Was passiert mit Borsilikaten während der Subduktion und in verschiedener Geotektonik?

Dieses Projekt, geplant für eine Dauer von drei Jahren, hat die strukturelle Charakterisierung und die Klassifikation von Borsilikaten der Supergruppen von Turmalin und Dumortierit (und ähnliche Minerale), als auch der Muskovit-Boromuskovite Mischkristallreihe zum Ziel. Diese Gruppen umfassen Mineralien, die zu den häufigsten Borsilikaten der Erdkruste zählen. Alle terrestrischen Planeten (wie Venus, Erde, und Mars) unseres Sonnensystems und auch in anderen Sonnensystemen besitzen einen metallischen Kern und einen Silikatmantel.Um mehr Informationen über die strukturellen Eigenschaften der einzelnen Minerale dieser Silikat-Gruppen, die während der Subduktion in den Erdmantel (durch Plattentektonik) unter Ultrahochdruck kristallisiert sind, zu erhalten, ist geplant solche Phasen unter vergleichbaren Bedingungen zu synthetisieren. Zusätzlich werden vergleichbare natürliche Minerale untersucht, die von unterschiedlichen geotektonischen Rahmen sowie von Ultrahochdruck-Gesteinen stammen. Falls notwendig werden Druck- und Temperatur-Bedingungen der Mineralparagenese mittels Geothermobarometrie bestimmt. Turmalin- und Dumortiert-Minerale sind in Hoch- und Ultrahochdruck Gesteinen stabil, aber ihre chemischen und kristallographischen Charakteristika sind bis jetzt kaum bekannt. Die Identifikation und Quantifizierung solcher Druck-Temperatur-Indikatoren würde erheblich die Zuverlässigkeit der Turmalin-Supergruppen Minerale als petrogenetische Indikatoren sowie als geochemisches Archiv, mit potentiellen Anwendungen in Geochemie, Petrologie und Paläotektonischen Studien, verbessern. Eine systematische Studie dieser Borsilikate von verschiedenen geologischen Umgebungen, die gut charakterisiert sind, kann zu wichtigen Korrelationen führen, insbesondere über die Ordnung der Kationen zwischen unterschiedlichen Atompositionenund strukturelle Eigenschaften, wie Bindungslängen, Bindungswinkel und Besetzungen. Solche strukturellen Details werden mittels Einkristall-Röntgendiffraktometrie bestimmt. Insbesondere Borsilikate aus Ultrahochdruck-Massiven können bei ErdmantelbedingungenmittelsEinkristall-Röntgenuntersuchungen in einer Diamantstempelzellecharakterisiert werden. Diese Borsilikate werden bei ansteigenden Druckbedingungen auch auf Phasenübergänge überprüft. Obwohl bekannt ist, dass Bor die Silizium- Position in Ultrahochdruck-Turmalinen besetzen kann, ist nicht klar, ob signifikante Anteile von Bor auch die Silizium-Position in Dumortierit besetzen können. Außerdem ist von besonderem Interesse, wie die Besetzungen der verschiedenen kristallographischen Positionen untereinander und von Druck und Temperatur während der Kristallisation abhängen. Solche Korrelationen könnten hilfreich sein, die Temperaturen während der Kristallisation von Turmalinen, einschließlich Lithium-reicher Turmaline, zu bestimmen, da diese bis jetzt nicht synthetisiert werden konnten. In dieser Studie versuche ich nachzuweisen, dass Borsilikate in hoch- und ultrahochdruck-metamorphen Gesteinen, die Zeugen der tiefen Subduktion von Bor sind, charakteristische kristallchemische Eigenschaften haben, die identifiziert und eingesetzt werden können, um die Druck-Temperatur-Geschichte ihrer Entstehung zu quantifizieren.

