Quarz als Monitor für Sediment Provenance

Quarz gehört zu den häufigsten Mineralen der Erdkruste und ist ein wichtiger Bestandteil von Sedimenten und Sedimentgesteinen. In den letzten Jahren wurde gezeigt, dass der Einbau von Spurengehalten an Protonen (sogenannte OH Defekte) die ursprünglichen Kristallisationsbedingungen und/oder thermische Überprägung widerspiegelt. OH Defekte und Spurengehalte an Metallionen erlauben die Unterscheidung zwischen Körnern von unterschiedlichen Gesteinssystemen, wie z.B. solchen aus jungen magmatischen Gesteinen gegenüber solchen mit metamorpher Überprägung. Mineral- und Schmelzeinschlüsse spiegeln ebenfalls die Kristallisationsgeschichte von Quarz wider, sind aber weniger anfällig gegenüber thermischer Behandlung als OH Defekte. Die Kenntnis beider Charakteristika (OH Defekte und Schmelz/Mineral-Einschlüsse) erlaubt Rückschlüsse auf die ursprüngliche Kristallisation und spätere Überprägung einzelner Quarzkörner. Auf diese Weise tragen Quarzkörner eine Menge an Informationen über ihre geologische Vergangenheit und haben daher ein großes Potential für die Provenance-Analyse sedimentärer Körner. Außerdem liefern sie wertvolle Hinweise auf geologische Prozesse im Liefergebiet, selbst wenn die eigentlichen Gesteine seit langem erodiert und abgetragen sind. Das Quarz-Monitor Forschungsprojekt untersucht die intrinsischen chemischen Variationen von detritischem monokristallinem Quarz und seinen (Mineral- und Schmelz-) Einschlüssen als innovatives Werkzeug zur Provenance-Analyse. Ziel dieses Projektes ist es, eine erste umfassende Datenbasis von OH Defekten in detritischem Quarz aus ausgewählten Sedimentsystemen zu generieren, die als Modellsysteme für andere Lokalitäten weltweit verwendet werden können. Dabei soll die Anwendbarkeit und die Grenzen von OH Defekten und Spurengehalten an Metallionen als Monitor für sedimentäre Prozesse und Provenance-Analyse in großem Rahmen von Quelle bis zur Senke getestet werden. Das Probenmaterial soll aus bestehenden offshore Bohrungen und laufenden IODP Expeditionen ausgewählt werden und durch Referenzmaterial vom Festland ergänzt werden. Die wichtigsten Analysemethoden sind Fourier-Transform Infrarot (FTIR) Spectroskopie, Sekundärionen Massenspektrometrie (SIMS) und Elektronenstrahl-Mikrosonde (EPMA). Ergebnisse dieses Projektes sollen dazu beitragen, die Entwicklung verschiedener Beiträge in großen Sedimentsystemen hinsichtlich Herkunft und Mischungsverhältnissen von verschiedenen Gesteins- systemen (metamorph, magmatisch und umgelagertes Sedimentmaterial) zu verstehen. Es ist zu erwarten, dass Quarz als Hauptbestandteil die Mischungsverhältnisse der verschiedenen beitragenden Quellen besser widerspiegelt als die nur untergeordnet vorkommenden Schwerminerale und Altersspektren von Zirkonen.

OH-Defekte in Quarz-Körnern (im folgenden "Defektwasser") wurden an 6 Sedimentproben untersucht, eine vom unteren Amazonas, 2 von andinen Zuflüssen (Solimões, Madeira) und 3 Schild-Zuflüssen (Tapajs, Xingu, Rio Negro). Die IR-Spektren und das daraus berechnete Defektwasser sind in allen Proben ähnlich und dominiert von AlOH. Das durchschnittliche Defektwasser hat höhere Gehalte in den Quarzen der andinen Proben als in den Proben vom Schild. Niedrige Durchschnittswerte für Defektwasser basieren dabei auf einer größeren Fraktion Wasser-armer Körner. Zusammengenommen gleicht die Probe vom unteren Amazonas eher den Proben mit Herkunft aus den Anden, könnte aber Beimengungen von der Schild-Komponente haben. Da jedoch die Signaturen von Anden und Schild eine starke Überlappung zeigen, ist eine eindeutige Zuordnung zu einer der Quellen unmöglich. Dieses Ergebnis ist eher unerwartet, da sich in einer ähnlichen Fallstudie aus Europa (alter skandinavischer Untergrund gegenüber "jungem" Varistikum) der Defektwassergehalt um eine Größenordnung unterscheidet. Überraschenderweise war der deutlichste Unterschied der 6 Sedimente die Häufigkeit von Fluideinschlüssen (bisher eher als unzuverlässiger Marker angesehen), welche in den Quarzkörnern von Solimões deutlich häufiger vorkommen als in den Proben vom Schild. Die Körner der Probe vom unteren Amazonas liegen irgendwo dazwischen, was wieder darauf hinweist, dass die Probe vom unteren Amazonas eine Mischung aus andinen und Schild-Komponenten ist. Das molekular Wassersignal selbst zeigt subtile (aber signifikante) Variationen, was vermuten lässt, dass eine Unterscheidung von Körnern unterschiedlicher Quellen über diesen Parameter prinzipiell möglich ist; Versuche zur Anwendung für die Herkunfts-Analyse ergaben aber keine überzeugenden Resultate. Die mit der Mikrosonde bestimmten Spurenelementgehalte zeigen - sofern überhaupt nachweisbar - eine unspezifische Streuung für alle messbaren Elemente in allen Proben. Die mit der Ionensonde (SIMS) bestimmten Spurenelemente zeigen eine Korrelation zwischen Li und Al in allen Sedimentproben; erkennbare Korrelationen können für die Paare Al - Ti und Li - Ti beobachtet werden, und in manchen Proben auch für Li - B und B - Al, aber die Unterschiede zwischen den Proben sind zu klein, um als Werkzeug für die Herkunfts-Analyse verwendet werden zu können. Die Absolutgehalte der Spurenelemente und die Spurenelement-Verhältnisse der verschiedenen Sedimentproben zeigen eine starke Überlappung, was eine eindeutige Zuordnung einzelner Körner im unteren Amazonas zu einer bestimmten Quelle unmöglich macht. Nach kritischer Betrachtung aller Resultate, kann man zusammenfassend sagen, dass (1) sich die Quarzkörner der unterschiedlichen Quellen des unteren Amazonas sehr ähneln, (2) das Sediment des unteren Amazonas wahrscheinlich substanzielle Beiträge von den Anden und Schild-Komponenten enthält, und (3) das molekulare Wassersignal ein wertvolles Werkzeug zur Unterscheidung von Quarzen der Anden und des kontinentalen Schildes sein könnte.