Mineraleinschlüsse in Granat: Nanostrukturen-Texturen-Genese

Mineraleinschlüsse in Wirtskristallen können wichtige Informationen über die Gesteinsentwicklung liefern. Mikrostrukturelle, kristallographische oder chemische Eigenschaften wie beispielsweise die räumliche Verteilung der Einschlüsse, deren bevorzugte Formorientierung, die Struktur der Grenzfläche zwischen Einschluss und Wirtskristall, bevorzugte Kristallorientierungen von Einschlussgruppen, oder charakteristische Zusammensetzungsvariationen der Mineralphasen werden verwendet, um die Bedingungen und Vorgänge während der Einschlussbildung festzustellen. Es existieren jedoch derzeit keine Kriterien anhand derer die Bildungsmechanismen von Einschlüssen eindeutig identifiziert werden können. Die zur Verfügung stehenden Informationen für die Charakterisierung von Mineraleinschluss Wirtskristall-Systemen sind unterschiedlich, je nachdem, welcher Betrachtungsmaßstab angewandt wird. Durch die Zusammenarbeit von ForscherInnen der Universität Wien (Österreich) und des Jožef-Stefan Instituts in Ljubljana (Slowenien) sollen Mineraleinschlüsse in Granat-Einkristallen mit unterschiedlichsten Analytikmethoden untersucht werden, um komplementäre Informationen von Beobachtungen im Millimeter-, Mikrometer-, Nanometer- und atomaren Bereich zusammenzuführen. Verschiedene Messmethoden und instrumente sind erforderlich, um diese verschiedenen räumlichen Größenordnungen zu erfassen, wobei jede dieser Methoden Stärken und Schwächen aufweist. Messungen in Millimeter- und Mikrometerskala können ausreichend große Probendomänen analysieren, um statistisch relevante Informationen zu liefern. Andererseits erlauben nur zeit- und kostenintensive Detailanalysen mit räumlicher Auflösung im Nanometer- und Angströmbereich, die atomare Anordnung von Kristalldomänen festzustellen. Diese Detailanalysen widerum sind aufgrund des kleinen Probenausschnittes möglicherweise nicht repräsentativ für das gesamte Probenmaterial. Die Kombination der verschiedenen Methoden erscheint daher erfolgversprechend, um die nötige Detailinformation von statistisch aussagekräftig großen Probendomänen zu erhalten. Das Projekt zielt darauf ab, charakteristische mikrostrukturelle, kristallographische und chemische Merkmale von Mineraleinschluss-Wirtskristall-Systemen zu identifizieren, die erlauben, die Bildungsmechanismus von Einschlüssen eindeutig festzustellen, wie beispielsweise i) Überwachsung durch den Wirtskristall, ii) Verwachsung bei gleichzeitiger Einschluss- und Wirtsmineral- Kristallisation, oder iii) Entmischung aus einem präexistierenden Wirtskristall. Die Ergebnisse unserer Forschungsarbeit sollen Werkzeuge bereitstellen, die verlässliche Aussagen über den effektiven Bildungsmechanismus und die Umgebungsbedingungen während der Einschlussgenese ermöglichen. Dies ist relevant einerseits für Geowissenschaftler bei der Analyse der vergangenen Gesteinsentwicklung, andererseits für Materialwissenschaftler bei der Herstellung von Materialien mit definierten Eigenschaften. Weiters soll unsere Forschung zu einem besseren Verständnis des chemischen und mechanischen Verhaltens von polykristallinen (Geo)Materialien unter sich ändernden Umgebungsbedingungen beitragen.

