Trace element mineral analysis in high pressure metamorphic rocks from Trescolmen, Central Alps

Abstract

Diese Studie befaßt sich mit der Spurenelementverteilung in metamorphen Hochdruckgesteinen. Die Eklogitlokalität Trescolmen (Adula Decke) ist ein ideales natürliches Laboratorium, das eine Vielzahl an Informationen über ihre zurückliegenden Hochdruckbedingungen konserviert hat. Im engeren Sinne war das Ziel dieser Arbeit, Schlüsselfragen über das Spurenelementverhalten bei Dehydrierungsreaktionen in subduzierenden Ozeanplatten zu beantworten (z.B. die Aufenhaltsorte verschiedener Spurenelemente in verschiedenen Mineralphasen, die Verteilungkoeffizienten zwischen Hochdruckphasen, welche Prozesse beeinflussen die Spurenelementmobilität). Im weiteren Sinne war die F rage von Interesse, wo die Einführung einer Analysenmethodik, in diesem Fall die Laser Ablations ICP-MS, neue Anwendungen in den verschiedenen Bereichen der Geowissenschaften eröffnet. Repräsentative Proben von Eklogiten und den umgebenden Metapeliten aus dem Gebiet von Trescolmen wurden untersucht mittels: optischer Mikroskopie (Phasenbestimmung, Texturinformation, Auswahl der Phasen für die Spurenelementuntersuchung), RFA, Lösungs-ICP-MS, Gesamtgesteins-Laser Ablation-ICP-MS (die letzten drei Methoden dienen der Gesamtgesteinsanalyse), Elektronen Mikrosonde (hochauflösende Rückstreuelektronenbilder, quantiative Analyse von Haupt- und Spurenelementen, Elementverteilung in kompletten Dünnschliffen) und Laser Ablation-ICP-MS (unter Beachtung besonderer Reinigungsschritte für Analysen an Dünnschliffen, Benutzung eines defokussierten Laserstrahls für siderophiler und chalkophiler Elemente, Einsatz von He als Trägergas bei der Analyse leichter Elemente). Besondere Aufmerksamkeit galt dabei dem Testen und Optimieren von analytischen Methoden, die der Messung einer Vielzahl von Spurenelementen (Li, Be, B, Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Mo, Sn, Sb, Cs, Ba, Ce, Nd, Sm, Hf, Ta, ! W, Pb, Th, U) in verschiedenen metamorphen Phasen dienen (Klinopyroxen, Granat, Amphibol, Phengit, Paragonit, Zoisit, Klinozoisit, Talk, Apatit, Rutil). Es stellte sich heraus, daß Eklogite aus Trescolmen Haupt- und Spurenelementkonzentrationen aufweisen, die vergleichbar sind mit Mittelozeanischen Rückenbasalten (MORB) und die somit die gesamte chemische Variation dieser Gesteine nachzeichnen, von Mg-reichen gabbroischen Protolithen bis hin zu Fe- und Ti-reichen Basalten. Daher können diese Proben als direkte Analoge der obersten basaltischen Schicht einer subduzierenden Ozeankruste angesehen werden. Weiterhin hat sich gezeigt, daß Phengite in den Eklogiten Cs-Rb-Ba Muster aufweisen, die möglicherweise den Protolithen während einer Niedrigtemperatur-Ozeanboden-Metamorphose aufgeprägt wurden. Für die nördliche und mittlere Adula-Decke ist es zum einen bemerkenswert, daß ultramafische Gesteine nahezu vollständig fehlen, und zum anderen, daß Eklogite in enger Beziehung zu kontinentalen Metasedimenten vorkommen. Diese Phänomene wurden in Einklang gebracht mit den geochemischen Resultaten dieser Studie und daraus ein geologisches ! Szenario der Adula-Decke in einem fortgeschrittenen kontinentalen Dehnungsbereich entwickelt. Petrograhische Beobachtungen und Rückstreuelektronenbilder erschließen ein reichhaltiges Inventar von strukturellen Beziehungen, welche eine Infiltrierung der Eklogitie durch H2O-reicher Fluide während eines frühen Hebungsstadiums der Adula-Decke, noch unter Hochdruckbedingungen, dokumentiert. Hierbei führen diese Fluide zur Bildung wasserhaltiger Phasen wie Paragonit, der Disthen ersetzt, und Amphibol, der eine ältere Generation von eklogitfaziellen Mineralen überwächst. Weiterhin wird die Bildung großer, homogner Omphazite am besten durch Massentransferprozesse erklärt, die charakteristisch sind für ein freies Fluid. Geheilte Risse in Granatkernen mit einer identischen chemischen Zusammensetzung wie eklogitfazielle Granatränder sind auch ein deutlicher Hinweis auf die Existenz eines freien Fluides. Eine Anzahl von Spurenelementen zeigt eine starke Präferenz für bestimmte Phasen in Eklogiten, so daß nur ein akzessorisches Mienral das Budget verschiedener Spurenelemente