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LI, BE UND B IN MINERALEN METAPELITISCHER GESTEINE : FALLSTUDIEN AUF DER INSEL IKARIA, IM KÜNISCHEN GEBIRGE UND DEN SCHWEIZER ALPEN

Steppan, Nicole

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PDF, German
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Abstract

Das Verhalten der drei leichten Elemente Li, Be und B während einer Metamorphose liefert wichtige Informationen über Fluid-Gesteins-Interaktionen. Alle drei Elemente werden über Schmelzen oder Fluide transportiert, wobei sie sich sehr inkompatibel und mobil gegenüber den Festphasen verhalten. Somit sind Li, Be und B geeignete Tracer, um den Stofftransport in unterschiedlichen geologischen Milieus zu charakterisieren. Ein Beispiel stellen Subduktionszonen dar, bei denen verschiedene Stoffbestände (u.a. Sedimente, ozeanische Lithosphäre, Mantel, Kontinentale Kruste) an einem Zyklus beteiligt sind. Im Vordergrund steht die Erforschung des Li-Be-B-Inventares von kontinentalen Krustengesteinen. Hierfür wurden eine Reihe von krustalen Metapeliten und untergeordnet Kalksilikate/Amphibolite aus drei verschiedenen Regionen (Insel Ikaria, Ostägäis - Künisches Gebirge, BRD/Tschechische Republik - Campo Tencia, Schweiz) ausgewählt. Metapelite sind typische Krustengesteine, deren Minerale bei niedrigen- bis mittleren Metamorphosebedingungen potentiell relativ viel Li, Be und B einbauen können. Zudem handelt es sich bei der Mehrzahl der metapelitischen Phasen um OH-haltige Minerale, die den Austausch mit einer Fluidphase belegen. Die ausgesuchten Proben stammen aus drei unterschiedlichen Gebieten mit annähernd gleichen Bildungsbedingungen (untere Amphibolit-Fazies), um allgemeingültige Aussagen treffen zu können. Das Interesse gilt der Speicherung, Verteilung und Mobilität von Li, Be, B in metapelitischen Mineralen der kontinentalen Kruste. Hierfür wurden die Li-, Be- und B-Gehalte in relevanten Phasen mittels Sekundärionen-Massenspektroskopie (SIMS) gemessen. Die wichtigsten metapelitischen Hauptträgerphasen sind Plagioklas, Muskovit, Biotit, Chlorit, Granat, Staurolith, Alumosilikate und Turmalin. Untergeordnet wurden Li-Be-B-Konzentrationen in kalksilikatischen bzw. amphibolitischen Mineralen, wie zum Beispiel Epidot oder Amphibol, bestimmt. Generell ist zu beobachten, dass das allgemeine Li-Be-B-Konzentrationsniveau der metapelitischen Phasen aller drei Probengebiete in etwa gleich ist, d.h. es gibt keine Region deren Phasen systematisch höhere oder niedrigere Li-, Be- und B-Gehalte aufweisen. Deshalb können quantitative Li-Be-B-Verteilungsreihen für die metapelitischen Minerale aufgestellt werden: Li: St > Bt > Chl > Ms > Grt > Tur > And > Pl > Ky Be: St > Pl > Ms > Bt > Tur > Chl > Ky > Grt > And B: Tur > Ms > And > Chl > Bt > Pl > Grt > Ky > St Aufgrund der Tatsache, dass diese Verteilungsreihen für Li, Be und B in allen drei Probengebieten übereinstimmen, kann von einer