3 Ky + 3 Qtz + 2K H 2 O = 2 Mu + 2H + β)2 Mu + 2H + = 3 Sil + 3 Qtz + 2K H 2 O Σε μια σειρά τέτοιων αντιδράσεων εξετάστηκε και η μετατροπή του κυανίτη σε σιλλιμανίτη. Εκτός από την ψευδομόρφωση του σιλλιμανίτη κατά ανδαλουσίτη, δεν υπάρχουν άλλες ιστολογικές ενδείξεις για το μετασχηματισμό κάποιου αργιλοπυριτικού ορυκτού σε άλλο αργιλοπυριτικό. Γι’ αυτό όταν συνυπάρχουν αργιλοπυριτικά ορυκτά σε ένα πέτρωμα φαίνεται ότι βρίσκονται σε κατάσταση ισορροπίας. Σ’ ένα πέτρωμα η πολυμορφική μετατροπή του κυανίτη σε σιλλιμανίτη μπορεί να περιλαμβάνει δύο αντιδράσεις που συμβαίνουν ταυτόχρονα σε γειτονικές θέσεις του πετρώματος: α)3 Ky + 3 Qtz + 2K H 2 O = 2 Mu + 2H + β)2 Mu + 2H + = 3 Sil + 3 Qtz + 2K H 2 O ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Μηχανισμοί Μεταμορφικών Αντιδράσεων

α)3 Ky + 3 Qtz + 2K H 2 O = 2 Mu + 2H + β)2 Mu + 2H + = 3 Sil + 3 Qtz + 2K H 2 O Κι έτσι τελικά προκύπτει: 3 Ky = 3 Sil Για να μετατραπεί επομένως ο Ky σε Sil, πρέπει ο Mu, ο Qtz και τα συστατικά των υδατικών διαλυμάτων να πάρουν μέρος στην αντίδραση. Αν η αντίδραση είχε ολοκληρωθεί και ο Ky είχε μετατραπεί εξ’ ολοκλήρου σε Sil δεν θα είχαμε στοιχεία για το «δρόμο» που ακολούθησε η αντίδραση. Αυτό δεν σημαίνει ότι ο Ky δεν μπορεί να μετατραπεί απευθείας σε Sil. Στη συγκεκριμένη περίπτωση ο ευκολότερος και πιο γρήγορος τρόπος να γίνει ο μετασχηματισμός ήταν μέσω δύο αντιδράσεων με τη συνδρομή Mu, Qtz και ρευστού. α)3 Ky + 3 Qtz + 2K H 2 O = 2 Mu + 2H + β)2 Mu + 2H + = 3 Sil + 3 Qtz + 2K H 2 O Κι έτσι τελικά προκύπτει: 3 Ky = 3 Sil Για να μετατραπεί επομένως ο Ky σε Sil, πρέπει ο Mu, ο Qtz και τα συστατικά των υδατικών διαλυμάτων να πάρουν μέρος στην αντίδραση. Αν η αντίδραση είχε ολοκληρωθεί και ο Ky είχε μετατραπεί εξ’ ολοκλήρου σε Sil δεν θα είχαμε στοιχεία για το «δρόμο» που ακολούθησε η αντίδραση. Αυτό δεν σημαίνει ότι ο Ky δεν μπορεί να μετατραπεί απευθείας σε Sil. Στη συγκεκριμένη περίπτωση ο ευκολότερος και πιο γρήγορος τρόπος να γίνει ο μετασχηματισμός ήταν μέσω δύο αντιδράσεων με τη συνδρομή Mu, Qtz και ρευστού. ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Μηχανισμοί Μεταμορφικών Αντιδράσεων

Σχηματική αναπαράσταση των αντιδράσεων: α)3 Ky + 3 Qtz + 2K H 2 O = 2 Mu + 2H + β)2 Mu + 2H + = 3 Sil + 3 Qtz + 2K H 2 O Σχηματική αναπαράσταση των αντιδράσεων: α)3 Ky + 3 Qtz + 2K H 2 O = 2 Mu + 2H + β)2 Mu + 2H + = 3 Sil + 3 Qtz + 2K H 2 O ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Μηχανισμοί Μεταμορφικών Αντιδράσεων 3 Ky + 3 Qtz 2 Mu 3 Sil + 3 Qtz 2H + 2K + + 3H 2 O 3 Ky = 3 Sil

