Cordierit-H2O-CO2-Natrium-Gleichgewichte

Forschungsprojekt P 14030Cordierit-H2O-CO2-Natrium-GleichgewichtePeter W. MIRWALD11.10.1999 Große Areale der kontinentalen Erdkruste bestehen aus metamorphen Gesteinen. Um die geologischien Vorgänge, die zur Bildung kontinentaler Kruste führten, aufklären zu können, hat es sich als unumgänglich erwiesen, die Druck- und Temperaturbedingungen der Metamorphose, bzw. deren zeitliche Änderungen während eines solchen Metamorphoseablaufs zu entziffern. Bestimmte chemische Kationen-Austauschgleichgewichte zwischen einzelnen Mineralphasen sind druck- bzw. temperatursensitiv und werden als sogenannte Geobarometer und Geothermometer bezeichnet. Diese chemischen Gleichgewichte ändern sich mit wechselnden Druck- und Temperaturbedingungen, dies kann im Labor bei bekanntem Druck und. bekannter Temperatur künstlich nachvollzogen werden. Durch die nun bekannte Abhängigkeit der chemischen Verhätnisse von Druck und Temperatur erhält man die gewünschten Informationen über die metamorphen Bildungsbedingungen durch mikrochemische Untersuchung der Gesteine. In ähnlicher Weise kann man Erkenntnisse über den ehernaligen Gehalt an H2O und anderen leicht flüchtigen Gesteinsbestandteilen während der Metamorphose erzielen. Ein Beispiel für ein solches Geothermobarometer ist das Mineral Cordierit, chemische Formel (Mg,Fe)2Al4Si5O18*(nH2O, CO2, Na+), das zusammen mit anderen. Mineralphasen, wie z.B. Granat, Biotit und Albit verschiedene chemophysikalische Abhängigkeiten. aufweist. Cordierit wird häuflg in der wichtigen und. weit verbreiteten metamorphen Gesteinsgruppe der Metapelite gefunden, deren Ausgangsgesteine Tone sind. So ist z.B. der Na-Gehalt dieses Minerals stark von der Temperatur abhängig. Neben dieser Temperaturabhängigkeit üben die während der Metamorphose vorhandenen Fluide H2O und CO2 einen starken Einfluß auf den Na-Einbau aus. In diesem Projekt ist geplant, diese komplexe Temperaturabhängigkeit experimentell zu bestimmen. Desweiteren läßt sich Cordierit zusammen mit Granat oder Biotit als Druckindikator benutzen. Dieses Mineralgleichgewicht wurde bereits von anderen Forschern untersucht, allerdings machen neuere Erkenntnisse eine Überprüfung und Erweiterung dieser Geobarometer notwendig. Wir versprechen uns von den Ergebnissen dieser Untersuchungen eine dreifache Nutzung des Cordierits, nämlich als Druck-, Temperatur-, und Fluidindikator. Die geologische Anwendung dieser Ergebnisse wird mithelfen, die komplizierten Verhältnisse während der Gesteinsmetamorphose besser zu verstehen.

Das Projekt P14030-GEO hatte eine Laufzeit von einem Jahr und wurde am 1.11.1999 begonnen. Hintergrund dieses Antrags war eine weit fortgeschrittene Dissertation von Herrn Mag. Knop (Arbeitstitel: Der experimentelle Einbau von Natrium in Cordierit und seine petrologischen Implikationen) fertig zu stellen. Zwei Themenkreise waren experimentell zu bearbeiten: i) weitere kristallchemische Experimente zum Einbau von Natrium in Cordierite sowie ii) petrologische Experimente zur Stabilität der Mg-Fe Endglieder von Cordieirit. Zu i): Ein beträchtlicher Teil dieses Vorhabens konnte verwirklicht werden; es wurden insgesamt etwa 60 Hochdruckexperimente durchgeführt. Das Projektjahr begann mit Natrium-Einbauversuchen im System NMASH (Na-Mg-Al-Si-O-H2O) und mit Schmelzversuchen am binären Schnitt Albit-Mg-Cordierit. Diese Versuche wurden von einem zunächst unerklärlichen Problem, nämlich das Schmelzen des Kapselgoldes weit unterhalb der Au-Schmelzkurve stark behindert. Wir vermuten, daß geringfügige Wasserverluste aus der Probenkapsel