Gleichgewichtsverteilung der drei mobilen Elemente zwischen den einzelnen Mineralen ausgegangen werden. Dies wiederum erlaubt die Berechnung von Verteilungskoeffizienten zwischen Mineralpaaren. Beispielsweise liegen die Li-Verteilungskoeffizienten zwischen Staurolith und Biotit in einem Bereich von 1.91 - 4.57 oder die Li-Verteilungskoeffizienten zwischen Biotit und Muskovit erreichen Werte von 2.64 - 13.73. Für das Element Be sind exemplarisch die Verteilungskoeffizienten zwischen Staurolith und Muskovit genannt 7.68 - 18.74, während für das Element B relativ gut definierte Verteilungskoeffizienten zwischen Chlorit und Plagioklas von 0.45 - 3.59 vorliegen. Des Weiteren ist zu beobachten, dass die Streuung der Li-Be-B-Verteilungs-koeffizienten innerhalb einer Region größer als zwischen den drei Probengebieten ausfällt, was wiederum eine Gemeinsamkeit darstellt. Generell kann gesagt werden, dass die Li-Be-B-Verteilungskoeffizienten in der Regel in einem relativ engen Bereich liegen und bei höheren Absolutgehalten gut definiert sind. Eine größere Streubreite tritt lediglich bei niedrigen Li-Be-B-Absolutgehalten nahe den Nachweisgrenzen auf. In diesem Fall gibt es auch größere Standardabweichungen von den Mittelwerten (Fehler). Bezüglich der Literatur reihen sich die Li-Be-B-Verteilungskoeffizienten dieser Arbeit gut in das bisher Bekannte ein. Allerdings gibt es keinen umfassenden Datensatz für Metapelite, sodass es für die meisten Li-Be-B-Verteilungskoeffizienten nur Vergleichsmöglichkeiten mit anderen Stoffsystemen gibt. Zudem treten in zwei wichtigen metapelitischen Phasen, Turmalin und Granat, deutliche Li-Zonierungen auf. Hierbei handelt es sich jeweils um eine Li-Wachstumszonierung. Das Ergebnis einer annähernden Gleichgewichtseinstellung bezüglich der Verteilung der drei leichten Elemente zwischen den gesteinsbildenden Mineralen der Metapelite war nicht unbedingt zu erwarten, da Li, Be, B fluidmobile Elemente sind und die Proben aus verschiedenen geologischen Umgebungen stammen. In allen drei Probengebieten haben die Gesteine/Minerale während der Metamorphose mit Fluiden Kontakt gehabt, die im Prinzip vollkommen unterschiedlicher Herkunft sein können. Zudem treten in Ikaria und dem Künischen Gebirge Granit-Intrusionen in der unmittelbaren Umgebung der Metapelite auf, die potentielle Quellen für Fluide unterschiedlicher Zusammensetzungen sind. Die Konstanz der Verteilungsreihen und Verteilungskoeffizienten für die drei leichten Elemente zwischen den untersuchten Mineralphasen deutet darauf hin, dass metapelitische Fluide zumindest bezüglich Li, Be und B intern gepuffert sind. Daher ist zu vermuten, dass es sich nicht um Fluide handelt, die während der Metamorphose zugeführt wurden, sondern um interne Fluide, die seit Beginn der prograden Metamorphose in den Peliten enthalten waren, als Porenwässer oder als OH- und H2O-Gruppen in niedriggradigen Phasen wie beispielsweise Tonmineralen.