Υπάρχουν πολλοί τύποι μεταμορφικών αντιδράσεων που περιλαμβάνουν ή όχι ρευστές φάσεις. Κάποιες αντιδράσεις είναι μονομεταβλητές, συμβαίνουν πάνω σε γραμμές στο πεδίο P-T και μεταξύ των παραγενέσεων υπάρχουν αυστηρά όρια. ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Είδη Μεταμορφικών Αντιδράσεων P P A + Δ + E Δ + Η A + Β + Γ T T Β + Γ = Δ + Ε Α + Ε = Η Α + Β + Γ = Δ + Η

Άλλες είναι διμεταβλητές, συμβαίνουν μέσα σε πεδία του διαγράμματος P-T και σ’ αυτή την περίπτωση δεν μεταβάλλονται τα ορυκτά της παραγένεσης αλλά οι αναλογίες τους. ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Είδη Μεταμορφικών Αντιδράσεων P P A + Δ + E Δ + Η A + Β + Γ T T Β + Γ = Δ + Ε Α + Ε = Η Α + Β + Γ = Δ + Η

Οι διμεταβλητές αντιδράσεις προκύπτουν γιατί πολλά ορυκτά αποτελούν στερεά διαλύματα και η σύστασή τους αλλάζει σταδιακά καθώς αλλάζει η θερμοκρασία και η πίεση. Παράδειγμα, η αντικατάσταση Fe-Mg σε ορυκτά όπως χλωρίτης, γρανάτης, βιοτίτης και σταυρόλιθος. Επειδή σε μεταμορφωμένα πετρώματα, ένυδρα και ανθρακικά ορυκτά είναι ευρέως διαδεδομένα, εκτός από τις συνθήκες πολύ υψηλού βαθμού μεταμόρφωσης, αντιδράσεις που αφορούν τη διάσπαση αυτών των ορυκτών και την απελευθέρωση νερού ή διοξειδίου του άνθρακα είναι οι πιο κοινές μεταμορφικές αντιδράσεις. Οι διμεταβλητές αντιδράσεις προκύπτουν γιατί πολλά ορυκτά αποτελούν στερεά διαλύματα και η σύστασή τους αλλάζει σταδιακά καθώς αλλάζει η θερμοκρασία και η πίεση. Παράδειγμα, η αντικατάσταση Fe-Mg σε ορυκτά όπως χλωρίτης, γρανάτης, βιοτίτης και σταυρόλιθος. Επειδή σε μεταμορφωμένα πετρώματα, ένυδρα και ανθρακικά ορυκτά είναι ευρέως διαδεδομένα, εκτός από τις συνθήκες πολύ υψηλού βαθμού μεταμόρφωσης, αντιδράσεις που αφορούν τη διάσπαση αυτών των ορυκτών και την απελευθέρωση νερού ή διοξειδίου του άνθρακα είναι οι πιο κοινές μεταμορφικές αντιδράσεις. ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Είδη Μεταμορφικών Αντιδράσεων

Οι περισσότερες αντιδράσεις που συμβαίνουν σε χαμηλού βαθμού μεταμόρφωση είναι συνήθως αντιδράσεις διαφυγής αερίων. Αυτό συμβαίνει γιατί σε συνθήκες χαμηλού βαθμού υπάρχουν πολλά ένυδρα ή ανθρακικά ορυκτά. Σε συνθήκες υψηλού βαθμού τα ορυκτά αυτά έχουν αντιδράσει και οι αντιδράσεις που συμβαίνουν είναι μεταξύ δύο στερεών. Αυτές μπορεί να είναι μονο- ή διμεταβλητές και είναι ανεξάρτητες από τη σύσταση των ρευστών. Οι πιο συνηθισμένες αντιδράσεις σε συνθήκες μέσου και υψηλού βαθμού είναι οι αντιδράσεις μεταξύ των πολύμορφων ορυκτών Al 2 SiO 5. Αυτή η μετατροπή από το ένα πολύμορφο στο άλλο μπορεί να γίναι απευθείας, όπως η αντικατάσταση ανδαλουσίτη από σιλλιμανίτη, ή έμμεσα, όπως το παράδειγμα κυανίτη – σιλλιμανίτη που αναφέρθηκε. Οι περισσότερες αντιδράσεις που συμβαίνουν σε χαμηλού βαθμού μεταμόρφωση είναι συνήθως αντιδράσεις διαφυγής αερίων. Αυτό συμβαίνει γιατί σε συνθήκες χαμηλού βαθμού υπάρχουν πολλά ένυδρα ή ανθρακικά ορυκτά. Σε συνθήκες υψηλού βαθμού τα ορυκτά αυτά έχουν αντιδράσει και οι αντιδράσεις που συμβαίνουν είναι μεταξύ δύο στερεών. Αυτές μπορεί να είναι μονο- ή διμεταβλητές και είναι ανεξάρτητες από τη σύσταση των ρευστών. Οι πιο συνηθισμένες αντιδράσεις σε συνθήκες μέσου και υψηλού βαθμού είναι οι αντιδράσεις μεταξύ των πολύμορφων ορυκτών Al 2 SiO 5. Αυτή η μετατροπή από το ένα πολύμορφο στο άλλο μπορεί να γίναι απευθείας, όπως η αντικατάσταση ανδαλουσίτη από σιλλιμανίτη, ή έμμεσα, όπως το παράδειγμα κυανίτη – σιλλιμανίτη που αναφέρθηκε. ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Είδη Μεταμορφικών Αντιδράσεων

