Metasomatose im Erdmantel. Petrographie von Südafrikanischen MARID-Xenolithen

Inhaltsverzeichnis

1 Kurzdarstellung

2 Einleitung

3 Stand der Forschung

4 Darstellung der verwendeten Methoden

5 Darstellung der Ergebnisse
5.1 Glimmer
5.2 Amphibol
5.3 Rutil und Ilmenit
5.4 Diopsid
5.5 Karbonate
5.6 Strontium- und Bariumphasen
5.7 Kurzzusammenfassung der Messergebnisse

6 Diskussion der Ergebnisse

7 Zusammenfassung – Schlussfolgerung und Ausblick

8 Literaturverzeichnis

1 Kurzdarstellung

MARID-Xenolithe bestehen vor allem aus den namensgebenden Mineralen Glimmer (engl. „mica“), Amphibol, Rutil, Ilmenit und Diopsid (Dawson et al. 1977). Als Akzessorien können noch verschiedene Titanite, Olivin, Orthopyroxene, Serpentine und Dolomite auftreten (Dawson et al. 1977). Als weitere Minerale treten auch Spinell und Perovskit auf (Konzett et al. 2000). Der im Rahmen dieser Arbeit analysierte Dünnschliff (BR 2-8) eines MARID-Xenolithen aus Bultfontein, Südafrika, weist die zu erwarteten Hauptphasen Glimmer, Amphibol, Rutil, Ilmenit und Diopsid auf und ist somit als MARID-Xenolith klar zu identifizieren, jedoch wurden auch in größeren Mengen Dolomite und Baryte und als Akzessorium Strontianit gefunden. Andere Titanite, Olivin, Orthopyroxen und Serpentin wurden zwar nicht gefunden, dennoch enthält der Schliff größere Mengen der Übergangsmetalle Chrom, Eisen, Titan und Mangan, sowie eine Anreicherung an den „Large Ion Lithophile Elements (LILE)¹ “ Kalium, Barium und Strontium.

Da es keine eindeutige Erklärung für die Fragen der Herkunft und der Bildungsbedingungen von MARID-Xenolithen gibt, können nur Vermutungen und Spekulationen auf der Basis von vergleichbarer Literatur durchgeführt werden. In der nachfolgenden Arbeit wurde das Problem der Entstehung näher untersucht und ein möglicher Erklärungsansatz zur Bildung von MARID-Xenolithen auf der Basis der Forschungen von Dawson et al. (1977), Konzett et al. (2000), Boettcher (1975), Smith et al. (1983) gefunden. Aufgrund ihrer Erkenntnisse liegt die Vermutung nahe, dass das Muttermagma kimberlitischen Ursprungs ist, angereichert an Wasser, Kalium, Magnesium und Titan. Durch den Prozess der Ozeanbodenspreizung (engl. „seafloor spreading“) kam es zur Druckentlastung und damit zur partiellen Schmelzbildung von Mantelperidotit und damit zum Aufstieg dieses Magmas. Als Folge der Ozeanbodenspreizung entstanden große Risse und Klüfte mit Hilfe dessen Meerwasser, angereichert an Calciumcarbonat und „Large Ion Lithophile Elements (LILE“), in den oberen Teil des oberen Erdmantels transportiert wurde. Dadurch konnte hydrothermale Metasomatose mit den angrenzenden Wandperidotiten stattfinden. Da die MARID-Proben in der Nähe von Kimberliten gefunden wurden und sich wahrscheinlich auch in ihrer Nähe gebildet haben, konnten mit Hilfe der angrenzenden Kimberliteruption die MARID-Xenolithe anschließend an die Oberfläche aufsteigen und so ihre charakteristische Deformations- und Fließstruktur erhalten.

