Detailierte Untersuchungen an Turmalinen für die Verwendung als Geothermometer

Dieses Projekt, geplant für drei Jahre, hat als Zielsetzung, die strukturelle Charakterisierung und Klassifikation von metamorphen und magmatischen Turmalinen um unser Wissen über die Effekte der Partitionierung und die Interaktionen zwischen den verschiedenen Gitterpositionen zu erweitern. Obwohl bereits viele Arbeiten über Turmalin publiziert wurden, fehlt bisher eine umfassende Untersuchung über die Zusammenhänge zwischen Kristallchemie und den Druck- Temperatur-Bedingungen (PT). Eine systematischeStudie verschiedenerTurmalinevon unterschiedlichen geologischen Einheiten, die petrologisch gut charakterisiert sind, kann zur Erkenntnis interessanter Korrelationen führen, speziell zwischen der Ordnung von Mg und Fe3+ an der Y- und Z- Position, dem F-Anteil im Verhältnis zur Ladung der X-Position (Na, Ca), dem Anteil von [4] Al, strukturellen Eigenschaften, wie Bindungslängen, Bindungswinkel, Atombesetzungen, Verzerrungen von Bindungswinkeln und Bindungslängen, und den PT-Bedingungen. Solche Beziehungen sind relativ komplex. Erste Ergebnisse zeigen, dass, für die untersuchten Mg- und Fe- haltigen Turmalinen, die bei unterschiedlichen PT-Bedingungen kristallisiert sind (=10 kbar/100-750 C), das Verhältnis von ZMg/YMg als auch von ZFe/YFe bei höheren Temperaturen abnimmt. Um genauere Daten zu erhalten, ist es notwendig detaillierte Untersuchungen an Turmalinen aus gut charakterisierten Gesteinen vorzunehmen. Zum ersten Mal ist es möglich anhand einer neuen Methode (entwickelt vom Antragssteller), die Besetzung der Y- und Z-Position sehr genau zu bestimmen. Dies ist eine Voraussetzung für weitere Untersuchungen von Korrelationen zwischen Besetzungen der Y- und Z-Position und den PT-Bedingungen. Diese neue Methode berücksichtigt zum ersten Mal induktive Effekte zwischen den , und Abständen. Solche Effekte sind bekannt, wurden aber bei Besetzungen bisher nicht berücksichtigt. Weiters soll überprüft werden, ob es eine Korrelation zwischen [4]Al und der Temperatur während der Turmalinkristallisation gibt und wie stark diese von der Zusammensetzung der Umgebungsgesteine abhängt. Daher wird auch die Chemie der Umgebungsgesteine ermittelt und, falls notwendig, PT-Bestimmungen mittels konventioneller Geothermobarometrie durchgeführt. Von Interesse ist auch, wie die Besetzungen aller Positionen voneinander abhängig sind, und wie diese Besetzungen von der Temperatur bei der Kristallisation abhängig sind. Solche Korrelationen könnten hilfreich sein, um mehr über die Temperaturen während der Turmalinkristallisation zu erfahren. Diese strategische Untersuchung ist sehr wichtig und eine Datengrundlage für zukünftige Studien der angewandten Petrologie (Turmalin-Geothermobarometrie) und Mineralogie, als auch für die Synthese von relativ großen Turmalinkristallen für verschiedene Anwendungen (technische Anwendungen und auch zur Verwendung als Edelstein).

Die Untersuchungen fokussierten auf Korrelationen zwischen Kristallchemie und strukturellen Daten, unter Berücksichtigung petrologischer und geologischer Daten um Turmalin in Zukunft als Geothermometer verwenden zu können. Das wäre für die Geowissenschaften besonders interessant, da Turmalin in fast allen Gesteinen häufig vorkommt. In Niedrigtemperatur-Turmalinen (Magnesio-Foitit, Foitit) bevorzugt Al die Z-Position, deren Oktaeder ein Netzwerk von Ketten parallel zur c-Achse bilden. Daher kann ein höherer Al-Gehalt, der häufig bei nadelförmig bis faserig ausgebildeten Turmalinen auftritt, ein wichtiger Faktor für das bevorzugte Wachstum in c-Richtung sein. Ein synthetischer Cu-reicher Turmalinkristall besteht aus drei verschiedenen Zonen. Eine Abnahme von [4]Al, bei gleichzeitiger Zunahme von [4]B, kann durch Temperaturabnahme während der Kristallisation erklärt werden. Zwei der sechs (Cu,Al)-O Abstände sind deutlich verlängert, während die anderen Abstände verkürzt sind. Das Verhältnis des Mittelwertes der zwei verlängerten Abstände zum Mittelwert der anderen Abstände in der Cu-reichsten Zone verifiziert zum ersten Mal den Jahn-Teller Effekt in Turmalin. Die Verwendung von Turmalinen einfacher Zusammensetzung (synthetischer K-Dravit, Dravit, Oxy-Uvit, Magenesio-Foitit) erleichtert die Bestimmung der Besetzung der verschiedenen Positionen in der Strukturverfeinerung sowie die Zuordnung der Bänder der Raman-Spektren. Diese Turmaline haben eine signifikante Mg-Al-Unordnung zwischen den oktaedrischen Positionen. Dieses Verhältnis wurde durch Raman-Spektroskopie (OH Streckschwingungen) bestimmt, wobei diese Werte in guter Übereinstimmung mit den Daten der Strukturverfeinerung ist. Umfangreiche Untersuchungen wurden an Fe2+-reichen Turmalinen mit variierenden OH/F-Gehalten gemacht. Fluor-Schörl, ein neues Mineral der Turmalin-Supergruppe konnte vom Sächsischen Erzgebirge, Deutschland, und aus Pegmatiten in Trentino, Südtirol, Italien, beschrieben werden. Es wurde gebildet als pneumatolytische Phase und in hoch-Temperatur hydrothermalen Gängen von granitischen Pegmatiten. Es korreliert mit dem Endglied Schörl durch die Substitution F (OH). Es wurde eine kontinuierliche Fluor-Schörl Schörl-Mischungsreihe gefunden. Es existiert eine positive Korrelation zwischen dem verfeinerten F-Gehalt und der YW Distanz, welche verwendet werden kann, um rasch den F-Gehalt eines unbekannten Turmalins zu bestimmen. Olenitischer Turmalin mit hohen Anteilen von tetraedrischem B (bis ~2.5 Atome pro Formeleinheit) wurde bei 4 GPa, 700 C synthetisiert. Von Cu-hältigen Turmalinen dreier Fundstellen wurde die Chemie bestimmt. Es wurde herausgefunden, dass blaue Cu-hältige Turmaline mit CuO/MnO <0.6 hitzebehandelt sein könnten, um die rötliche Komponente von Mn3+ zu reduzieren. Bosiit, ein neuer Fe3+- und Mg-reicher Turmalin wurde als hydrothermale Phase von der Darasun Goldlagerstätte, Russland, beschrieben. Bosiit ist mit Povondrait durch die Substitution Al Fe3+ auf der Z-Position verwandt. Zum ersten Mal wurde Li auch an der X-Position von synthetischem Rossmanit (4 GPa, 700 C) sowohl mit Strukturverfeinerung, als auch mit Raman Spektroskopie nachgewiesen. Diese Ergebnisse sind für das Verständnis einer der häufigsten Mineralgruppen, der Turmalingruppe, wichtig.