Mineralreaktionen und Verformung in intragranularen Domänen

Anhand von unvollständig abgelaufenen Mineralreaktionen in intragranularen Domänen werden jene Parameter untersucht, welche die Gleichgewichtseinstellungsprozesse in metamorphen Gesteinen steuern. Die Studie konzentriert sich dabei auf Wirtsmineral/Einschlußsysteme, die aufgrund sich ändernder Umgebungsbedingungen (Druck, Temperatur, System-zusammensetzung, Spannungen) Re-equilibrierung unterschiedlichen Grades zeigen. Anhand von Proben Austroalpiner Kristallineinheiten der Ostalpen werden chemisch geschlossene Einschlussdomänen mit jenen verglichen, die Materialaustausch mit der Gesteinsmatrix zeigen. Dabei steht vor allem die Wechselwirkung zwischen Mineralreaktionen, chemischem Materialtransport und Verformung im Mittelpunkt der Untersuchungen. Wir versuchen zu klären, in welchem Ausmass strukturelle Heterogenitäten (zB Mikrorisse, (Sub)Korngrenzen oder Phasengrenzen) das Verformungsverhalten, die Mikrostrukturentwicklung und die Mineralreaktionen beeinflussen. Davon erwarten wir uns neue Informationen über das Verhalten komplexer, reagierender Systeme während tektonometamorpher Vorgänge. Das geplante Forschungsvorhaben basiert auf der Charakterisierung von Mikrostrukturen, Texturen und Mineralzusammensetzungen mittels hochauflösender analytischer Methoden (Elektronenstrahlmikrosondenanalytik, Rasterelektronenmikroskopie, Rückstreuelektronen-Diffraktionsanalyse, Kathodolumineszenz, Dual Beam TM - Technik). Diese Methoden werden eingesetzt, um Wirsmineral/Einschluss-Grenzen, intragranulare Reaktionsfronten und mögliche Wegsamkeiten für Materialtransport in verformten und unverformten Wirtsmineraldomänen zu untersuchen. Die Ergebnisse neuester Methoden der Materialcharakterisierung bilden schliesslich die Basis für thermodynamische Modellierung von Phasengleichgewichten, Diffusionsmodellierung und mechanischer Modellierung. Das Ziel der Forschungsarbeit besteht darin, kontrollierende Parameter der Gesteinsmetamorphose und deren Wechselwirkungen zu identifizieren und zu quantifizieren.

Mineraleinschlüsse in Wirtskristallen erlauben, Informationen über die Gesteinentwicklung unter sich ändernden Bedingungen im Erdinneren abzuleiten. Aufgrund der Abschirmung durch den Wirtskristall können Einschlüsse Informationen über relativ frühe Stadien und Bedingungen bewahren, die außerhalb des Wirtskristalls überprägt wurden. In Einschlüssen gespeicherte Informationen können jedoch durch die Anpassung der Eigenschaften an geänderte Bedingungen (=Re-Equilibrierung) gelöscht werden. In dem Kooperationsprojekt Nanoscale Processes and Geomaterial Properties wurden Wirtskristalle und deren Mineraleinschlüsse in verschiedenen Gesteinen untersucht, um zu verstehen, wie und unter welchen Umständen die Eigenschaften von Einschlüssen (zB. die chemische und Isotopenzusammensetzung, Korngrößen, Kornformen und Kristallgitter-Orientierungen) durch Re-equilibrierung verändert werden können. Spezieller Fokus wurde auf die gegenseitigen Wechselwirkungen zwischen verschiedenen Kristallverformungsarten und Änderungen der Einschlusseigenschaften gelegt.Einschlussgefüge von Granat-Kristallen in verformten und metamorph überprägten Magmatiten der Koralpe (Österreich) zeigten lokalisierte Schädigungszonen in Wirtskristallen, die auf Rissbildung zurückgeführt wurden. Einschlüsse in geschädigten Wirtskristallzonen konnten ihre Korngrößen und -formen rascher an die geänderten Bedingungen anpassen, als Einschlüsse in unveränderten Wirtsdomänen, obwohl die Risse selbst bereits vollständig verheilt waren. Risse in Wirtskristallen können auch lange nach ihrer Verheilung einen Einfluss auf das Re-Equilibrierungsverhalten von Einschlüssen haben.Untersuchungen an verschiedenen Gesteinen aus den Alpen und Griechenland erlaubten die Identifikation bestimmter Verformungsarten und zeigten deren Auswirkungen auf den Chemismus und auf Isotopenverhältnisse verformter Kristalle. Letztere werden zur Altersbestimmung von Gesteinen und Mineralen herangezogen. Basierend auf den neuen Ergebnissen können verformte Gesteine auf ihre Eignung für Altersbestimmungsmethoden getestet, und Proben für die Datierung von Verformungsvorgängen identifiziert werden.Die Relativbeziehung von Kristallorientierungen und Kornformen der Einschlüsse zum Wirtskristallgitter wird häufig herangezogen, um Rückschlüsse auf die Einschlussbildung zu ziehen. Untersuchungen von kristallographischen Orientierungsbeziehungen (CORs) in Granat der Koralpe zeigten neue, komplexe CORs, die nur anhand von umfangreichen Datensätzen festzustellen sind. Im Gegensatz zu bekannten spezifischen CORs, die eine fixierte Kristallorientierung der Einschlüsse relativ zum Wirtskristall implizieren, erlauben statistische CORs die systematische Streuung von Einschlussorientierungen durch Rotation oder Cluster-Bildung um bestimmte Wirtskristall-Richtungen. Diese statistischen CORs wurden bisher möglicherweise übersehen und könnten zukünftig neue Information über die Bedingungen der Einschlussbildung liefern.