in die Salzzelle hinein, was zum Aufschmelzen des Salzmediums geführt haben dürfte. Völlig konnte das Problem nicht gelöst werden, (da eine nachträgliche Überprüfung des Wassergehalts der Probenkapseln nicht mehr möglich ist.) Aus diesem Grunde wurde eine kleine Apparatur zur Schließung großvolumiger Kapseln entwickelt, welche auf dem Prinzip der Kaltdeformation ("Taumelapparatur") beruht. Die Anfertigung von speziellen Apparaturteilen wurde hierbei von der Fa. Dummer übernommen, die auf diesem Werkzeugsektor spezialisiert ist. Mit dieser Apparatur können nun 4 mm und 6 mm Goldkapseln mit einer minimalen Fehlerrate verschlossen werden. Zur Ergänzung seiner experimentellen Untersuchungen hat Herr Knop außerdem in zwei vielversprechenden Gebieten (Sauwald und Ötztal-Migamtite) Proben von Cordierit führenden Gesteinen genommen. Er beabsichtigt damit Vergleiche zwischen Naturbefund und seinen experimentellem Ergebnissen anzustellen. Die wesentlichen Ergebnisse seiner Untersuchungen, die vorallem petrologisch von Bedeutung sein werden, sind:: - Der Einbau von Natrium (mit koexistierendem Albit als Pufferquelle) ist umgekehrt proportional zur Temperatur im Bereich 500-800C bis zu 8 Kbar. - Die Druckabhängigkeit der Na-Einbaus ist sehr gering. - Ein eutektisches Schmelzen tritt bei mittleren Drucken bei ca. 680C ein, was zugleich eine sprunghafte Zunahme des Na-Gehalt bei Cordierit bewirkt ohne jedoch die inverse Temperaturkorrelation zu ändern. - Die experimentell erzielten Na-Gehalte entsprechen denen, die bei natürlichen metapelitischen Cordieriten gefunden werden (<0.1 Na p.f.u.). - Wird die hydrische Fluidphase durch CO2-Zugabe zur Mischphase, erfolgt dadurch die Aktivitätserniedrigung des H2O. Die Na-Gehalte von Cordierit nehmen dann nichtlinear ab. Bei sehr hohen CO2-Konzentrationen in der Fluidphase sind die Na-Gehalte sehr niedrig. - Damit ergeben sich als petrologische Anwendungen zwei Möglichkeiten: i) wenn metapelitische Cordierite keine oder nur sehr niedrige CO2-Gehalte aufweisen, läßt sich der Na-Gehalt von Cordierit als Geothermometer verwenden. ii) bei höheren CO2-Gehalten ergibt sich eine Möglichkeit die ursprüngliche H2O-CO2- Zusammensetzung der Fluidphase zu ermitteln. Vorausetzung hierzu ist, daß eine Temperaturbestimmung aus anderen koexistierenden Mineralphase der Paragenese möglich ist. Dieser Befund war sehr überraschend und bietet petrologisch sehr interessante Perspektiven. Die Ergebnisse der Untersuchungen von Herrn Knop sind laufend auf Tagungen vorgestellt worden (s.u. Publikationen) Zu ii) Diese petrologischen Untersuchungen wurden im Rahmen einer Diplomarbeit ausgeführt. Die wesentlichen Ergebnisse sind: - Die obere Druckstabilität von natriumhaltigem Mg- und Fe-Cordierit ist stark abhängig von der Zusammensetzung der H2O-CO2-Fluidphase. - Die einzeln für sich betrachteten Mischungskomponenten haben in verschiedener Weise stabilisierende Wirkung, wobei der Verlauf der Druckstabilitätsgrenze bei reiner H2O-Phase von positiver dP/dT-Steigung gekennzeichnet ist. Im Fall reiner CO2-Phase hat die Phasengrenze einen negativen Steigungsverlauf! - Bei gemischten Fluidphasen - wie es in der Regel bei metapelitischen Cordieriten in der Natur ist - ergibt sich eine Steigung mit dP/dT = +/- 0, d.h., man kann Cordierit verschiedener Mg-Fe-Zusammensetzung als Geobarometer verwenden. Hier ergibt sich ein vielversprechendes Feld für eine petrologische Anwendung! Die Ergebnisse sind auf drei verschiedenen Tagungen vorgestellt worden (s. Publikationen). Die endgültige Veröffentlichung der sehr schönen Ergebnisse steht an.