Translation of abstract (English)

The behaviour of mobile elements such as Li, Be and B during metamorphism gives important information on fluid-rock interaction. All three elements can be transported by melts or fluids in which they behave very incompatible and mobile. Therefore, Li, Be and B are sensitive tracers to characterize the material transport in different geological settings. A good example is the transport of elements in subduction zones whith different rock types (e.g., sediments, oceanic lithosphere, mantle rocks, continental crust) are involved. The main aim is to investigate the crustal Li-Be-B contents of continental metamorphic rocks. Therefore, a large number of crustal metapelites next to some amphibolites and calc-silicates from three different regions (Ikaria Island, East Agean Sea - Künisches Gebirge, Germany/Czech Republic - Campo Tencia, Switzerland) were chosen. Metapelites are typical crustal rocks with minerals that incorporate Li, Be and B in lower to medium grade metamorphic conditions. In addition, the majority of the metapelitic minerals are hydrous phases demonstrating element exchange with a fluid. The chosen samples come from three different locations with more or less the same metamorphic conditions (lower amphibolite-facies). One aim is to constrain the incorporation, partitioning and mobility of the three light elements in metapelitic minerals of the continental crust. Therefore, the Li, Be and B contents of relevant phases were measured by secondary ion mass spectrometry (SIMS). The most important metapelitic phases are plagioclase, muscovite, biotite, chlorite, garnet, staurolite, alumosilicates and tourmaline. Moreover, the Li-Be-B concentrations from calcic and amphibolitic minerals, for example epidote or amphibole, were measured. Generally speaking, the concentrations of Li, Be and B in metapelitic minerals from all three sample locations is more or less identical. Consequentially, a systematic relative distribution of Li, Be and B in metapelites was established: Li: St > Bt > Chl > Ms > Grt > Tur > And > Pl > Ky Be: St > Pl > Ms > Bt > Tur > Chl > Ky > Grt > And B: Tur > Ms > And > Chl > Bt > Pl > Grt > Ky > St On the basis that the Li, Be and B distribution between minerals is identical for all rocks of the three regions, equilibrium partitioning between several metapelitic minerals may be assumed. This makes it possible to calculate distribution coefficients between mineral pairs. For example, the distribution coefficients for Li between staurolite and biotite range from 1.91 - 4.57 or the distribution coefficients for Li between biotite and muscovite vary from 2.64 - 13.73. For the element Be distribution coefficients between staurolite and muscovite range from 7.68 - 18.74. A good example for the element B are the distribution coefficients between chlorite and biotite from 0.45 - 3.59. It can be observed, that the variation of Li-Be-B distribution coefficients within a region is larger than between the three sample locations; this is another similarity. In general, the Li-Be-B distribution coefficients are rather silmilar, especially at high absolute concentrations of the elements. A larger variety exist by lower Li-Be-B absolute concentrations nearby the detection limit. In this case, a higher standard deviation occures. The present data agrees well with distribution coefficients in literature. Though, it exist no complete database for metapelites, so that the most Li-Be-B distribution coefficients can only compared with other rock systems. In addition, in two important metapelitic mineral phases, garnet and tourmaline, a clear Li-zonation appears. This Li zonation in garnet and tourmaline was interpreted as a growth zoning pattern. This result of a near-to-equilibrium partitioning of the three light elements between rock forming metapelitic minerals during metamorphism is a little surprising, because of the fact that Li, Be, B are fairly to strongly fluid-mobile and the samples come from different geological settings. In all three sample locations the rocks/minerals were in contact with fluids during metamorphism which can come from a different origin. Moreover, in Ikaria Island and the Künische Gebirge exist granitic intrusions nearby the metapelites which can be potential sources for fluids of a different composition. The constant systematic line up of the Li-Be-B contents and the distribution coefficients between the investigated mineral phases indicate that metapelitic fluids were internal buffered with regard to Li, Be and B. This in turn argues for a more or less closed-system equilibration with internal fluids instead of open-system exchange with external fluids of arbitrary compositions. Presumably, the internal hydrous fluids were included since the beginning of prograde metamorphism of the pelites.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Kalt, Prof. Dr. Angelika
Date of thesis defense: 17 October 2003
Date Deposited: 13 Jan 2004 09:20
Date: 2003
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institut für Geowissenschaften
Subjects: 550 Earth sciences
Controlled Keywords: Kontinentale Erdkruste, Ägäis <Ost>, Schweizer Alpen, Künisches Gebirge, Spurenelement
Uncontrolled Keywords: Lithium , Beryllium , Bor , metapelitische Minerale , Verteilungskoeffizientenlithium , beryllium , boron , metapelitic minerals , distribution coefficients
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