Diffusion von Fluiden durch wasserfreie Mineralien (Quarz)

Die Kenntnis von Diffusionsraten Wasser-verwandter chemischer Spezies und Isotopen im Quarz ist von großer Bedeutung, da sie für die Rekonstruktion der Fluid-Gesteinswechselwirkungen, sowie der P-T-t Bestimmungen des Gesteins verwendet werden können (Flüssigkeitseinschlüsse-Forschung). Außerdem ist Quarz ein sehr häufiges Mineral in die Erdkruste, und eine stabile Mineralphase in unterschiedlichem geologischem Umfeld. Die Diffusion von Wasser und Wassermolekül verwandten Verbindungen wie D2 O, H2 18O, H2 , O2 durch wasserfreien Quarz soll mit den Eigenschaften von Flüssigkeitseinschlüssen experimentell untersucht werden. Um das Diffusionsverhalten der genannten Spezies aufzuklären, werden Flüssigkeitseinschlüsse mit bekannter Zusammensetzung und Dichte in wasserfreien Quarz synthetisiert. Orientierte Bohrkerne von diesem Quarz werden auf 400 ?C erhitzt und anschließend "schock" gekühlt um Rissbildungen im Kristall anzuregen. Die Synthese erfolgt durch die Ausheilung dieser Risse unter hohem allseitigen Druck und hoher Temperatur in Autoklaven gemeinsam mit einem Fluid bekannter Zusammensetzung. Die experimentellen Bedingungen können zwischen den Stabilitätsfeldern des a- oder ß-Quarz variiert werden (T < 700&supo;C und p < 1 GPa). Die auf diesem Wege synthetisierten Einschlüsse werden anschließend detailliert petrographisch untersucht (Verteilung und Morphologie der Einschlüsse) und mittels Mikrothermometrie und Ramanspektroskopie charakterisiert. Die Flüssigkeitseinschlüsse werden danach unter gleichen T-p-Bedingungen mit einem Fluid anderer Zusammensetzung re-equilibriert. Während des Re- Equilibrierungsprozesses müssen Druckunterschiede zwischen dem Einschluss und der Fluidumgebung minimiert werden, da diese zusätzlich zu Änderungen der Einschlusseigenschaften führen können. Der entsprechende Gradient des chemischen Potentials (oder Konzentration) der unterschiedlichen Fluidkomponenten bewirkt die Diffusion durch den Kristall. Jegliche Änderung der Einschlusseigenschaften kann mittels Mikrothermometrie und Ramanspektroskopie detektiert und quantifiziert werden. Die Beziehung zwischen der Länge des Diffusionsweges (Tiefe der Einschlüsse unterhalb der Kristalloberfläche) und den Eigenschaften der Einschlüsse wird in einem "Konzentrationsprofil" dargestellt. Dieses Profil ermöglicht eine dreidimensionale Darstellung eines Diffusionsmodells und die Ermittlung des dazugehörigen Diffusionskoeffizienten. Unter Bezugnahme der experimentellen Rahmenbedingungen kann ein neues Diffusionsmodell erstellt werden, das eine spezifische Lösung des Fick`schen Gesetzes darstellt. Die Diffusion einer Fluidkomponente durch ein wasserfreies Mineral kann durch die Hauptmasse des Kristalls selbst erfolgt werden. Kristallfehler wie Versetzungen, Stapelungsfehler und Nanorisse beeinflussen aber zusätzlich den Diffusionsprozess. Das Auftreten dieser Fehlstellen wird mittels Transmissions-Elektronenmikroskopie bestimmt und soll mit den etwaigen Diffusionsabweichungen korreliert werden. Die Untersuchungsergebnisse werden im Wesentlichen von der Verlässlichkeit der Flüssigkeitseinschlüsse als unveränderliche Fluid-"Behälter" während der geologischen Entwickelung in Kenntnis setzen. Darüber hinaus liefern diese Studien Datenmaterial für neue Konzepte der Diffusionsmechanismen von Fluidkomponenten durch wasserfreie Minerale.