2 Einleitung

Die Lokalität, der das Gestein und somit der Schliff entnommen wurde, liegt in einer 1870 entdeckten Kimberlit-Mine in der südafrikanischen Stadt Bultfontein, Provinz Freistaat. Bultfontein liegt auf dem sogenannten Kaapvaal Kraton, einer 3,6-2,5 Ga alten Kontinentalplatte und somit auf tektonisch sehr stabilem Untergrund. Seit 2005 ist die Mine bereits geschlossen, jedoch gehört sie immer noch zum Besitz der Familie De Beers, dem größten Diamantenproduzenten der Welt mit Sitz in Luxemburg.

Der Schliff hat eine Länge von etwa 4,8cm und eine Breite von 2,6cm. Unter Abb. 1 ist der Dünnschliff mit dem dazu passendem Maßstab abgebildet. Der Schliff ist gekennzeichnet durch eine Matrix, die hauptsächlich aus bräunlichen Glimmern und aus geringeren Anteilen an Titanoxiden besteht. Die Matrix hat ein porphyrisches Gefüge und ist holokristallin bis hypkristallin. Darin sind als gröbere Einsprenglinge hypidiomorphe bis xenomorphe weiße, mittel- bis riesenkörnige, rundliche Karbonate, sowie grüne mittel- bis grobkörnige Diopside und mittel- bis grobkörnige Amphibole eingebettet. Schätzungsweise macht der Glimmer 50 Vol.-% des Schliffs aus, die Karbonate 15 Vol.-% und die Diopside und der Amphibol jeweils 12 Vol.-%. Als weiteres Nebengemengteil finden sich noch schwarzer Rutil und Ilmenit, die als sehr feinkörnige matrixbildende Minerale auftreten und zusammen etwa 12 Vol.-% des Schliffs ausmachen. Die Rutile und Ilmenite treten als charakteristische farbgebende Einheiten der Matrix auf. Bei genauerer Betrachtung der Rutile fällt jedoch auf, dass sie nicht komplett schwarz, sondern leicht bräunlich sind. Sowohl der Ilmenit, als auch der Rutil weisen eine hypidiomorphe Kristallform auf. Als Akzessorien (etwa 1 Vol.-%) finden sich in dem Dünnschliff Baryte und Strontianit, die sich in oder um die Karbonate gebildet haben. Innerhalb der Abb. 1 sind diese Phasen anhand der sehr hellen, weißen Mineralbereiche zu erkennen. Des Weiteren ist zusätzlich eine Fließstruktur erkennbar. Parallel zu der Fließrichtung weist der Schliff einige Risse auf. Durch den geringen Anteil an mafischen Mineralen, ist der Schliff insgesamt relativ hell, was auf eine felsische bis intermediäre Gesteinszusammensetzung hindeutet.

Die Inhomogenität des Dünnschliffs und die Variabilität der Korngrößen der einzelnen Minerale ist ein Indiz dafür, dass in einem einzigen Schliff nicht alle Minerale des Gesteins vertreten sein müssen. Deshalb liefert der Dünnschliff BR 2-8 nur einen selektiven und eventuell unvollständigen Überblick über die Gesteinszusammensetzung.

Abb. 1: Dünnschliffaufnahme BR 2-8 mit Maßstabsangabe. Die Hauptminerale Glimmer, Diopsid, Amphibol, Rutil, Ilmenit und auch die Karbonate, sowie das Gefüge und die Textur sind deutlich erkennbar. Die Baryte und der Strontianit sind an den überaus hellen weißen Stellen zu erkennen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3 Stand der Forschung

Über die genaue Entstehung dieser Gesteine sind sich die Wissenschaftler nach wie vor im Unklaren und es werden unterschiedliche Theorieansätze verfolgt. So gehen Dawson et al. (1977) von einer Herkunft aus einer magmatischen, fluidreichen Kimberlit-Schmelze aus, die beim Aufstieg durch den Prozess der Metasomatose an Glimmer und Amphibol angereichert wurde. Konzett et al. (2000) unterstützen diese Theorie und ergänzen sie um den Einfluss eines sekundären karbonatischen Fluides, was die Anwesenheit von Dolomit und, wie in dem analysierten Dünnschliff BR 2-8, Strontianit erklären würde und auch eine Erklärung für die Anreicherung an inkompatiblen Elementen liefert. Waters (2000) verfolgt dagegen einen ganz anderen Ansatz. Seiner Meinung nach sind MARID-Xenolithe das Produkt einer wasserreichen partiellen Schmelze, angereichert an phlogopithaltigen Peridotiten, wobei das Muttermagma keine kimberlitische, sondern seiner Ansicht nach, eine lamproitische Zusammensetzung besaß. Zur Herkunft der karbonatischen Fluide verfolgen Rohrbach et al. (2011) die Theorie, dass sie bei diamantführenden Kimberliten durch die Subduktion alter ozeanischer Kruste unter die kontinentale Kruste mitgeführt wurden.

