Zirkontypologie
7.1 Grundlagen
Vom Fachbereich Geowissenschaften der Universität Bremen (PD Dr. J. Jacobs) wurde dem geologischen Institut der RWTH Aachen bereits angereicherte Schwermineralkonzentrate überlassen. Nach optischer Begutachtung der Qualität der Konzentrate und der darin enthaltenen Zirkone wurden 12 Proben zur weiteren Zirkontypisierung unter dem Rasterelektronenmikroskop (REM) vorgesehen.
7.1.1 Zirkontypisierung nach PUPIN
Das Neso-Silikat Zirkon Zi(SiO4) gehört in magmatischen Gesteinen zu den allerersten Ausscheidungsprodukten der Schmelze (HOPPE 1963) und gilt als eines der häufigsten akzessorischen Minerale überhaupt. Die Tracht, die Ausbildung der Kristallflächen also, hängt hierbei direkt von den herrschenden physikochemischen Parametern ab.
Abb.7-1: Die tetragonale Ausbildung eines Zirkonkristalls. Nach dem Typisierungsdiagramm von PUPIN (1980) könnte für den Zirkon der Abbildung der Typ S20 festgelegt werden. Da zudem die steile Pyramide (301) vorhanden ist, kann für obiges Beispiel der Subtyp SC20 konstatiert werden.
Der Zirkon gehört zur ditetragonal-bipyramidalen Kristallklasse (4/m 2/m 2/m) an. Tetragonale Prismen und Pyramiden bilden also die wesentlichen Flächenformen: ein Zirkonkristall ist in der Regel aus den zwei tetragonalen Prismen (100) und (110), der tetragonalen Bipyramide (101) und schließlich der ditetragonalen Bipyramide (211) aufgebaut. Daneben gibt es noch weitere Flächen, die eine genauere Klassifikation zulassen, aber keine weitere Berücksichtigung im Klassifikations-Diagramm von PUPIN finden:
Abb.7-2: Das PUPIN-Diagramm (1980) zur Indizierung der Zirkon-Tracht, modifiziert nach FINGER & HAUNSCHMID (1988), indem in der Natur nicht auftretende Formen weggelassen worden sind.
Die Nebentypen werden durch die Relation der beschriebenen Flächenformen bestimmt. Aber auch weitere Flächentypen, die den jeweiligen Haupttyp weiter modifizieren, können entsprechend angegeben werden. So ist zum Beispiel die steile Pyramide (301) auch noch recht häufig und wird bei der Klassifikation als "C" verzeichnet. Für die weiteren, hier mit abnehmender Häufigkeit angeführten Pyramiden (112), (321), (311) und (511) sind die Buchstaben Z, Y, W und X reserviert. Ein Basispinakoid (001) wird schließlich mit einem Stern "*" kenntlich gemacht. Da diese weiteren Flächentypen allerdings entsprechend selten sind und den Haupttyp und damit in der PUPIN-Klassifikation keine Berücksichtigung erfahren, wurden diese hier außer Acht gelassen.
Die Kombination der zuvor genannten vier wichtigsten Flächenformen bildet die Grundlage der PUPIN-Klassifikation (PUPIN et. al. 1978 und PUPIN (1980)). Insgesamt konnte PUPIN dreißig Haupttypen unterscheiden, von denen der sogenannte S-Typ der wichtigste ist. Er ist im Trachtdiagramm mit 25 Subtypen vertreten.
Die eigentliche Interpretation
dieser Flächenkombinationen beginnt, wenn man die Ausbildung der Prismenflächen
nach PUPIN & TURCO (1972) mit einer Magmentemperatur korreliert: bei steigender
Temperatur wächst die Dominanz des (100)-Prismas gegenüber dem (110)-Prisma.
Dies ist der T-Index.
Die Ausbildung der Prismenflächen steht nach PUPIN
(1980) in direktem Zusammenhang mit den physikochemischen Bedingungen
der Schmelze: Mit zunehmender Temperatur wird die Bildung des (100)-Prismas
begünstigt, während sich das (110)-Prisma eher bei niedrigeren Temperaturen
bildet: bei etwa 600°C soll demnach nur das (110)-Prisma wachsen, während
bei ungefähr 900°C nur das (100)-Prisma wächst. Natürlich
kann auch auf diese Art entschieden werden, ob die Kristallisierung über
einen kurzen oder längeren Zeitraum hinweg stattgefunden hat: so lassen
sich bei lang andauernder Kristallisation meist typische Entwicklungsreihen
bei der Ausbildung der Prismenflächen aufzeigen. In Abbildung 7-3 lassen
sich derartige Entwicklungspfade für verschiedene granitoide Gesteine ablesen.