Χαρακτηριστικό των αντιδράσεων στερεού-στερεού είναι ο προσανατολισμός των μονομεταβλητών γραμμών στο διάγραμμα P-T. Οι γραμμές αυτές είναι πάντα ευθείες και η θέση και η κλίση τους στο διάγραμμα είναι ανεξάρτητες από την παρουσία ή τη σύσταση ρευστής φάσης ή άλλης στερεής φάσης όπως ο χαλαζίας. Αν όμως υπάρχει ρευστή φάση στο σύστημα, τότε η λιθοστατική πίεση θα πρέπει ν’ αντικατασταθεί από την πίεση των ρευστών. Η παρουσία ρευστού και περίσσεια χαλαζία με Al 2 SiO 5 σε χαμηλές θερμοκρασίες, σταθεροποιεί το ορυκτό πυροφυλλίτης και μεταβάλλει το διάγραμμα P-T. Δεν επηρεάζει όμως τη θέση και τις κλίσεις των ευθειών στο διάγραμμα φάσεων, πέρα από το πεδίο σταθερότητας του πυροφυλλίτη. Χαρακτηριστικό των αντιδράσεων στερεού-στερεού είναι ο προσανατολισμός των μονομεταβλητών γραμμών στο διάγραμμα P-T. Οι γραμμές αυτές είναι πάντα ευθείες και η θέση και η κλίση τους στο διάγραμμα είναι ανεξάρτητες από την παρουσία ή τη σύσταση ρευστής φάσης ή άλλης στερεής φάσης όπως ο χαλαζίας. Αν όμως υπάρχει ρευστή φάση στο σύστημα, τότε η λιθοστατική πίεση θα πρέπει ν’ αντικατασταθεί από την πίεση των ρευστών. Η παρουσία ρευστού και περίσσεια χαλαζία με Al 2 SiO 5 σε χαμηλές θερμοκρασίες, σταθεροποιεί το ορυκτό πυροφυλλίτης και μεταβάλλει το διάγραμμα P-T. Δεν επηρεάζει όμως τη θέση και τις κλίσεις των ευθειών στο διάγραμμα φάσεων, πέρα από το πεδίο σταθερότητας του πυροφυλλίτη. ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Είδη Μεταμορφικών Αντιδράσεων

ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Είδη Μεταμορφικών Αντιδράσεων P P T T Pyrph Ky Sil And