In der folgenden Arbeit werden diese Erklärungsansätze näher untersucht, mit den Analyseergebnissen aus Schliff BR 2-8 verglichen und auf ihre Plausibilität hin geprüft.

4 Darstellung der verwendeten Methoden

Zur Analyse des Dünnschliffs wurde zum einen das Rasterelektronenmikroskop JEOL 840 und zum anderen die Mikrosonde JEOL JX A-8900M WD/ED verwendet. Beide Geräte gehören zur Ausstattung der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU Münster).

Zur Verwendung des Rasterelektronenmikroskop, kurz REM, muss die Probe zunächst poliert und, zur Verbesserung der Leitfähigkeit, mit einer Schicht Kohlenstoff überzogen werden. Als Strahlungsquelle für das REM dient eine Wolfram-Glühkathode, die im Vakuum auf fast 2.000°C erhitzt wird und so eine Hochspannungsversorgung von 0,1-30 kV ermöglicht. Durch den Strom werden Elektronen freigesetzt, die durch den Steuerzylinder (Wehnelt-Zylinder) zur Anode geleitet und so auf annähernde Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Beim Verlassen der Anode wird der Elektronenstrahl durch einen Kondensor geleitet und so zu einem punktförmigen Strahl gebündelt. Mit Hilfe dieses punktförmigen Elektronenstrahls kann die Oberfläche des zu untersuchenden Objektes, durch den Vorgang der sogenannten „Rasterung“, abgetastet werden. Dabei entstehen unteranderem sekundäre Elektronen, deren Detektion die Abbildung von kleinsten Strukturen bis zu einer Vergrößerung von 10 nm ermöglicht und somit eine gute qualitative Bildanalyse liefert. Diese hohe Auflösung und die hohe Schärfentiefe sind das Resultat der hohen Beschleunigungsspannung von bis zu 30 kV. Die in der folgenden Arbeit dargestellten Mineralabbildungen sind anhand dieser Methodik entstanden. Eine weitere wichtige Funktion des Rasterelektronenmikroskops besteht in der Analyse der, von der Probe bei der Rasterung abgesonderten, Röntgenstrahlen, mit Hilfe der energiedispersiven Röntgenanalyse, kurz EDX. Die EDX-Analyse basiert auf der Trennung der verschiedenen Röntgenstrahlen nach ihrem Energiewert und liefert somit einen groben Überblick über die im Schliff vorhandenen Elemente und damit einzelner Minerale mit teils ungenauen Werten. Zur genauen Analyse der einzelnen Mineralphasen wird die eben erwähnte Mikrosonde verwendet.