Die Dauer der Kristallisation wiederum lässt auf den Wasserhaushalt der
Schmelze schließen: Zirkone kristallisieren in der Regel als ausgesprochene
Frühkristallisate und in trockenen Schmelzen. Bei Schmelzen, in den Wasser
angereichert ist, kann sich dies jedoch auch über einen längeren Zeitraum
hinziehen.
Die Ausbildung
der Pyramidenflächen lässt sich mit dem Chemismus der Schmelze korrelieren:
wenn das Verhältnis der Alkalien zum Aluminium zunimmt, so wird bevorzugt
die (101)-Pyramide ausgebildet. Das Verhältnis Na2O + K2O / Al2O3 wird
als A-Index bezeichnet.
Al-reiche Magmen fördern ein Wachstum der (211)-Pyramide, während
demgegenüber eine hohe Alkalinität, und hier vor allem hohe Natrium-
und Kalium-Gehalte, der Entwicklung der (101)-Pyramide entgegen kommt. Eine
hohe Alkalinität spricht in erster Linie für eine Schmelze, die aus
Mantelmaterial generiert worden ist, während ein Al-Reichtum für eine
anatektische Aufschmelzung kontinentaler Kruste spricht. Eine gewisse Bandbreite
beim A-Index nehmen schließlich subalkalische Schmelzen ein, die PUPIN
(1980) entsprechend in seinem mean point-Diagramm als "hybride Schmelze"
bezeichnet.
Letztlich lassen sich nach BÜCKSTEEG
(1993) auch die Gehalte an Vanadium, Kobalt, Nickel und Zirkon im Magma
mit dem T-Index positiv korrelieren.
Abb.7-3: Die von PUPIN (1980) entwickelten Trachtentwicklungspfade für Zirkonpopulationen verschiedener granitoider Gesteine: 1-3: Pfade für Gesteine krustaler Aufschmelzung; 4a-4c: hybride, kalkalkalische Granite; 5: subalkalische Granite; 6: alkalische Granite; 7: tholeiitische Manteldifferentiate sowie magmatische Charnockite (Ch). Mu = Grenze für muskovit-führende Granite (I.T. < 450).
Vor allem SCHERMAIER et. al. (1992) haben sich darum bemüht, die klassische Einteilung granitoider Gesteine nach CHAPPEL & WHITE (1974) in S- und I-Typ mit der Typisierungsmethode von PUPIN zu verknüpfen. Danach zeigen S-Typ-Granite Entwicklungspfade, die von PUPIN entsprechend als "granites of crustal or mainly crustal origin" bezeichnet werden. I-Typ-Granite zeigen ferner Pfade der "granites of crustal and mantle origin" sowie die M-und A-Typ-Granite (EBY 1992) der "granites of mantle or mainly mantle origin":
Abb.7-4: Die von SCHERMAIER et. al. (1992) abgegrenzten Bereiche für Granitoide nach S-, I-, M- und A-Typ.
Im bereits genannten "mean point-Diagramm" werden die Durchschnittswerte der T- und A-Indices angegeben. Diese Durchschnittswerte sind wie folgt definiert:
Das Diagramm ermöglicht schließlich den Vergleich verschiedener Zirkon-Populationen und die Zuordnung zu den zuvor beschriebenen Pfade.
7.1.2 Die Typisierung an Streupräparaten
Auch anhand von Streupräparaten
sind eine Reihe von Aussagen zur Genese der Zirkone bzw. zu den physikochemischen
Bedingungen der Schmelze möglich. Fest etabliert hat sich zum Beispiel
das Auswerten der Längen-Breiten-Verhältnisse an Zirkonen. Diese Methode
wurde von POLDERVAART
(1955, 1956)
eingeführt. Er beschreibt eine Varianz dieser Verhältnisse in Abhängigkeit
vom Gesteinstypus bzw. vom Ursprung des Gesteins. Bei einem Elongationsverhältnis
von L/B = 2 setzt er eine Grenze und stellte fest, dass Zirkone sedimentärer
Gesteine bzw. ihrer anatektischen Produkte diese Grenze meist unterschreiten,
während es bei granitoiden Gesteinen offenbar zu einem Übersteigen
dieser Grenze kommt. Selbst bei metamorpher Überprägung bis in die
untere Amphibolit-Fazies sollen sich die Elongationswerte nicht verändern,
so dass auch bei metamorpher Überprägung Rückschlüsse auf
das Edukt möglich sind.