Charakteristische Mikrostrukturen von Mineraleinschlüssen in Granat-Wirtskristallen liefern wichtige Informationen über die Entwicklungsgeschichte von Gesteinen. Um zutreffende Rückschlüsse aus Mikrostrukturbeobachtungen zu ziehen, müssen jene Parameter, welche die Bildung bestimmter Einschlussgefüge kontrollieren, bekannt sein, ebenso wie die zeitliche Einordnung der Einschlussbildung relativ zur Kristallisation des Wirtsminerals. In dem Forschungsprojekt wurden bestimmte geometrische, kristallographische und chemische Charakteristika von Mineraleinschlüssen und ihrem Wirtskristall in Verbindung gesetzt, um diese Merkmale in der Folge bestimmten Bedingungen oder Mechanismen der Einschlussbildung zuzuschreiben. Der Vergleich unterschiedlicher Domänen innerhalb einzelner Granatkristalle, sowie die Gegenüberstellung von Daten von drei unterschiedlichen Gesteinsproben, erlaubte die Identifikation von systematischen Unterschieden und Gemeinsamkeiten. Ein Pegmatoid der Böhmischen Masse (Gars am Kamp, AT), ein Metapegmatit der Koralpe (Wirtbartl, AT) und ein metapelitischer Gneis der Griechischen Rhodopen (Xianthi, GR) wurden mittels unterschiedlicher Analysemethoden untersucht, um das Gesteinsmaterial auf mehreren Größenskalen, vom Handstück (dm-mm) über einzelne Kristalle (mm-nm) bis hin zu einzelnen Atomen (Å) zu charakterisieren. Unter Anwendung eines korrelativen Ansatzes wurden die räumlichen Verteilungen der Einschlussphasen im Wirtskristall, die Beschaffenheit der Grenzflächen zwischen diesen Mineralphasen, die Korngrößen, Korngeometrien und Formvorzugsorientierung nadeliger Einschlüsse, die kristallographischen Orientierungsbeziehungen zwischen Einschluss- und Wirtskristallen, sowie chemische Zusammensetzungsvariationen im Wirtskristall untersucht. Basierend auf diesen korrelierten Datensätzen wurden kristallographische, chemische und kinetische Parameter identifiziert, welche die Bildung von Einschlussmikrostrukturen beeinflussen und mit bestimmten zeitlichen Beziehungen zwischen der Einschluss- und Wirtsmineralkristallisation in Verbindung stehen. Die kristallographische Konfiguration der Wachstumsfacetten von Granat kann eine selektive Wirkung auf Einschlussphasen haben, welche gleichzeitig mit Granat kristallisiert sind. In verschiedenen Wachstumssektoren eines Pegmatoid-Granates herrschen unterschiedliche Einschlussphasen vor (Phosphate in {110}-Sektoren, Ti-Oxide in {112}-Sektoren von Granat), und die Formvorzugsorientierungen und der kristallographischen Orientierungsbeziehungen nadelförmiger Ti-Oxid-Einschlüsse zeigen unterschiedliche Charakteristika. Bei der Interpretation von Einschlussmikrostrukturen ist daher die Art der zugehörigen Granatfacette unbedingt zu beachten. Entstehen Einschlüsse jedoch als Präzipitate in einem präexistierenden Granatkristall, so sind in allen Wirtssektoren gleiche Charakteristika von Formvorzugsorientierungen und kristallographischen Orientierungsbeziehungen zu erwarten. Basierend auf den Häufigkeiten bestimmter Formvorzugsorientierungen von Ti-Oxid-Nadeln in Granat, lässt sich unterscheiden, ob diese Einschlüsse während oder nach der Wirtsmineralbildung entstanden sind, und zwar unabhängig von einer magmatischen oder metamorphen Entstehung. Weiters beeinflussen chemische Faktoren die Bildung von Mikrostrukturen in den beiden untersuchten pegmatitischen Gesteinen, wenngleich diese Proben systematische Gemeinsamkeiten und Unterschiede zeigen. Unterschiedliche Einschlussmikrostrukturen in unterschiedlichen Wachstumszonen eines bestimmten Granatsektors können auf Änderungen der Schmelzzusammensetzung (in Bezug auf P-, OH-, Si-, Na-Gehalte) durch fraktionierte Kristallisation zurückgeführt werden, welche mit Änderungen der Korngröße, Geometrie, Formvorzugsorientierungscharakteristik und kristallographischen Orientierungsbeziehungen von Ti-Oxid-Einschlüssen in Granat verknüpft sind. Die Einflüsse der chemischen Parameter stehen in Wechselwirkung mit kinetischen Parametern, da Änderungen der Schmelzeigenschaften auch die Raten von chemischer Diffusion, sowie die relativen Raten von Keimbildung und Kristallwachstum der Wirts- und Einschlussminerale beeinflussen. Diese wechselseitigen Interaktionen prägen die Bildung von Mikrostrukturen von Mineraleinschlüssen in magmatisch kristallisiertem Granat.