Korrelationen zwischen Turmalin-Kristallchemie und den PT-Bedingungen während des Kristallwachstums

Dieses Projekt, welches für drei Jahre geplant ist, hat als Zielsetzung, die strukturelle Charakterisierung und Klassifikation von natürlichen und synthetischen Turmalinen um unser Wissen über die Effekte der Partitionierung und die Interaktionen zwischen den verschiedenen Gitterpositionen zu erweitern. Obwohl bereits viele Arbeiten über Turmalin publiziert wurden, fehlt bisher eine umfassende Untersuchung über die Zusammenhänge zwischen Kristallchemie und den Druck-Temperatur-Bedingungen (PT). Die oben erwähnte Forschungsstrategie wird wichtige Erkenntnisse bringen, welche als Datengrundlage für zukünftige Studien in den innovativen Fachgebieten der angewandten Petrologie und Mineralogie bedeutend erscheinen. Eine systematische Untersuchung verschiedener Turmaline aus unterschiedlichen geologischen Einheiten, welche petrologisch gut charakterisiert sind, kann zu der Erkenntnis interessanter Korrelationen führen, speziell zwischen der Mg-Al-Unordnung der Y- und der Z-Position ([6]-koordinierte Positionen in der Turmalinstruktur), der Besetzung der T-Position, Bindungsabständen, Bindungswinkel, Atombesetzungen, Verzerrungen von Bindungswinkeln und Bindungslängen, der Chemie und den PT-Bedingungen. Rezente Untersuchungen zeigen, dass solche Beziehungen relativ komplex sind. Von Interesse sind auch die bestimmten OH- und F-Konzentrationen, da Turmalin ein wichtiger petrogenetischer Indikator für Fluid-Interaktionen ist. Es muss auch überprüft werden, ob die positive Korrelation zwischen der mittleren Ladung der X-Position und des F-Gehalts von der Temperatur bei der Turmalinkristallisation abhängt bzw. wie sich der Einfluss der mittleren Zusammensetzung der Umgebungsgesteine auswirkt. Außerdem müssen noch weitere detaillierte Untersuchungen (in niedriggradig und hochgradig metamorphen Einheiten) vorgenommen werden, um die Korrelation zwischen den -Bindungslängen und den Temperaturbedingungen bei der Turmalinkristallisation näher zu charakterisieren. Dies ist sehr wichtig, um die Mg-Al-Unordnung zwischen der Y- und Z-Position zu verstehen. Weiters soll überprüft werden, ob es eine generell gültige Korrelation zwischen [4]Al im Turmalin und der Temperatur während der Turmalinkristallisation gibt und wie stark diese von der mittleren Zusammensetzung der Umgebungsgesteine abhängt. Von besonderem Interesse ist weiters, wie die Besetzungen der Positionen X, Y, Z, T und W (Fluor besetzt nur diese Position) von einander abhängig sind, und wie diese Besetzungen von der Temperatur bei der Turmalinkristallisation abhängig sind. Hilfreich könnten hier Untersuchungen an Turmalinen (unterschiedlicher Zusammensetzung) sein, welche unter verschiedenen Temperaturen synthetisiert wurden (ebenfalls für dieses Projekt geplant), als auch Heizexperimente an natürlichen Turmalinen (verschiedener Mischkristallreihen) unterschiedlicher geologischer Einheiten. Zum Abschluss sei noch erwähnt, dass diese Resultate sowohl die allgemeine Entwicklung von petrologischen (Turmalin-Geothermobarometrie) und mineralogischen Aspekten voranbringen, als auch hilfreich sein können für die Synthese von relativ großen (färbigen) Kristallen von Edelsteinqualität für verschiedene technische Anwendungen und auch für die Verwendung als Edelstein.

Turmaline sind aufgrund ihrer Bedeutung in den Geowissenschaften, wegen der technischen Anwendungen sowie wegen der Verwendung als Edelstein eine wichtige Mineralgruppe. Turmaline sind komplexe Aluminium-Borsilikate mit stark variierenden Zusammensetzungen. Die Turmalingruppe ist chemisch eines der kompliziertesten Silikate mit der allgemeinen Formel X Y3 Z6 [T6O18] (BO3)3 V3 W. Aufgrund der chemischen Variabilität können Turmalinkristalle farblos sein, aber auch die unterschiedlichsten Färbungen aufweisen. Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag auf der Ausarbeitung von Korrelationen zwischen der Kristallchemie, Strukturdaten und den Bildungsbedingungen um für die Geowissenschaften anwendbare Korrelationen zu finden. Eine ausgeprägte negative Korrelation zwischen der Temperatur während des Kristallwachstums (bei konstantem Druck) und B auf der Si (T) Position wurde in synthetischen Al-reichen Turmalinen gefunden. Detaillierte Untersuchungen an Fe- und Mn-reichen Turmalinen zeigten, dass Fe2+ und Mn2+ nicht die Z Position besetzen. Beim Erhitzen dieser Turmaline auf 700 C für bis zu 1.5 Tagen oxidierten Fe2+ zu Fe3+ und Mn2+ zu Mn3+ bei gleichzeitigem Austausch von Al der Z Position, was zum ersten Mal beobachtet werden konnte. Strukturelle, chemische und spektroskopische Daten wurden verwendet um Turmaline aus Pegmatiten von moldanubischen Decken, Niederösterreich, zu charakterisieren. Eine positive Korrelation zwischen den mittleren T-O und Z-O Bindungslängen, in Turmalinen wo die Z Position nur mit Al besetzt ist, kann dazu verwendet werden um den induktiven Einfluss der variierenden T-O Bindungslänge auf die mittlere Z-O Bindungslänge zu korrigieren. Dies ist wichtig um genaue Besetzungen der verschiedenen Atompositionen im Turmalin zu ermitteln. Anhand der bestimmten Altersdaten kristallisierten die Pegmatite während variszischen Metamorphose. Diese Altersdaten sind innerhalb des Bereiches der frühesten Intrusionen des südböhmischen Plutons. Diese Pegmatite könnten sich aus granitisch-pegmatitischen Schmelzen während der Druckentlastung von den Umgebungsgesteinen, während der Exhumation der Moldanubischen Decken nach dem Höhepunkt der variszischen Metamorphose, gebildet haben. Darrellhenryite, ein neues Glied der Turmalingruppe, wurde zum ersten Mal als Al-reicher, Li-haltiger und OH-defizienter Turmalin beschrieben. Er kommt in komplexen Pegmatiten in Südböhmen, Moldanubische Zone, Tschechische Republik, vor. Mn- und Cu-haltige Turmaline aus Brasilien und Mosambik wurden chemisch und mittels Einkristall-Strukturverfeinerung charakterisiert. Diese Proben zeigen an jeder Lokalität eine deutliche negative Korrelation zwischen den Leerstellen der X Position und dem Mn + Fe Gehalt. Der Mn-Gehalt dieser Turmaline hängt, abseits der Verfügbarkeit von Mn, von der Bildungstemperatur als auch von stereochemischen Beschränkungen ab. Der Cu-Gehalt ist im Gegensatz dazu nicht von der Bildungstemperatur abhängig.