SKARNY

Skarny są wapniowo-krzemianowymi skałami metasomatycznymi powstającymi na kontakcie intruzji magmowych (często granitoidowych lub średnio-kwaśnych) ze skałami węglanowymi (wapieniami, dolomitami lub marmurami). Do najważniejszych minerałów skarnów należą: granaty, w tym: żelazisty - andradyt (Ca₃Fe₂[SiO₄]₃) i wapniowo-glinowy - grossular (Ca₃Al₂[SiO₄]₃) oraz piroksenów - diopsydu (CaMg[Si₂O₆]) i hedenbergitu (CaFe[Si₂O₆]). W postaci domieszek występują w nich magnetyt, epidot, hornblenda, wollastonit, chloryt, kwarc, fluoryt, wezuwian, plagioklazy, flogopit, helwin i in.

Metasomatoza (metasomatyzm) to proces metamorficzny polegający na zmianie składu chemicznego skały w stałym stanie skupienia w wyniku zastępowania jednych minerałów przez inne pod wpływem krążących roztworów wodnych (hydrotermalnych) lub gazowych (fluidów magmowych) (głównie H₂O, CO₂, SiO₂, alkaliów oraz halogenków). W kontekście skarnów - metasomatoza zachodzi w późnym etapie krystalizacji magmy, na kontakcie intruzji z węglanowymi skałami jej otoczenia.

Skały węglanowe osłony intruzji determinują chemizm całego systemu metasomatycznego. Skutkuje to podziałem na skarny wapniowe (rozwijające się na wapieniach lub marmurach) oraz skarny magnezowe (tworzące się na dolomitach lub marmurach dolomitycznych).

W skarnach wapniowych kluczowymi minerałami wskaźnikowymi są wollastonit oraz minerały z szeregów izomorficznych grossular-andradyt (granaty) i diopsyd-hedenbergit (pirokseny). Wśród minerałów akcesorycznych występują wtórne biotyty, tytanit, apatyt, epidot oraz wtórne amfibole.

W skarnach magnezowych brak wystarczającej ilości wapnia prowadzi do powstania krzemianów bezwapniowych lub ubogich w wapń, takich jak bogaty w magnez forsteryt (zob. oliwiny - krzemian Fe i Mg), spinel (tlenki Mg i Al) oraz minerały z grupy humitu (fluorokrzemian Mg i Fe).

Głównym mechanizmem formowania skarnów jest bimetasomatoza kontaktowa – wzajemna, dyfuzyjna lub infiltracyjna wymiana składników chemicznych między krzemionkowym/średnio-zasadowym stopem magmowym (lub jego fluidami) a skałą węglanową. W procesie tym ze strony intruzji w kierunku węglanów migrują głównie krzemionka (SiO₂), żelazo (Fe²⁺, Fe³⁺), sód (Na⁺) i potas (K⁺)oraz glin (Al³⁺), natomiast w kierunku przeciwnym migruje wapń (Ca²⁺) i magnez (Mg²⁺). Proces ten prowadzi do powstania dwóch głównych stref metasomatycznych:

Strefa endomorficzna (endoskarn): Tworzy się w brzeżnej części samej intruzji magmowej. Na skutek dopływu Ca i Mg oraz odpływu krzemionki dochodzi do odkwarcowania granitu/diorytu. Kwarc i skalenie potasowe reagują, ustępując miejsca piroksenom (np. diopsydowi) oraz zasadowym plagioklazom. Przeobrażona skała traci swoją pierwotną spójność krystaliczną i często ulega dezintegracji granularnej – w dłoniach łatwo kruszy się na pojedyncze ziarna mineralne.