Die Diffusion von Fluidkomponenten wie H2O durch Einkristalle von Quarz, d.h. ein nicht-poröses festes Medium ist schwer vorstellbar, jedoch ein gängiger Prozess in Gesteinen bei höheren Temperaturen und Drucken. Darüber hinaus ist es schwierig sich vorzustellen, dass ein Gestein geringe Mengen an Flüssigkeit (Fluid) enthält, das nicht im Porenraum zwischen den Kristallen vorhanden ist, sondern in den das Gestein aufbauenden Kristallen selbst. Diese eingeschlossenen Flüssigkeiten werden Fluideinschlüsse genannt. Der Flüssigkeitsgehalt kann bis zu 1 Vol.% betragen und hat somit großen Einfluss auf die Eigenschaften des Gesteins. Flüssigkeitseinschlüsse geben Auskunft über die Bedingungen und Milieu der Gesteinsbildung. Jede an der Erdoberfläche beprobte Gestein hat eine geologische Vorgeschichte und Flüssigkeitseinschlüsse helfen diese Geschichte zu entwirren und zu verstehen. Zu diesem Zweck müssen wir den Flüssigkeitsgehalt der Einschlüsse untersuchen (Fluidzusammensetzung und Dichte), um dann mit diesen Parametern die Berechnung der Temperatur- und Druckbedingungen bei der Bildung des Gesteins durchzuführen. Eine wichtige Voraussetzung ist, dass Fluideinschlüsse starre und inaktive Objekte sind; i.e. sie ändern weder ihre Zusammensetzung noch ihre Dichte, nachdem sie unter bestimmten geologischen Bedingungen gebildet wurden. Nachträgliche Änderungen führen eventuell zu falschen Rückschlüssen über die ursprünglichen Einschlussbedingungen der Flüssigkeit. Es ist leicht vorstellbar, dass ein hoher Fluiddruck innerhalb der Einschlüsse zu einem explosionsartigen Freisetzen des Fluids führen kann. Der umgebende Quarz wird dabei stark zerbrochen und der Flüssigkeitsgehalt geht vollständig verloren. Die Diffusion der Flüssigkeit durch den Kristall stellt eine weitere Möglichkeit der Änderung der Fluideinschlusseigenschaften dar. Diese Prozesse spielen keine wesentliche Rolle in oberflächennah gebildeten Sedimentgesteinen, haben aber großen Einfluss auf die Flüssigkeitseinschlüsse in in der Tiefe gebildeten Gesteinen, wie metamorphe und plutonische Gesteine. Flüssigkeitseinschlüsse bestehen in der Regel aus H2O, Gasen (CO2, CH4 , N2 etc.) und Salzen ( NaCl, KCl ). Es wurde von uns experimentell untersucht, ob eine oder mehrere dieser Komponenten in der Lage sind, bei höheren Temperatur- und Druckbedingungen durch Quarz zu diffundieren. Die Versuche wurden bei etwa 600 C und 336 MPa mit synthetischen und natürlichen Fluideinschlüssen durchgeführt. Wir wendeten einen Gradienten in der H2O-Konzentration (Fugazität) zwischen den Einschlüssen und dem Porenraum außerhalb des Kristalls mit konstantem Druck an, und konnten zeigen, dass H2O durch feste Quarzkristalle diffundiert. Wir konnten die Diffusionskonstante bestimmen und zwar aus dem Konzentrationsprofil der Einschlüssen in variablem Abstand von der Kante des Kristalls. Es wurde auch festgestellt, dass CO2 unter bestimmten Bedingungen mobil sein kann, während NaCl innerhalb der Einschlüsse erhalten bleibt. Die untere Temperaturgrenze der H2O Diffusion wurde mit etwa 450 C bei 336 MPa abgeschätzt. Das Wissen über die Modifikationsmöglichkeiten von Flüssigkeitseinschlüssen trägt wesentlich zum besseren Verständnis der natürlichen Fluideinschlüsse in metamorphen Gesteinen bei.