Σε συνθήκες χαμηλού έως μέσου βαθμού μεταμόρφωσης, οι πιο σημαντικές αντιδράσεις είναι οι αντιδράσεις αφυδάτωσης (dehydration) και οι αντιδράσεις διαφυγής διοξειδίου του άνθρακα (decarbonation). Η παρουσία ένυδρων και ανθρακικών ορυκτών στα μεταμορφωμένα πετρώματα υποδηλώνει την παρουσία κάποιων μορίων H 2 O και CO 2 για τη σταθεροποίηση αυτών των ορυκτών στη διάρκεια του γεωλογικού χρόνου. Τα ρευστά εγκλείσματα αποδεικνύουν την ύπαρξη ρευστής φάσης στα πετρώματα. Αυτή η ρευστή φάση μπορεί να βρίσκεται είτε μεταξύ των πόρων των ορυκτών είτε υπό μορφή λεπτού υμενίου γύρω από τους κρυστάλλους των ορυκτών. Σε συνθήκες χαμηλού έως μέσου βαθμού μεταμόρφωσης, οι πιο σημαντικές αντιδράσεις είναι οι αντιδράσεις αφυδάτωσης (dehydration) και οι αντιδράσεις διαφυγής διοξειδίου του άνθρακα (decarbonation). Η παρουσία ένυδρων και ανθρακικών ορυκτών στα μεταμορφωμένα πετρώματα υποδηλώνει την παρουσία κάποιων μορίων H 2 O και CO 2 για τη σταθεροποίηση αυτών των ορυκτών στη διάρκεια του γεωλογικού χρόνου. Τα ρευστά εγκλείσματα αποδεικνύουν την ύπαρξη ρευστής φάσης στα πετρώματα. Αυτή η ρευστή φάση μπορεί να βρίσκεται είτε μεταξύ των πόρων των ορυκτών είτε υπό μορφή λεπτού υμενίου γύρω από τους κρυστάλλους των ορυκτών. ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Είδη Μεταμορφικών Αντιδράσεων

Η αντίδρασης διαφυγής αερίων (devolatilization) μπορεί να απεικονιστεί στο παρακάτω σχήμα. Η διάσπαση του πυροφυλλίτη συμβαίνει στους 400 ο C παρουσία νερού και περίσσεια χαλαζία σύμφωνα με την αντίδραση: Pyrph = Al 2 SiO Qtz + H 2 O Πάνω από πίεση 3 kbar σχηματίζεται κυανίτης, ενώ κάτω από τα 3 kbar σχηματίζεται ανδαλουσίτης. Αυτή η αντίδραση σε λεπτή τομή μεταπηλιτικού πετρώματος, φαίνεται από το σχηματισμό πορφυροβλαστών ανδαλουσίτη ή κυανίτη που εγκλείουν χαλαζία, δημιουργώντας σπογγώδη, ποικιλοβλαστικό ιστό. Η αντίδρασης διαφυγής αερίων (devolatilization) μπορεί να απεικονιστεί στο παρακάτω σχήμα. Η διάσπαση του πυροφυλλίτη συμβαίνει στους 400 ο C παρουσία νερού και περίσσεια χαλαζία σύμφωνα με την αντίδραση: Pyrph = Al 2 SiO Qtz + H 2 O Πάνω από πίεση 3 kbar σχηματίζεται κυανίτης, ενώ κάτω από τα 3 kbar σχηματίζεται ανδαλουσίτης. Αυτή η αντίδραση σε λεπτή τομή μεταπηλιτικού πετρώματος, φαίνεται από το σχηματισμό πορφυροβλαστών ανδαλουσίτη ή κυανίτη που εγκλείουν χαλαζία, δημιουργώντας σπογγώδη, ποικιλοβλαστικό ιστό. ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Είδη Μεταμορφικών Αντιδράσεων

Από την αντίδραση, Pyrph = Al 2 SiO Qtz + H 2 O, έχουμε 1 mole Al 2 SiO 5 για κάθε 3 moles Qtz. Αυτό μπορεί να σημαίνει ότι ο χαλαζίας δεν προλαβαίνει να διαχυθεί μακριά από τη θέση της αντίδρασης και παραμένει εγκλωβισμένος μέσα στον γρήγορα αναπτυσσόμενο κρύσταλλο του ανδαλουσίτη ή του κυανίτη. ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Είδη Μεταμορφικών Αντιδράσεων Ν + And

ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Είδη Μεταμορφικών Αντιδράσεων P P Pyrph Ky Sil And T T Η μορφή της καμπύλης αντίδρασης του Pyrph είναι χαρακτηριστική για αντιδράσεις διαφυγής αερίων. Σε χαμηλές πιέσεις έχει μια θετική κλίση ενώ σε υψηλές πιέσεις η καμπύλη γίνεται απότομη και σχεδόν ευθεία.

ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Είδη Μεταμορφικών Αντιδράσεων Η κλίση της καμπύλης ΔΡ/ΔΤ είναι συνάρτηση της γραμμομοριακής εντροπίας και του γραμμομοριακού όγκου. Σύμφωνα με την εξίσωση Clausius- Clapeyron: ΔΡ/ΔΤ = (S/V) προϊόντων /(S/V) αντιδρώντων Η εντροπία εκφράζει την αταξία των ατόμων σ’ ένα υλικό και είναι πάντα μεγαλύτερη στα ρευστά απ’ ότι στα κρυσταλλικά στερεά. Αν η μεταβολή του όγκου μεταξύ αντιδρώντων και προϊόντων είναι μεγαλύτερη από τη μεταβολή της εντροπίας, τότε η η αντίδραση θα είναι συνάρτηση της πίεσης (ΔΡ/ΔΤ<1) και η κλίση της καμπύλης θα είναι μικρή. Αν η μεταβολή της εντροπίας είναι μεγαλύτερη, τότε η αντίδραση είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας και η καμπύλη έχει απότομη κλίση. Η κλίση της καμπύλης ΔΡ/ΔΤ είναι συνάρτηση της γραμμομοριακής εντροπίας και του γραμμομοριακού όγκου. Σύμφωνα με την εξίσωση Clausius- Clapeyron: ΔΡ/ΔΤ = (S/V) προϊόντων /(S/V) αντιδρώντων Η εντροπία εκφράζει την αταξία των ατόμων σ’ ένα υλικό και είναι πάντα μεγαλύτερη στα ρευστά απ’ ότι στα κρυσταλλικά στερεά. Αν η μεταβολή του όγκου μεταξύ αντιδρώντων και προϊόντων είναι μεγαλύτερη από τη μεταβολή της εντροπίας, τότε η η αντίδραση θα είναι συνάρτηση της πίεσης (ΔΡ/ΔΤ<1) και η κλίση της καμπύλης θα είναι μικρή. Αν η μεταβολή της εντροπίας είναι μεγαλύτερη, τότε η αντίδραση είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας και η καμπύλη έχει απότομη κλίση.

ΠΕΤΡΟΓΕΝΕΣΗ ΜΕΤΑΜΟΡΦΩΜΕΝΩΝ ΠΕΤΡΩΜΑΤΩΝ Είδη Μεταμορφικών Αντιδράσεων Ο όγκος των ρευστών που παράγεται από μια αντίδραση διαφυγής αερίων μεταβάλλεται γρήγορα σε σχέση με τα στερεά σε χαμηλές πιέσεις. Πάνω από τα 3 kbar ο ρυθμός μεταβολής του όγκου των ρευστών είναι παρόμοιος με αυτόν των στερεών. Αυτή η αρχή ισχύει τόσο για αντιδράσεις αφυδάτωσης όσο και για αντιδράσεις διαφυγής CO 2. Γενικά, αν ένα συστατικό που δεν αποτελεί προϊόν της αντίδρασης εισέρθει στη ρευστή φάση, τότε μειώνει τη θερμοκρασία της αντίδρασης διαφυγής αερίων. Έτσι, η αντίδραση σχηματισμού βολλαστονίτη (αντίδραση διαφυγής CO 2 ) συμβαίνει σε χαμηλότερη θερμοκρασία, όταν στη ρευστή φάση υπάρχει H 2 O. CaCO 3 + SiO 2 = CaSiO 3 + CO 2 Ο όγκος των ρευστών που παράγεται από μια αντίδραση διαφυγής αερίων μεταβάλλεται γρήγορα σε σχέση με τα στερεά σε χαμηλές πιέσεις. Πάνω από τα 3 kbar ο ρυθμός μεταβολής του όγκου των ρευστών είναι παρόμοιος με αυτόν των στερεών. Αυτή η αρχή ισχύει τόσο για αντιδράσεις αφυδάτωσης όσο και για αντιδράσεις διαφυγής CO 2. Γενικά, αν ένα συστατικό που δεν αποτελεί προϊόν της αντίδρασης εισέρθει στη ρευστή φάση, τότε μειώνει τη θερμοκρασία της αντίδρασης διαφυγής αερίων. Έτσι, η αντίδραση σχηματισμού βολλαστονίτη (αντίδραση διαφυγής CO 2 ) συμβαίνει σε χαμηλότερη θερμοκρασία, όταν στη ρευστή φάση υπάρχει H 2 O. CaCO 3 + SiO 2 = CaSiO 3 + CO 2