Prinzipiell funktioniert die Mikrosonde genauso, wie das Rasterelektronenmikroskop, jedoch wird hier die Beschleunigungsspannung durch ein Filament, bestehend aus einem Wolfram-Haarnadel-Draht an der Spitze, auf 15 kV reduziert. Ergänzt wird die Mikrosonde durch den Einbau eines Spektrometers, mit Hilfe dessen eine genauere Elementanalyse anhand der Trennung verschiedener Elemente nach ihrer Wellenlänge und nicht nach ihrer Energie, wie beim REM, gemacht werden kann. Dabei arbeitet das wellenlängendispersive System (WDS) mit Kristallspektrometern, die die verschiedenen Röntgenstrahlen erfassen und gegen einen Standard, der vorher festgelegt wird, austauschen. Für diese Arbeit wurden folgende Analysekristalle und Standards verwendet: Zur Messung von Glimmer und Amphibol wurde der „Standard für Silikate“ verwendet, für die Minerale Ilmenit, Rutil und Diopsid wurde „Ast Cr-Diop“ und „Ast Kaer“ verwendet, „Ast Cc“ wurde zur Bestimmung der Karbonatphasen herangezogen und zur Identifikation der Barium- und Strontiumphasen wurden die Standards „Durango Apatit“ und „Barit“ verwendet. Eine Liste der genannten Standards befindet sich in Tabelle 1a und 1b, wobei die Standards zum einen nach ihrem Anteil an Oxiden (Gew.-%) und ihren Anteil an Kationen aufgelistet wurden. Der Standard für Silikate ist gesondert in Tabelle 2 zu sehen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab. 1a: Verwendete Kristallstandards der Mikrosonde, aufgelistet nach den enthaltenen Elementen in Gew.-% Oxide.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab. 1b: Verwendete Kristallstandards der Mikrosonde, aufgelistet nach der Anzahl der Kationen der verschiedenen Elemente. Dabei ist zu berücksichtigen, dass für jedes Element die Kationen auf eine Anionenzahl von 24 (O=24) normiert wurden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab. 2: Verwendeter Standard für Silikate. Aufgelistet sind die Gew.-% der Oxide für die jeweiligen Elemente. In Klammern sind die Namen der verwendeten Kristalle des Spektrometers angegeben.

5 Darstellung der Ergebnisse

Neben den Hauptmineralen Glimmer, Amphibol, Rutil, Ilmenit und Diopsid, weist der analysierte Dünnschliff zusätzlich Dolomit, Baryt und Strontiumcarbonate auf. Im Folgenden sind die Analyseergebnisse aus der Mikrosonde zusammen mit Mineralabbildungen aus dem Rasterelektronenmikroskop (Abb. 3, 5, 6, 9, 10, 11, 13) zu sehen. Zusätzlich ist zu jedem Mineral der Messpunkt auf dem Schliff selbst markiert, was in Abb. 2, 4, 7, 8, 12, 14 zu sehen ist. In den Tabellen 3 bis 8 sind passend dazu die Messergebnisse dargestellt.

5.1 Glimmer

Das matrixbildende Mineral und somit die Hauptphase bildet der Glimmer. Anhand von vier verschiedenen Messpunkten – in Abb. 2 dargestellt – wurde die Zusammensetzung des Glimmers bestimmt. Die entsprechenden Analyseergebnisse sind in Tab. 3a und 3b zu sehen.

Der vorliegende Glimmer (Abb. 3) zeichnet sich durch einen erhöhten Kalium-Wert aus, der sich in etwa auch mit den Phlogopit-Analysen von Waters (~9,72 Gew.-% K2O, 1987), Dawson et al. (~10,0 Gew.-% K2O, 1976) und Konzett et al. (~10,8 Gew.-% K2O, 2000) deckt. Innerhalb der anderen gemessenen Elementkonzentrationen weisen die vorliegenden Glimmer auch keine Abweichungen auf. Bei dieser Analyse wurde zusätzlich Fluor mit in die Messung miteinbezogen, was bei den genannten Autoren nicht der Fall war und somit kann für dieses Element nur die Phlogopit-Analyse von Deer et al. (1992, S.285) herangezogen werden. Dabei ist jedoch für diesen Schliff nur ein minimal geringerer Fluor-Gehalt zu beobachten (<0,62 Gew.-% F). Die größeren Abweichungen in der Summe an Oxiden, ist durch die Anwesenheit von Wasser zu erklären, was anhand der Mikrosonde nicht erfasst wird. Deshalb wurde der Wassergehalt des Glimmers anhand der Differenz der Oxidsumme und einer erwarteten 100%igen Messgenauigkeit angegeben.