Strefa egzomorficzna (egzoskarn): Tworzy się w osłonie intruzji (dawnych skałach węglanowych). W zależności od stopnia zastąpienia węglanów przez krzemiany i odległości od intruzji obserwuje się wyrównaną strefowość metasomatyczną:

• Strefa wewnętrzna (przy kontakcie): Przeważają twarde, zwięzłe skarny skaleniowo-piroksenowe (bogate w diopsyd-hedenbergit) oraz skarny granatowe (z udziałem grossularu i andradytu). Węglany zostały tu całkowicie zastąpione przez krzemiany, stąd skały te nie reagują z rozcieńczonym HCl.
• Strefa pośrednia: Powstają skarny krzemianowo-węglanowe charakteryzujące się obecnością wezuwianu, wollastonitu czy epidotu. Zawierają jeszcze rezydualny kalcyt, przez co słabo reagują z HCl.
• Strefa zewnętrzna (kontakt ze skałą niezmienioną): Skały węglanowe ulegają jedynie metamorfizmowi termicznemu (rekrystalizacji) bez głębokiej metasomatozy, przechodząc w jasne, cukrowate wapienie krystaliczne (marmury kontaktowe), które gwałtownie reagują z HCl.

Badania petrograficzno-mineralogiczne strefy kontaktowej w Podzamku (Juskowiak, 1959) wskazują, że decydującą rolę w powstawaniu skarnów odgrywają wstępujące roztwory hydrotermalne o temperaturach niewiele przekraczających 400°C, uruchomione w wyniku głębokiej iniekcji magmy (uzupełnione o wodę uwolnioną ze skał ilastych). Na kontaktach tego typu nie obserwuje się ultra-wysokotemperaturowych, bezwodnych skarnów termicznych z minerałami takimi jak larnit, skawtyt czy spuryt. Zamiast nich wykształca się charakterystyczne zróżnicowanie metasomatyczne przebiegające w trzech głównych etapach:

I. Wysokotermalna metasomatoza

W wyniku uruchomienia Ca i Al z osadów węglanowo-marglistych oraz doprowadzenia Fe, Mg, K, Ti, Na i P roztworami hydrotermalnymi następuje zróżnicowanie kompleksu skalnego pod wpływem frontu desylifikacji (bazyfikacji). Powstają wówczas zwięzłe skarny o wyrazistej strefowości:

• skarny skaleniowo-piroksenowe oraz skarny granatowe (andradytowe i grossularowe),
• skarny wezuwianowe i hedenbergitowe,
• marmury kontaktowe.

II. Średniotermalna metasomatoza

Dominuje front feldspatyzacji (syenityzacji) oraz intensywne procesy hydratyzacji, przejmujące bezwodne krzemiany w hydrokrzemiany:

• Pojawienie się jonów K wywołuje biotytyzację piroksenów oraz syenityzację.
• Mają miejsce procesy uralityzacji (zastępowania piroksenów przez amfibole) oraz epidotyzacji.
• Powstaje prenit (m.in. z przeobrażenia wezuwianu oraz w szczelinach skał), uwalnia się czysta krzemionka prowadząca do okwarcowania, a w późniejszym stadium solfatarowym dochodzi do chlorytyzacji biotytu i nieznacznej mineralizacji siarczkowej (piryt).

Uralityzacja to proces metasomatycznego lub metamorficznego przeobrażenia piroksenów jednoskośnych (np. augitu, diopsydu) bądź rombowych (np. enstatytu) w wyniku ich hydratyzacji w obecności fluidów hydrotermalnych. Polega na zastępowaniu piroksenów przez zielony, włóknisty lub pręcikowy amfibol z szeregu tremolit-aktynolit bądź wtórną hornblendę, nazywany uralitem. Powstały agregat amfibolowy tworzy pseudomorfozę uralitową, w której wtórny minerał precyzyjnie zachowuje pierwotny pokrój oraz zarys krystalograficzny zastępowanego kryształu piroksenu.

III. Niskotemperaturowa metasomatoza:

Związana ze spadkiem temperatury i krążeniem roztworów bogatych w CO₂ (stadium mofetowe). Zachodzi kaolinizacja skaleni potasowych oraz powszechna kalcytyzacja (wypełnianie spękań przez kalcyt), która kończy cykl hydrotermalny.