Natürlich sind auch solche Interpretationsansätze, wenn auch oft und
gerne benutzt, mit Vorsicht zu genießen, da Fehlerquellen wie zum Beispiel
eine Kontamination mit magmenfremden Zirkonen nie völlig auszuschließen
sind. Für eine ausführliche Beschreibung solcher Interpretationsansätze
sei vor allem auf die Arbeit von HOPPE
1963 verwiesen.
Die Elongationsverhältnisse
und damit ein wichtiges Merkmal des Kristallhabitus wurde bei den untersuchten
Proben durch Messen von jeweils etwa 100-125 unzerbrochenen Körnern ermittelt.
Die Länge des Kristalls soll hierbei die größte Ausdehnung parallel
zur c-Achse und die Breite die entsprechend senkrecht dazu stehende Ausdehnung
des Kristalls sein.
Zu den jeweilig ermittelten mittleren Längen-Breiten-Verhältnissen
wurden die entsprechenden angegebenen Standardabweichungen nach folgender Formel
berechnet:
| Standardabweichung StdDev = |  |
Zur Beschreibung des Habitus werden folgende Begriffe und ihre entsprechende Korrelation bei den einzelnen Elongationsklassen benutzt:
Tab.7-1: Korrelation
zwischen Elongation und Habitusansprache:
| Habitus |
gedrungen
|
säulig
|
stängelig
|
nadelig
|
|||
|
kurz-
|
lang-
|
kurz-
|
lang-
|
kurz-
|
lang-
|
||
| Elongation |
1,0-1,5
|
bis
2,0
|
bis
2,5
|
bis
3,0
|
bis
4,0
|
bis
6,0
|
>
6,0
|
Bei der Farbe zeigt Zirkon in der Regel eine mehr oder weniger durchscheinende bis völlig transparente Farbe. ZIMMERLE (1972) stellt zwar fest, dass rötliche Zirkone durchaus Anzeichen präkambrischen Ursprungs sein könnte, doch wird diese Meinung nicht von allen geteilt. Deutlich rot gefärbte Zirkone, wie von ZIMMERLE beschrieben, waren bei den Proben der vorliegenden Arbeit nicht zu erkennen bzw. nur in Einzelfällen vorhanden, aber eben keineswegs typisch für eine der untersuchten Populationen. Die meisten Proben zeigten denn auch eine durchscheinende bis transparente, manchmal auch auffällig gelbliche Färbung.
Einige Proben (zum Beispiel der Graue Gneis 17.01.00/2) zeigen jedoch auch eine deutlich dunkle Färbung. Solche dunklen Farben dürfen als Zonen einer radioaktiv bedingten Gitterzerstörung interpretiert werden, die als Metamiktisierung bekannt ist: Durch den diadochen Einbau der radioaktiven Elemente Hafnium, Uran, Strontium und Thorium kann es zu dieser Gitterzerstörung kommen, die sich auch an Rissen an der Kristalloberfläche bemerkbar machen kann, und im finalen Stadium schließlich zur Sprengung und völligen Zerstörung des Kristalls führen kann. Diese Metamiktisierung machte eine Untersuchung des internen Aufbaus der Zirkone teilweise sehr schwierig, da dieser Prozess mitunter schon weit fortgeschritten war und gerade die Kerne von vielen Körnern aufgrund dessen kaum mehr in ihrem Internaufbau näher zu untersuchen waren.
Die zirkontypologisch untersuchten Proben lassen sich in drei Lithogruppen untergliedern:
> Granite, repräsentiert durch die Probe 31.12.99/2
> Gneise, repräsentiert durch neun Proben
> Migmatische Gesteine i.w.S., hierzu wurden auch die Diatexite und Leukosome gezählt. Repräsentiert durch sieben Proben.
Nachfolgend ein Überblick über die zirkontypologisch untersuchten Proben sowie einiger wichtiger Parameter: Bei den angegebenen Typen nach PUPIN (1980) handelt es sich um die jeweils am häufigsten auftretenden Trachttypen. Die mean points sind demgegenüber in gesonderten Diagrammen gezeigt.
Tab.7-2: Übersicht
über die ermittelten Mittelwerte der L/B-Verhältnisse und die dazugehörigen
Standardabweichungen für zirkontypologischen Proben. Abkürzungen:
GVF = Gjelsvikfjella, MHG = Mühlig Hofmann-Gebirge. Bei fehlenden Angaben
des PUPIN-Typs liegen nur Untersuchungen der Streupräparate vor.
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