Institut für Mineralogie und Kristallchemie der Universität Stuttgart

Azenbergstr.18, 70174 Stuttgart und Pfaffenwaldring 55, 70569 Stuttgart


Homepage des Institutes
Homepage der Universität

Simulation geochemischer Prozesse in Hochdruckpressen

Hochdruckapparaturen wurden seit den 50er Jahren besonders auch deswegen intensiv entwickelt, weil Geowissenschaftler hierin die Möglichkeit sahen, zahlreiche ihrer Fragestellungen durch Simulation der Bedingungen der tieferen Erdkruste und des Oberen Erdmantels und in neuerer Zeit sogar des Erdkerns zu beantworten. Abb. 7 zeigt eine Stempel-Zylinder Presse, welche den Druckaufbau durch einfaches Hineinfahren eines Stempels in eine mit Festkörpern (= Druckzelle) gefüllte zylindrische Kammer bewirkt. Insbesondere durch die in jüngerer Zeit entwickelten NaCI-Druckzellen (Abb. 7), welche den Aufbau quasihydrostatischer Bedingungen erlauben, können P-T Bedingungen wie in keiner anderen Apparatur für den Druckbereich 10 bis 60 kbar konstant und zuverlässig eingestellt werden. In eigenen Versuchsreihen konnten bislang einige wichtige Reaktionskurven für die Hochdruckmetamorphose (siehe Abb. 5) sowie thermodynamische Eigenschaften von Mischkristallreihen bezüglich in der Natur häufiger Phyllosilikate ermittelt werden. Das nachfolgend aufgeführte Beispiel zeigt aber eher die mögliche Verknüpfung von Hochdruckexperiment und geochemischem Prozeß.

Abb. 6 : P-T-Bedingungen der Syntheseversuche zur Reaktion Talk + Phengit + K-reiche fluide Phase (L) = Phlogopit + Quarz oder Coesit + H2O im System K2O-MgO-Al2O3-SiO2-H2O (halbgefüllter Kasten = Reaktionsrichtung nicht erkennbar) sowie die daraus abgeleiteten Reaktionskurven. Gestrichelt : analog dazu ermittelte Kurve für die Reaktion Phengit + L = Phlogopit + Kalifeldspat +- SiO2 + H2O.

Gele mit Zusammensetzungen im System K2O-MgO-Al2O3-SiO2-H2O wurden zusammen mit bis zu 20 Gew.% Wasser in einseitig verschweißte Goldröhrchen eingebracht, welche anschließend versiegelt wurden. Solche Probenkapseln wurden bei konstanten P-T Bedingungen (Abb. 6) mehrere Tage lang zur Erzielung eines Gleichgewichtszustandes in einer Stempel-Zylinder Presse getempert und anschließend in wenigen Sekunden abgeschreckt.

Stempel-Zylinder Presse
Abb. 7: Aufbau einer Stempel-Zylinder Presse sowie einer Druckzelle, die vorwiegend aus Kochsalz besteht.

Die Versuchsprodukte wurden hauptsächlich unter Einsatz eines Röntgenpulverdiffraktometers, eines Rasterelektronenmikroskops (Abb. 8) und einer Elektronenstrahlmikrosonde untersucht. Einige Produkte enthielten größere Mengen an Phlogopit (vereinfacht: KMg3[AISi3O10](OH)2) neben etwas Talk, Phengit (vereinfacht: KMg0,5AI0,5[Al0,5Si3,5 010](0H)2) und Quarz oder Coesit sowie einer wässrigen Fluidphase. In anderen Produkten fehlte Phlogopit vollständig. Ursache ist die Reaktion Talk + Phengit + fluide Phase = Phlogopit + SiO2 + H2O, deren P-T Position durch die Hochdruckexperimente festgelegt werden konnte {Abb. 6). Die fluide Phase enthält bei den relativ niedrigen Temperaturen bereits so große Mengen an K, Mg und Si in Wasser gelöst, daß diese mit einer wasserhaltigen Silikatschmelze zu vergleichen ist.

a)REM-Aufnahme
b)REM-Aufnahme
Abb. 8 : Rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von Produkten der in Abb. 7 dargestellten Experimente: a) Hochtemperaturseite : Ein relativ großer idiomorpher Phlogopitkristall zwischen kleinen Phyllosilikatblättchen aus Talk und Phengit. b) Niedertemperaturseite : Kleine kugelförmige Aggregate, welche auf die während des Versuchs vorhandene fluide Phasen hinweisen, zwischen kleinen Phyllosilikatblättchen aus Talk und Phengit.

Betrachtet man P-T Bedingungen, die im Bereich einer subduzierten ozeanischen Kruste herrschen (Abb. 9), so sollte bei Anwesenheit von Wasser die obige Reaktionen in metamorphosierten Tongesteinen, welche zuvor auf der ozeanischen Kruste sedimentiert wurden, eine große Rolle spielen. Wasser wird aber durch verschiedene Entwässerungsreaktionen bei der Subduktion der ozeanischen Kruste und des darunterliegenden Mantels bereitgestellt.

Abb. 9: Reaktionskurven der Abb. 6 im P-T- Diagramm sowie solche, welche aus phasentheoretischen Überlegungen bei niedrigen Temperaturen ablaufen müssen. Weiterhin ist die P-T Position der Kurve der Reaktion K-Cymrit = K-Feldspat (Kf) + H2O dargestellt. Der schraffierte Bereich entspricht angenommenen P-T Bedingungen für den Grenzbereich zwischen einer subduzierten Platte und dem darüberliegenden Akkretionskeil, bzw. Oberen Erdmantel (siehe Abb. 10).

Die postulierte K-reiche Fluidphase könnte dann in den darüberliegenden Mantelkeil eindringen (Abb. 10) und diesen metasomatisch verändern. Derartige Gesteine, über deren Entstehung bislang intensiv spekuliert wurde, sind tatsächlich bekannt. Weiterhin geben nach Beendigung des Subduktionsprozesses und Einstellung einer normalen thermischen Struktur die dadurch aufgeheizten durch K-Metasomatose beeinträchtigten Mantelgesteine Anlaß zur Schmelzebildung. Nachweislich entstehen so Magmen welche im Anschluß an die Gebirgsbildung eine größere Rolle spielen.

Abb. 10 : Vereinfachter Querschnitt durch eine Subduktionszone mit verdickter kontinentaler sowie subduzierter ozeanischer Kruste und Akkretionskeil. Die durch drei Isothermen angedeutete thermische Struktur basiert auf geohphysikalischen Modellrechnungen und ist im Einklang mit eigenen petrologischen Unter-suchungen. Pfeile mit Wolken oberhalb der subduzierten ozeanischen Krusten weisen auf mögliche Bereiche des Oberen Erdmantels hin, der durch aufsteigende niedrigtemperierte K-reiche Fluidphasen metasomatisch verändert wird.


Homepage des Institutes
Homepage der Universität

    Nachrichten an institut@mineralogie.uni-stuttgart.de