Są to skały bardzo ciemne, miejscami ciemnozielone z gniazdami biały skaleni. Czasem zawierają większe enklawy białej skały skaleniowej z widocznymi krysztłami zielonkawych piroksenów oraz brunatnego tytanitu. W skale są obecne wtórne kryształy biotytu. Skalenie są ksenomorficzne. Występują skalenie potasowe i wapniowe oligoklazy i andezyny. Skalenie potasowe ulegają wtórnej kalinizacji, a plagioklazy serycytyzacji. Na skutek uralityzacji występują pseudomorfozy amfiboli po piroksenach.

Z występowaniem skarnów jest związane występowanie niewielkich złóż skarnowych (in. kontaktowych, kontaktowo-metamorficzne, kontaktowo-metasomatyczne, kontaktowo-pneumatolityczne lub pirometasomatyczne). Są one źródłem Fe, Co, Cu, Pt, W, Mo, Sn, Zn, Pb, Au, U, barytu, Cr, Sb i Hg. Wśród surowców niemetalicznych w złożach skarnowych występują grafit, azbest chryzotylowy, talk, witeryt, a także kwarc, andaluzyt, sylimanit, cyjanit, miki, korund, lazuryt, kordieryt i inne.

Złoża skarnowe są typowe dla obszarów fałdowych. Są związane z kontaktami skał magmowych ze skałami węglanowymi. Często są one zbrekcjowane i przeobrażone. Wśród typowych zjawisk towarzyszących należy wymienić: chlorytyzację, serpentynizację, karbonatyzację, okwarcowanie i sylifikację. Pod względem złożowym najbardziej interesujące są strefy występowania skarnów wapniowo-krzemianowych. Większość złóż jest związanych ze strefami egzokontaktowymi, najczęściej w utworach bezpośrednio kontaktujących ze skałami magmowymi.

W dawnej literaturze pojęcia "skarn" czasami używało się w kontekście spieczonych skał węglanowych występujących w sąsiedztwie niewielkich intruzji magmowych. Skały takie często odbarwiają się na kolory ceglasto-czerwone albo seledynowo-zielonkawe, a czasem stają się wyraźniej twardsze. W rejonie podkrakowskim takie strefy mają np. wychodnie "marmurów" dębnickich (D2) - tzw. "marmury lochowe" oraz dolomity ze Zbrzy (D2). O ile w skałach takich nie ma zmian mineralnych będących skutkiem metasomatozy, nazywanie ich "skarnami" jest nadużyciem.

W Polsce skarny występują wokół intruzji granitoidu Kudowy, w jej wschodnim obrzeżeniu. Można je oglądać w kopalni dolomitów (marmurów dolomitycznych) w Rędzinach. Skarny występują też w północnym obrzeżeniu plutonu kłodzko-złotostockiego - na styku z wapieniami węglowymi C1 struktury bardzkiej. Można je znaleźć w wyrobisku małego łomu wapieni krystalicznych w Podzamku. W rejonie Kletna w strefie tzw. nasunięcia Kletna występują skarny okruszcowane minerałami: S, As, An, Bi, Se, Ag, Au, Fe, Cu, Zn, Pb, Sn, Hg, U związane z roztworami hydrotermalnymi powiązanymi z plutonem Žulovej (Banaś 1965; Przeniosło & Sylwestrzak 1969). Z kolei w rejonie Złotego Stoku w otoczeniu intruzji kłodzko-złotostockiej utworzyło się skarnowe złoże z mineralizacją: As, Au, Fe, Bi, Cu, W, Ag, Pt, Pb, Zn, Co, Ni i U.

Skarn a Erlan (Skarnoid) – jak je odróżnić? Skarn powstaje, gdy dochodzi do dalekiego transportu składników (bimetasomatozy) na kontakcie czystej skały węglanowej z intruzją magmową. Erlan to produkt przeobrażenia skały, która już wcześniej zawierała zarówno wapń, jak i krzemionkę (np. margle). Do powstania krzemianów Ca-Mg (diopsydu, wollastonitu, granatu) wystarczyła sama wysoka temperatura, bez konieczności masowej migracji kationów ze stopu magmowego.