Transport und Speicherung von Chlor im oberen Erdmantel

Chlor ist das dominierende Anion in fast allen geologischen Fluids und kann eine fundamentale Rolle bei magmatischen und postmagmatischen Prozessen spielen, darunter Metalltransport und -Ablagerung, (Spuren)Elementverteilung zwischen Festkörpern und Fluids/Schmelzen, sowie Teil-aufschmelzung von Gesteinen. Trotz der Bedeutung von Chlor ist sehr wenig bekannt über die Mechanismen des Chlortransportes von der Kruste in den Erdmantel, über P-T-Stabilitätsfelder Cl-reicher Phasen wie etwa Chlorapatit und die Cl-Speicherkapazität potentieller Chlorträger im Erdmantel, über die Kristallchemie des Chlors bei hohen Drucken und Temperaturen, sowie über den Einfluß von Chlor auf das Schmelzverhalten häufiger Gesteinstypen, wie etwa Basalten. Um einige dieser Fragen zu klären, schlagen wir eine Studie vor, die Hochdruck-Hochtemperatur Experimente mittels Stempelzylinderpresse und Vielstempelpresse mit Elektronenmikrosonde, Ionenmikrosonde, Laser- Ramanspektroskopie und Kristallstrukturanalyse verbindet. Das Projekt wird folgende Fragen behandeln: (1) Die Stabilität, Phasenbeziehungen und Kristallchemie von Cl-reichem Apatit und trioktaedrischem Glimmer, (2) die Cl- Speicherkapazität dieser Phasen unter hohem P und T und (3) das Teilschmelzverhalten von mittelozeanischen Rücken-Basalten (MORBs) unter Fluid-anwesenden und Fluid-abwesenden Bedingungen in Gegenwart von Chlor. Die Ergebnisse der Studie werden wichtige Information liefern und zwar (1) über den Kruste-Mantel Transport von Chlor und die Speicherkapazität potentiell wichtiger Chlorträger bei hohen Drucken und Temperaturen, (2) über die Kristallchemie des Chlors in Silikaten und Phosphaten und (3) über den Einfluß von Chlor auf die Phasenbeziehungen und das Teilschmelzen von MORBs. Letzterer Punkt ist besonders wichtig für einen möglichen Transport von Chlor in Flüssigkeits- oder Festeinschlüssen (NaCl) und die P-T Bedingungen, bei denen ein Schmelzen der abtauchenden Platte in Subduktionszonen möglich ist. Insgesamt werden es die Resultate der Studie erlauben, genauere Modelle für den globalen Chorzyklus, das Fluidbudget in Subduktions-zonen, sowie die Entstehung bestimmter Subduktionszonen-Magmen (z.B. Adakite, Gesteine der Tonalit-Trondhjemit-Granodiorit Serie) zu entwerfen.

Chlor ist das dominierende Anion in fast allen geologischen Fluids, auch wenn es fast immer nur in sehr geringen Mengen vorhanden ist und daher von fundamentaler Bedeutung für zahlreiche magmatische Prozesse. Aufgrund seiner Fähigkeit zur Komplexierung von Metallkationen z.B. spielt Chlor eine äusserst wichtige Rolle in magmatisch-hydrothermalen Systemen, in denen Metalle transportiert und abgelagert werden. Dadurch kommt dem Chlor eine Schlüsselrolle bei der Bildung von Platin- und Buntmetalllagerstätten zu. Apatit mit der Formel Ca5 (PO4 ) 3 (OH, F, Cl) ist einer der wichtigsten Träger von Phosphor, Chlor und Wasser im oberen Erdmantel. Um mögliche Wege für Transport und Speicherung von Chlor und Phosphor im oberen Erdmantel und der Übergangszone zu evaluieren, wurden Experimente in einem Druck-Temperaturbereich von 3-15 GPa und 850- 1450C durchgeführt und zwar mit dem Ziel, Stabilität und Phasenbeziehungen von Cl- und OH-Apatit in basaltischen und peridotitischen Gesamtgesteinschemismen zu ermitteln, sowie Aufschluss über die Verteilung von Chlor zwischen Apatit und Phlogopit zu gewinnen, wobei letzterer ein weiterer wichtiger Halogen- und Wasserträger im Erdmantel ist. Die Anwesenheit von Apatit in einem bestimmten Volumen des Erdmantels ist von grösster Bedeutung für den Halogen-, Phosphor-, sowie Spurenelementgehalt der dort gebildeten Teilschmelzen. Dabei wird die Stabilität des Apatits von Druck, Temperatur, dem Gesamt-Phosphorgehalt, sowie der Fähigkeit der koexistierenden Phasen zum Phosphoreinbau bestimmt. Die obere Druckstabilitätsgrenze von Apatit in typischen basaltischen Hochdruckgesteinen, wie z.B. Eklogiten, wurde bei einer Temperatur von 950C bestimmt und liegt bei zwischen 7 und 8.5 GPa, was einer Tiefe von etwa 210-250 km im Erdinneren entspricht. Mit steigendem Druck und Temperatur baut Apatit bis zu ca. 3 Gew% MgO ein. Dies deutet darauf hin, dass Apatit neben Spurenelementen mit grossen Ionenradien (z.B. Ba, Sr, U, Th) auch solche mit wesentlich kleineren Radien einbauen kann. Bei Drucken =8.5 GPa wandelt sich Apatit in ein wasserfeies Trikaziumphosphat Ca3 (PO4 ) 2 um. Dies führt zu einer Freisetzung von sämtlichem Wasser, Halogenen, sowie Spurenelementen, die statt Mg im Apatitgitter eingebaut sind und beendet die Rolle von Apatit als Wasser- und Halogenträger im oberen Erdmantel. Der inkompatible Charakter des Chlors im Apatit bleibt über dessen gesamten Stabilitätsbereich erhalten und macht es extrem schwierig, wenn gar unmöglich, reinen Chlorapatit in Gegenwart selbst geringster Mengen an Wasser zu stabilisieren. Dies deutet darauf hin, dass Apatit mit hohen Chlorgehalten nur unter wasserabwesenden Bedingungen oder aber in Gegenwart von geringen Mengen an salinaren Fluids stabil sein kann. Falls keine Schmelze vorhanden ist, kann Granat in einem peridotitischen Gestein bis zu 1 Gew.% P2 O5 einbauen. Dies bedeutet, dass Granat bei geeigneten Drucken und Temperaturen das gesamte im primitiven Erdmantel vorhandene Phosphor einbauen kann, dessen Konzentration auf ca. 100 ppm geschätzt wird, und daher keine weitere Phosphorphase, wie z.B. Apatit oder Ca3 (PO4 ) 2 benötigt wird. Bei Temperaturen über dem Schmelzpunkt des Erdmantels wird die Schmelzphase zum wichtigsten Träger von Chlor und Phosphor aufgrund des stark inkompatiblen Charakters beider Elemente.