Zweijahresbericht 2004/2005 - Bibliothek - GFZ

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Abb. 4.5: Experimentell bestimmte Li-Isotopen Fraktionierung
zwischen Klinopyroxen und Fluiden (LiCl-, und
LiOH-Fluiden) aufgetragen gegen die inverse Temperatur.
Die Größe der Fraktionierung ist gleich bei Verwendung
von schwach basischen und chloridischen Fluiden, was
dafür spricht, dass energetisch ähnliche Li-Wasser-Cluster
in diesen Fluiden bei den experimentellen Bedingungen
vorliegen (Wunder et al., 2006).
Experimentally determined Li-isotopic fractionation between
clinopyroxene and fluid (LiCl-, and LiOH-fluid) versus
the inverse temperature. The value of fractionation is
identical for using the weakly basic and chloridic fluid,
which indicates that energetically not different Li-water
cluster exist in these fluid at the conditions of the experiments
(Wunder et al., 2006).
von Bor und Lithium ins Fluid, die leichten Isotope in die
Festkörper fraktionieren. Zudem nimmt die Stärke der
Fraktionierung mit zunehmender Temperatur ab. Das
bedeutet für die Natur, dass das aus einer subduzierten
Platte freiwerdende Fluid, z. B. durch den kontinuierlichen
Zerfall von Li, B-haltigen Glimmer, an 11 B und 7 Li angereichert
ist. Mit zunehmender Tiefe wird auf Grund von
Rayleigh-Fraktionierung das Fluid, das dem Slab entweicht,
kontinuierlich leichter. Wenn solche Fluide dann
unverändert durch den Mantelkeil bis in Bereiche der
Magmenbildung aufsteigen, erkennt man diese Slab-Signatur
in den Inselbogenmagmen wieder. Da Mantelminerale
das im Fluid gelöste Bor nur in sub-ppm-Mengen aufnehmen,
bleibt die isotopische Slabsignatur (Abnahme der
11 B/ 10 B-Verhältnisse und der absoluten B-Gehalte mit der
Tiefe) beim Aufstieg durch den Mantelkeil erhalten. Im
Gegensatz zu Bor besitzt Lithium auf Grund der nahezu
identischen Ionenradien von Mg und Li eine deutlich
höhere chemische Affinität sich in Mantelminerale wie
Olivin oder Pyroxenen einzubauen. Li-haltiges Fluid, das
aus einem Slab entweicht, wird demnach mit dem Mantelgestein
reagieren und das Fluid wird sich bezüglich der
Li-Isotopie, wie experimentell festgestellt, verändern. Das
führt dazu, dass die typische Slab-Signatur für Li-Isotope
verloren geht. Dieses unterschiedliche Verhalten von Bor
und Lithium führt somit zu einer Entkopplung ihrer chemischen
Kreisläufe.
Die Fraktionierung von Brom, Bor sowie der Borund
Chlor-Isotope zwischen koexistierenden fluiden
Phasen in Hydrothermalsystemen
Geologische Fluide bestehen typischerweise nicht aus reinem
H 2O sondern enthalten signifikante Mengen an gelösten
Stoffen. Neben CO 2, CH 4 und verschiedenen Stickstoff-
und Schwefelspezies bestimmen insbesondere
gelöste Salze wie NaCl oder KCl die physikochemischen
Eigenschaften dieser Fluide. Im reinen H 2O-System ist die
Koexistenz zweier fluider Phasen (Dampf und Flüssigkeit)
und damit eine Fluidentmischung auf Druck- und Temperaturbedingungen
unterhalb des kritischen Punktes von
reinem H 2O beschränkt (22,1 MPa/374 °C). In H 2O-Salz-
Systemen dehnt sich jedoch das 2-Phasenfeld, in dem zwei
fluide Phasen mit unterschiedlichen physikochemischen
Eigenschaften koexistieren, zu deutlich höheren Druckund
Temperaturbedingungen aus. Hohe Temperaturen bei
niedrigen Drücken begünstigen dabei in diesen Systemen
eine Fluidentmischung. Solche Druck-Temperaturbedingungen
sind ganz typisch für Hydrothermalsysteme, wie
sie sich an Mittelozeanischen Rücken, in vulkanischen
Systemen und um flach intrudierte Plutone entwickeln.
Die Hydrothermalsysteme an den Mittelozeanischen
Rücken verzahnen dabei die Chemie der Ozeane mit der
des Mantels und der ozeanischen Kruste während solche
in vulkanischen Systemen, die von meteorischen oder ozeanischen
Fluiden gespeist werden, eine effiziente Kühlung
der vulkanischen Systeme darstellen und ökonomisch
wichtige Geothermalsysteme bilden können. Hydrothermalsysteme
um flach intrudierte Plutone sind maßgeblich
an der Entstehung von Erzlagerstätten wie des Porphyry
Copper oder epithermalen Typs beteiligt. Die Bestimmung
der Herkunft und Zusammensetzung der fluiden Phasen
in geologischen Systemen ist demnach nicht nur von geochemischem
sondern auch ökonomischem Interesse. Da
in diesen Hydrothermalsystemen Fluide ihre physikochemischen
Eigenschaften nicht nur durch Mischung mit
anderen Fluiden oder durch Wechselwirkungen mit den
sie umgebenden Gesteinen verändern können, sondern
auch durch Fluidentmischung, ist es wichtig, das geochemische
Verhalten potentieller geochemischer Fluidtracer
während einer Fluidentmischung zu kennen.
Potentielle Tracer in fluidgesteuerten bzw. fluiddominerten
Prozessen sind Bor mit seinen beiden Isotopen 11 B und
10 B und die Halogene Chlor mit seinen Isotopen 37 Cl und
35 Cl und Brom. Allerdings ist ihr Verhalten in fluidentmischenden
Hydrothermalsystemen nur unzureichend bekannt.
Um dieses Verhalten zu untersuchen, wurde ihre
Fraktionierung zwischen koexistierenden fluiden Phasen
experimentell bestimmt. Die Experimente wurden in einem
großvolumigen Hydrothermalautoklaven entlang von Isothermen
durchgeführt. Dieser Autoklav ermöglicht eine
quasi-isobare Beprobung der koexistierenden fluiden Phasen.
Die Fraktionierung von Bor und seiner Isotope 10 B
und 11 B sowie der Chlor-Isotope 35 Cl und 37 Cl wurde im
Zweijahresbericht 2004/2005 GeoForschungsZentrum Potsdam