The geochemistry of detrital rutile - Implications for sedimentary provenance studies and the reconstruction of metamorphic conditions

Abstract

Die in dieser Studie untersuchten Proben stammen aus einer großen Bandbreite an metamorphen Entstehungsbedingungen (von diagenetisch bis 950°C und 4.5GPa) und geologischen Hintergründen. Haupt-Probenahmegebiete waren das Variszische Erzgebirge (Deutschland) und die Alpen (Schweiz und Italien). Andere Proben entstammen verschiedenen Lokationen in Europa, Nord- und Südamerika und Afrika. Sande aus Liefergebieten zwischen ca. 100m2 und ca. 2300km2 werden mit assoziierten Gesteinsproben verglichen.Rutil-, Anatas- und Brookit-Kristalle mit Korngrößen von 63µm bis in den cm-Bereich werden mit der Elektronenstrahl-Mikrosonde (EMS), Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS), Raman-Spektroskopie und Laser-Ablations-Induktiv gekoppeltem Plasma-Massenspektrometrie (LA-ICPMS) auf Spurenelement-, Isotopen- und Phasenzusammensetzung analysiert.Die Ergebnisse zeigen, daß bei Rutilen mit Korngrößen zwischen 80 und 250µm kein Zusammenhang zwischen der Korngröße und der chemischen Zusammensetzung der Rutile besteht. Ebenso besteht kein Zusammenhang zwischen magnetischer Suszeptibilität und Rutilchemismus.Im Vergleich mit LA-ICPMS liefert SIMS-Analytik die richtigeren Ergebnisse für Spurenelemente im ppm-Bereich in kleinen, eingebetteten Körnern, wie sie in dieser Studie untersucht werden. Weil die relativen Sensitivitätsfaktoren in der SIMS-Analytik auf EMS-Ergebnisse kalibriert wurden, sind Analysen aus SIMS und EMS zudem gut miteinander vergleichbar.Diese Studie belegt, dass detritischer Rutil ein präziser Indikator für Liefergesteinscharakteristiken in sedimentären Systemen ist. Anhand der Gleichung x = 5 * (Nb[ppm] - 500) - Cr[ppm] (ppm = Masse-ppm) kann eine Unterscheidung zwischen Rutilen aus mafischen und metapelitischen Liefergesteinen vorgenommen werden. Rutile aus mafischen Gesteinen haben demnach negative x-Werte, Rutile aus Metapeliten haben positive x-Werte.Obwohl die Voraussetzung für die Anwendung von Zr-in-Rutil-Thermometrie eine Koexistenz von Rutil mit Quarz (oder SiO2) und Zirkon während des Rutil-Wachstums ist, zeigt ein Vergleich von maximalen Temperaturen errechnet aus Rutilen mafischer und metapelitischer Herkunft, daß mafische Rutile zur Thermometrie genutzt werden können, solange die Si-Aktivität durch eine Silikatphase auf einen Wert nahe 1 gepuffert wird.Rutiltemperatur-Häufigkeitspopulationen aus Zr-in-Rutil-Thermometrieergebnissen, verglichen mit Nb- und Cr-Gehalten, z.B. mit Hilfe des log(Cr/Nb)-Verhältnisses, sind eine Hilfe bei der Klassifizierung und Charakterisierung von Rutilen aus verschiedenen Provenienz-Milieus. Temperatur-Häufigkeitsverteilungen equilibrierter Rutilproben sind durch 2-sigma-Standardabweichungen von kleiner als 120°C charakterisiert und teilen sich in zwei Populationen auf. Von diesen zwei Populationen ist die bei Höchst-Temperaturen unter mittel- bis hochgradig-metamorphen Bedingungen equilibrierte aus 60% der Rutile zusammengesetzt und besitzt somit den ausgeprägteren Peak.Rutile aus Erzgebirgsproben zeigen, dass unter regionalen metamorphen Bedingungen und Gradienten reliktische Rutile bis ca. 550°C überlebt haben. Unterhalb dieser Temperatur sind Zr-Gehalte im Rutil nicht vollständig im Gleichgewicht mit den herrschenden metamorphen Bedingungen. Im Gegensatz dazu zeigen U-Pb-Datierungen dieser Relikte, dass die Alter zum größten Teil schon unter niedrig-gradiger Metamorphose während der Variszischen Orogenese umgestellt wurden. Daraus läßt sich eine niedrige Schließtemperatur für Pb-in-Rutil-Diffusion von ca. 400°C ableiten. Ein Vergleich mit U-Pb-Altern von Zirkonen unterstützt eine gemeinsame West-Afrikanische Provenienz von reliktischen Rutilen und Zirkonen.Quarzite haben sich im Vergleich mit Metapeliten als relativ inert in Bezug auf Zr-in-Rutil-Temperatur-Equilibrierung erwiesen. Dazu ist der Einfluß von Rutilen aus Quarziten auf das Sediment-Budget vergleichsweise groß, denn Quarzite liefern mehr Rutile im untersuchten Korngrößenbereich (80-200µm) als Metapelite bei gleichem anstehenden Volumen.V-, Cr-, Nb- und Fe-Gehalte variieren systematisch zwischen den TiO2-Polymorphen Rutil, Anatas und Brookit. Eine Lithologieklassifizierung anhand der Cr- und Nb- Gehalte ist auf Anatas genausowenig anwendbar wie Zr-in-Rutil-Thermometrie. Aus diesem Grund ist eine Identifizierung der jeweils untersuchten Kristalle unumgänglich. Neben der Identifikation durch Raman-Spektroskopie bietet eine Unterscheidung aufgrund von Spurenelementgehalten eine verläßliche und einfache Methode.Das Vorkommen von Anatas ist weiter verbreitet als bisher angenommen und kann nicht vorhergesagt werden. Es wird sowohl von metamorphen Bedingungen wie Temperatur und Druck beeinflußt, als auch von der Gesamtgesteinszusammensetzung. In der initialen Phase der Rekristallisation von Rutil zu Anatas, die im Erzgebirge in Form von Anatas-Rutil-Verwachsungen auftritt, sind Anatas-Bereiche in diesen Verwachsungen von der Spurenelementzusammensetzung her ähnlich wie Rutil und nicht wie Anatas. Vermutlich ist eine Equilibrierung von Spurenelementgehalten in Anatas, z.B. auf niedrige Cr-, V- und Zr-Gehalte, erst bei räumlicher Separierung von Rutil und Anatas möglich.