Das wissenschaftliche Konzept dieses Projekts bestand darin, Borsilikate, hauptsächlich Mitglieder der Turmalin-Supergruppe, sowie assoziierten Glimmer zu untersuchen. Im Fokus standen Untersuchungen von Bor in subduzierten Gesteinen, aber auch von Borsilikaten in verschiedenen geotektonischen Settings der Erdkruste. Daher wurden Borsilikate charakterisiert und Korrelationen zwischen Kristallchemie, Kristallstruktur und Druck-Temperatur-Bedingungen entwickelt, aber auch petrologische und geologische Untersuchungen einbezogen. Analysen zeigen, dass Plots des Fluorgehalts gegen die Ladung der X-Kationen (z.B. Na, Ca) ein nützliches Werkzeug für die zukünftige Charakterisierung von Turmalinen sein werden, die in verschiedenen Gesteinen bzw. in Edelstein-Pegmatiten vorkommen. Nur in einem abgeschlossenen System ergibt sich ein hoher Korrelationskoeffizient. Eine weitere Untersuchung zeigte zum ersten Mal, dass deutliche Anteile von Strontium auch die X-Position in Turmalin besetzen können. Ein Hochdruck-Turmalin, der unter oxidierenden Bedingungen in einem Eklogit kristallisierte, enthält die bisher höchste Menge an Sr, die je in Turmalin gefunden wurde. Daraus kann gefolgert werden, dass Turmalin-führende Pegmatite, die die Borquellen im untersuchten Eklogit zu sein scheinen, durch ein Sr-angereichertes Metakarbonat beeinflusst wurden, da solche Marmore relativ hohe Sr-Gehalte aufweisen. Eine Graphitlagerstätte der Moldanubischen Zone wurde einem variszischen Mitteldruck-/Hochtemperaturereignis unterzogen. Obwohl angenommen wird, dass die Graphitschiefer proterozoischen Ursprungs sind, könnten die Quarz-Feldspat-Gänge, die grünen Glimmer und vanadiumhaltigen Dravit enthalten, mit einer dekompressionsinduzierten Aufschmelzung während eines jüngeren metamorphen Ereignisses in Verbindung gebracht werden. Die Kristallstruktur dieses ungewöhnlichen Muskovits, der eine der höchsten Mengen an V enthält, die für Muskovit beschrieben wurden, wurde bestimmt. Umfangreiche Untersuchungen eines rosa Turmalins aus dem Bezirk Waidhofen an der Thaya, Niederösterreich, führten zu interessanten Ergebnissen, die in der österreichischen Öffentlichkeit (Zeitungen, TV- und Radiosender) breite Beachtung fanden. Dieser Turmalin wurde Alumino-Oxy-Rossmanit genannt und stellt die Al-reichste Endglied-Zusammensetzung aller bekannten Turmaline dar. Es ist ein spätmagmatischer Oxy-Turmalin aus moldanubischen pegmatitischen Körpern, eingebettet in Amphibolit und Paragneis. Aufgrund der niedrigen Anteile des assoziierten Glimmers wird angenommen, dass die Kieselsäureschmelze, die diesen Pegmatit bildete, unter relativ trockenen Bedingungen kristallisierte, was in Übereinstimmung mit der Beobachtung steht, dass dieser Turmalin eine relativ geringe Menge an Hydroxyl (OH) enthält. Der signifikante Gehalt an tetraedrisch koordiniertem Al spiegelt wahrscheinlich die relativ hohen Temperaturbedingungen (~700 C) wider, die für die Kristallisation des Pegmatits abgeleitet wurden. Untersuchungen an O-H-Streckschwingungen von Fluor-Elbait deuten darauf hin, dass die Raman-Spektroskopie zur raschen und einfachen Bestimmung des Li- und OH-Gehalts von Al-reichen und Li-haltigen Turmalinen eingesetzt werden kann. Außerdem wird, basierend auf neue Erkenntnisse, vorgeschlagen, wie Li-reicher Turmalin erfolgreich synthetisiert werden könnte. Da Fluor positiv mit der durchschnittlichen Ladung der X-Kationen korreliert, produziert eine kleinere Menge F höhere X-Leerstellen in Turmalinen, die dann nur kleinere Mengen an Li aufnehmen können. Um Li-reichen Turmalin herzustellen, wird daher die Synthese von Fluor-Elbait bei Temperaturen >550 C empfohlen. Im Ausgangsmaterial werden dafür relativ hohe Anteile von Li und F benötigt.