dominieren kann. Die extremsten Beispiele, bei denen mehr als 70% des Gesamtgesteinsbudgets in einer Phase angereichert sind, stellen Cs, Rb und Ba in Phengit, Ti, Nb, Sb, Ta und W in Rutil, Zr und Hf in Zirkon, Y und schwere Selten Erden Elemente (HREE) in Granat sowie Sr, leichte Selten Erden Elemente (LREE) Pb, Th und U in Zoisit (oder Allanit, sofern vorhanden) dar. Eine Gruppe von vier Eklogitproben wurde gefunden, die eine große Annäherung an Gleichgewichtsbedingungen sowohl auf Haupt- als auch auf Spurenelementniveu aufzeigen, dokumentiert durch große, homogene Kristalle und konsistenter Spurenelementverteilungen zwischen allen Hochdruckphasen. Für die Interpretation von Spurenelementverteilungen in Hochdruckgesteinen ist es eine wichtige Entdeckung, daß alle vier Proben foliierte Eklogite sind, die chemische Signaturen von Basalten aufweisen, während die deutlichsten Hinweise auf Ungleichgewichtsbedingungen in massiven, metagabbroischen Eklogiten nachgewiesen werden konnten, Daher sind die wichtigsten Voraussetzungen für die Einstellung von Gleichgewicht in metamorphen Gesteinen ein feinkörniger oder sogar glasiger Protolith und eine durchgehende Deformation. Ein freibewegliches Fluid während der Metamorphose ist wahrscheinlich auch ein wichtiger Parameter, jedoch ohne gleichzeitig stattfindender Deformation kein hinreichendes Kriteri! um. Alle Ergebnisse dieser Studie sind ausgewertet worden im Hinblick auf Auswirkungen für das Verständnis von Subduktionszonenprozessen. Es ist jetzt möglich, realistische Modelle der Spurenelementzusammensetzung von Fluiden zu modellieren, die in dehydrierenden subduzierenden Platten freigesetzt werden. In früheren Ansätzen konnte nur die Fluidzusammensetzung, die im Gleichgewicht mit den Hauptphasen von Eklogitparagenesen steht, berechnet werden. Da diese Studie die Bedeutung akzessorischer Phasen für die Spurenelementbilanz in Eklogiten unterstreicht (z.B.: Ba in Phengit, Sb in Rutil, Pb in Zoisit), müssen frühere Modelle durch die Hinzunahme dieser Phasen erweitert werden. Dies kann erreicht werden durch die Benutzung von Spurenlementverteilungs-koeffizienten zwischen Haupt- und akzessorischen Phasen, die sich aus den vier Gleichgewichtsproben dieser Studie ableiten lassen. Ausgangspunkt für eine noch andauernde Kontroverse sind die Fragen, ob und wie Fluide von der abtauchen! den Ozeanplatte in den darüberliegenden Mantelkeil überführt werden. Eklogitproben von Trescolmen zeigen deutliche Hinweise auf die Existenz eines frei beweglichenden Fluids während der Hochdruckphase und schließen daher die Möglichkeit von Fluidimmobilität in Eklogiten aus, wie durch Isotopenstudien bisher vermutet wurde. Der favorisierte Prozess, der die Fluidmobilität begünstigt und darüberhinaus die Einstellung von Spurenelementgleichgewichten beschleunigt, ist das Auftreten von kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Deformation, was an der Grenzfläche zwischen abtauchender Ozeanplatte und überliegendem Mantel als wahrscheinlich angesehen werden kann. Aus den Ergebnissen dieser Arbeit lassen sich Rückschlüsse ziehen auf Bereiche, die über das Gebiet der Metamorphose von Hochdruckgesteinen hinausreichen. So konnte gezeigt werden, daß die hoch fluidmobilen Elemente Cs, Rb und Ba Verteilungsmuster in Mineralphasen aufweisen, die am besten dadurch erklärt werden können, daß sehr niedrige Fluid-Gesteins-Interaktionen stattgefunden haben. Dieses ist in sofern bedeutsam, als für die die klassische Sauerstoffisotopenanalyse nicht sensitiv genug ist. Anwendugnen zum Aufspüren von niedrigen Fluiddurchflüssen z.B. im Bereich der Lagerstättenexploration sind daher denkbar. Weiterhin stellt sich heraus, daß Spurenelementkonzentrationen in Rutilen von Eklogiten und Metapeliten signifikante Unterschiede aufweisen. Unter Sedimentationsbedingungen stellt Rutil ein sehr stabiles Mineral dar, jedoch wurde es bisher als wenig charakteristisch angesehen. Es gibt durch die Analyse der Spruenelemente in Rutilen von Schwermineralfraktionen aus Sed! imenten nun die Möglichkeit, unterschiedliche Herkunftsgebiete dieser Sedimente herauszuarbeiten, welche auf dem Gebiet der Erdölgeologie eine wichtige Fragestellung darstellt.