OH-Defekte in Quarz

Quarz ist das zweithäufigste Mineral der Erdkruste und ist wichtiger Bestandteil von vielen Gesteinen. Quarz kristallisiert zunächst oft in wasserhaltigen granitischen Systemen, wobei über Fehlstellen im Kristall etwas Wasser in den sonst wasserfreien Quarz eingebaut wird. Bei einer Änderung der Umgebungsbedingungen (z.B. Druck und Temperatur) passen sich diese Fehlstellen den neuen Gegebenheiten an und können daher als Monitor/Archiv für Umgebungsbedingungen angesehen werden. Auch wenn der Wassereinbau bei höheren Drücken (entsprechend Tiefen von 15-75 km) bereits teilweise untersucht wurde, fehlen detaillierte Untersuchungen für relevante Drücke (entsprechend Tiefen von 3-15 km) und sollen im Rahmen dieses Projektes durchgeführt werden. Verschiedene Arten von Fehlstellen und deren Häufigkeit sollen über strukturelle (spektroskopische) und chemische Untersuchungsmethoden charakterisiert werden. Die chemische Charakterisierung von Spurenelementen ist dabei von großer Wichtigkeit, da Spuren bestimmter Metalle die Bildung von Fehlstellen fördern. Die Ergebnisse der experimentellen Arbeit sollen mit Quarzkörnern aus zwei wichtigen Quarz-führenden Gesteinsarten (Granite und Sandsteine) verglichen werden. Granitische Körper können meist eine beträchtliche Größe (viele Kilometer in allen Dimensionen) aufweisen. Im Laufe ihrer Kristallisation verändern sich ihre Zusammensetzung und damit auch die Fehlstellen in den Quarz-Kristallen. Diese Änderungen unterliegen Gesetzmäßigkeiten, welche die Entwicklung der granitischen Gesteinsschmelze widerspiegeln und möglicherweise einen charakteristischen Trend definieren. Wenn das verwitterte Material granitischer Körper über Schwerkraft, Wind und Wasser abtransportiert wird, zeigt Quarz im Vergleich zu anderen häufigen Mineralen die höchste Widerstandsfähigkeit bezüglich mechanischer und chemischer Verwitterung und ist daher eines der häufigsten Minerale in Sedimentgesteinen. Die Untersuchung von Fehlstellen in Quarzkörnern aus Sandsteinen könnte also mit Hilfe der aus den Graniten und der experimentellen Arbeit gewonnenen Erkenntnisse als neuartiges Werkzeug für die Herkunfts-Analyse angewendet werden.

Im Gegensatz zu anderen gesteinsbildenden Mineralen hat Quarz eine sehr einfache chemische Formel (SiO2) und zeigt hinsichtlich seiner chemischen Zusammensetzung eine geringe Variabilität. Quarz ist aber in der Lage, abhängig von den Bildungsbedingungen Spuren an Protonen (H+) und Metallkationen (z.B. Al3+) einzubauen. Die Protonen bilden zusammen mit dem Sauerstoff des Kristallgitters sogenannte OH-Defekte. In diesem Projekt wurde der OH-Einbau unter kontrollierten Bedingungen (ähnlich der in der Erdkruste) untersucht und natürliche Proben unterschiedlicher geologischer Herkunft analysiert. Im experimentellen Teil zeigte sich kein systematischer Trend zwischen 1 und 5 kbar (entsprechend 3 - 15 km Tiefe, typische Bildungsbedingungen für Granite) bei einem Durchschnittsgehalt äquivalent mit 200 Gew. ppm Wasser. Interessanterweise ist dieser Wert ähnlich wie in den OH-reichsten natürlichen Quarzen hydrothermalen Ursprungs und aus sedimentären Archiven, aber ungefähr 20mal höher als der Durchschnitt für Quarze aus der Erdkruste. Quarz aus jungen (Spätpaläozoisch, etwa 300 Ma) Graniten aus Mitteleuropa bewegen sich meist um 20-30 Gew. ppm, während durchschnittlicher Quarz aus Skandinavien (Proterozoisch, ungefähr 1800 Ma) nur 3 Gew. ppm Wasser enthält. Der Unterschied zwischen alten und jungen Proben kann durch einen schleichenden Verlust während niedriggradiger thermischer Überprägung über geologische Zeiträume erklärt werden, und die Diskrepanz zu den OH-reichsten Proben (einschließlich jener aus den Hochdruck-Experimenten) durch Unterschiede in der Wasseraktivität während der Bildung. Eine systematische Analyse von magmatischen Körpern zeigte ferner interessante Differentiationstrends, die die Variation der Spurenelemente durch den Querschnitt der Intrusion widerspiegeln. Sedimentäre Proben (Sande) zeigen deutliche Änderungen im Hinblick auf die OH Gehalte der Quarzkörner und können zum Nachweis für Änderungen im Liefergebiet genutzt werden. Ein gutes Beispiel um diese Methode zu testen ist Europa, wo deutliche regionale Unterschiede herrschen und Quarz mir vergleichbar geringen OH-Gehalten vom alten skandinavischen Untergrund auf junges granitisches Material aus Mitteleuropa mit viel höheren OH-Gehalten trifft. Die OH Defekt-Verteilung erlaubt außerdem eine Abschätzung von Mischungsverhältnissen zwischen verschiedenen Quellen in rezenten Flusssystemen, die wesentlich weniger anfällig ist als Abschätzungen aufgrund weniger häufig vorkommenden Minerale. Im speziellen Fall der Elbe ergibt sich hierbei ein kleiner skandinavischer (glazialer) Anteil als bisher angenommen. In japanischen Flüssen und Meeressedimenten wird eine generelle Zunahme von OH-Defekt-Gehalten in Quarz von Ost nach West beobachtet. Es gibt keine zeitliche Entwicklung zwischen 15 Ma und 6 Ma, aber eine sprunghafte Veränderung zu niedrigeren Werten um 1 Ma, welche auf Änderungen in den Plattenbewegungen zu dieser Zeit hinweist.