Aufgrund eines Vergleichs der Anionen- und Kationenverteilung in den Glimmern aus Tab. 3b und den Phlogopiten von Dawson et al. (1977), lassen sich die Glimmer in Schliff BR 2-8 als Phlogopite (KMg3(Si3Al)O10(F,OH)2) charakterisieren. Phlogopite sind magnesiumreiche Endglieder der Biotite (Deer et al. 1992).

Vergleicht man diese Phlogopite mit welchen aus einem Marmor, entnommen aus Neuseeland (Deer et al. 1992, Seite 285) fällt einem der hohe Gehalt an Titan (>0,82 Gew.-% TiO2), Eisen (>2,38 Gew.-% FeO) und Mangan (>0 Gew.-% MnO) auf.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Die Zahlen 1 bis 4 markieren die Messbereiche der Mikrosonde. Die erhaltenen Ergebnisse hierfür sind in Tab. 3a und 3b zu sehen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab. 3a: Analyseergebnisse des Glimmers (1-4) in Gew.-% Oxide. Die angegebene Nummerierung stimmt mit den Messpunkten aus Abb. 2 überein. Der H2O-Gehalt wurde anhand der Differenz einer idealen 100%igen Messung und dem Gesamtanteil der Oxide in Gew.-% errechnet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Tab. 3b: Auflistung der Anionen- und Kationenplätze der Glimmer (1-4), normiert auf 24 Sauerstoffplätze. Die Anzahl und Verteilung lässt darauf schließen, dass es hierbei um Phlogopite handelt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: „Spectrum 31“ bezeichnet eine Aufnahme eines Glimmers unter dem Rasterelektronenmikroskop. Erkennbar ist das Mineral an der charakteristischen lamellenartigen Ausbildung.

5.2 Amphibol

Als wichtiges Nebengemengteil mit einem geschätzten Anteil von 12 Vol.-% treten die Amphibole als weiße, leicht grobe Einsprenglinge auf. Anhand von vier verschiedenen Messpunkten – in Abb. 4 dargestellt – wurde die Zusammensetzung des Glimmers bestimmt. Die entsprechenden Analyseergebnisse sind in Tab. 4a und 4b zu sehen.

Auch die Amphibole (Abb. 5) enthalten Wasser, was anhand der Mikrosonde nicht erfasst wird. Deshalb wurde auch hier der Wassergehalt anhand der Differenz der Oxidsumme und einer idealen Messung von 100% geschätzt. Im Vergleich zu den Analyseergebnissen für Kalium-Richterit von Waters (1987), Dawson et al. (1977) und Konzett (2000) weisen die Amphibole, ebenso wie die Glimmer, einen etwas erhöhten Kaliumgehalt auf (>4,62 Gew.-% K2O bei Waters, 1987), stimmen aber ansonsten mit den Ergebnissen der Autoren ohne große Abweichungen überein. Zur näheren Betrachtung des Fluorgehalts wurde die Richterit-Analyse von Deer et al. (1992, Seite 231) herangezogen, wobei allerdings auch keine besonderen Abweichungen zu erkennen sind. Ein Vergleich der Anionen- und Kationenplätze aus Tab. 4b mit den Ergebnissen von Richteriten aus metamorph umgewandelten Kalksteinen (Deer et al. 1992, Seite 231) ergab eine Übereinstimmung, wobei die Amphibole aus Schliff BR 2-8 einen höheren Gehalt an Kalium (>1,72 Gew.-% K2O) aufweisen und somit als Kalium-Richterite (Richterit Na(Ca,Na)Mg5Si8O22(OH)2) bezeichnet werden können. Dabei erniedrigt die Substitution von Eisen für Magnesium die Stabilität des Minerals von 1000°C auf 500°C (Deer et al. 1992).

[...]

¹ „Large Ion Lithophile Elements (LILE)“ sind inkompatible Spurenelemente mit großen Ionenradien, die, im Verlauf der fraktionierten Kristallisation von Magmen, nur schwer in ein Kristallgitter eingebaut, dafür leichter in die Struktur der Schmelze integriert werden können oder in ihr verbleiben.