5.1 Granatchemie und chemische Zonierung in den Granaten

Die chemische Zonierung im Granat entsteht aufgrund seiner langsamen Diffusions-Kinetik, wobei zwischen einer Wachstums- und einer Diffusionszonierung unterschieden werden muß. Ändern sich während des prograden Wachstums des Granates die externen Bedingungen wie chemische Zusammensetzung des Gesteins, Mineralparagenese oder Druck und Temperatur, paßt sich der Granat im Bezug auf seine Zusammensetzung den jeweils herrschenden Gleichgewichtsbedingungen an. Es entsteht eine Wachstumszonierung. Granat baut im Bezug auf andere Phasen bevorzugt Mn ein, aus diesem Grund ist die Spessartinkomponente im Anfangsstadium des Wachstums besonders hoch (Spear 1993). Solange am Metamorphosehöhepunkt die Temperatur von 650° nicht überschritten wird, bleibt aufgrund der noch geringen Diffusionsgeschwindigkeit eine Wachstumszonierung weitgehend erhalten. Erst bei Temperaturen über 700°C equilibriert der Granat vollständig, so daß die Wachstumszonierung, und somit die prograden Informationen verloren gehen (Spear 1989, Weyer 1995).

Bei der retrograden Metamorphose bildet sich im Granat eine Diffusionszonierung, die ebenfalls wie die Wachstumszonierung von den externen Bedingungen abhängig ist. Dabei handelt es sich jedoch nicht um Mineralreaktionen, sondern um einen Stoffaustausch, der durch chemische Diffusion gesteuert wird. Vom Rand zum Kern hin kommt es durch Diffusion zu einer kontinuierlichen Anpassung der chemischen Zusammensetzung an die sich verändernden P-T-Bedingungen, die den Kern jedoch nicht erreicht, da der Stofftransport durch die langsame Kinetik des Granates eingeschränkt wird. Mit abnehmenden Temperaturen verringert sich die Diffusionsgeschwindigkeit, somit bildet sich im Randbereich des Granates ein kontinuierliches, chemisches Diffusionsprofil (Spear 1989, Weyer 1995).

5.2.1 Granat

Die analysierten Granate zeigen eine deutliche Zonierung von Ca, Mg, Mn und Fe. Fe, bzw. die Almandinkomponente weist die höchste Konzentration auf, es handelt sich also um deutlich almandinbetonte Granate. Die Almandinkonzentration steigt vom Kern zum Rand hin an und weist, relativ zu ihrer Gesamtkonzentration gesehen, eine nur geringe Zonierung auf. Die Konzentrationen steigen dabei vom Kern zum Rand um ca 16 Mol-% an (siehe Abb. 5-1). Ca, bzw. die Grossularkomponenete, ist vom Kern zum Rand hin abnehmend zoniert. Mg, bzw. die Pyropkomponente verhält sich reziprok zu Ca, vom Kern zum Rand hin nimmt die Konzentration zu. Mn, bzw. die Spessartinkomponente liegt in einer glockenkurvenähnlichen Zonierung vor. Vom Kern zum Rand hin nimmt die Konzentration relativ schnell ab, erreicht dann ein Minimum, um zum äußersten Rand hin häufig wieder leicht anzusteigen.

Abb. 5-1: Profil durch Granat Nr 1 in der Probe 93 T 131 der Kernschiefer-Serie. Werte im Anhang Minerale 131 Granate Nr. 68 bis 79 (von links nach rechts).

Wie in Abb. 5-2 ersichtlich nimmt das Verhältnis Fe/(Fe+Mg) [ = xFe]vom Kern zum Rand hin ab.

Abb. 5-2: Verhältnis Fe/(Fe+Mg) im Granatprofil Nr 1, es handelt sich um die gleichen Meßpunkte wie in Abb. 5-1

Wie in Abb. 5-3 ersichtlich, nimmt mit abnehmenden Mn-Gehalt der Mg-Gehalt zu. Bei prograder Metamorphose steigen die Temperaturen, dadurch wird im Kristallsystem des Granates zunehmend Mg eingebaut. Die Punkte in der Abb. 5-3, die einen hohen Mn-Gehalt, bei gleichzeitig niedrigem Mg-Gehalt aufweisen, stellen Kernzusammensetzungen dar, die bedingt durch den relativ niedrigen Mg-Gehalt bei geringeren Temperaturen equilibrierten, als die Punkte mit relativ geringen Mn- und höheren Mg-Gehalten, die Randzusammensetzungen widerspiegeln. Es muß jedoch zwischen den einzelnen Proben unterschieden werden, deren absolute Mn- und Mg-Gehalte unterschiedlich sind, die aber die gleiche Gesetzmäßigkeit aufweisen.

Abb. 5-4: Elementverteilungsbild in Granat Nr. 2 in der Probe 131. Bei dem Einschluß der in der Ca-Verteilung zu sehen ist, handelt es sich um Epidot.

Das in Abb. 5-4 dargestellte Elementverteilungsbild zeigt eine deutliche Zonierung der Elemente Mg, Ca, und Mn, während die Zonierung bei Fe etwas schwächer ausgeprägt ist. Die Abnahme des Mn-Gehalte vom Kern zum Rand ist auf eine Wachstumszonierung zurückzuführen, während der Mn-Anstieg im äußersten Randbereich auf Diffusion am thermischen Höhepunkt hinweist. Die Zunahme des Spessartin-Gehaltes ist jedoch nicht bei allen gemessenen Granaten ausgeprägt. Viele Granate zeigen auch ein kontinuierliches Abnehmen des Mn-Gehaltes vom Kern zum Rand, wie es in Abb. 5-5 und Abb 5-6 ersichtlich wird. Mg zeigt eine kontinuierliche Zunahme vom Kern zum Rand, dies spricht für ein progrades Kristallwachstum. Inwieweit der Mg-Anstieg im Randbereich durch Diffusion hervorgerufen wurde, kann in dieser Arbeit nicht geklärt werden. Der Ca-Gehalt (Abb. 5-1) bildet vom Kern zum Rand hin ein kontinuierliches Plateau, um im direkten Randbereich abzunehmen, auch hier scheint eine Diffusionszonierung vorzuliegen. Der Fe-Gehalt zeigt einen leichten Anstieg zum Rand hin, was auch auf Diffusion zurückzuführen ist.

Abb: 5-5. Profil in Granat Nr. 3 in der Probe 131. Werte im Anhang Minerale 131 Granate Nr. 91, 90, 89, 88, 87 und 81 (von links nach rechts).

Abb. 5-6: Profil in Granat Nr. 4 in der Probe 131. Werte im Anhang Minerale 131 Granate Nr. 40, 44, 48, 52, 50, 46 und 42 (von links nach rechts).

Abb. 5-7: Profil in Granat Nr. 2 in der Probe 131. Es handelt sich um den Granat, der im Elementverteilungsbild in Abb. 5-4 dargestellt ist. Werte im Anhang Minerale 131 Granate Nr. 86, 84, 83 und 82 (von links nach rechts).

5.2.2 Biotit

Das Verhältnis Fe/(Fe+Mg) zeigt wie in Abb. 5-8 dargestellt keine große Variation, was damit zusammenhängen könnte, daß die Biotite am thermischen Höhepunkt equilibrierten und es so zu einer gleichmäßigen Verteilung von Fe und Mg innerhalb der Mineralkörner kam. Die x_Fe-Homogenisierung wird bei ca 600°C durch Diffusion im Biotit sehr schnell erreicht (Spear 1993). Obwohl alle Proben aus einer Einheit stammen, läßt sich doch erkennen, daß die einzelnen Proben innerhalb des Diagrammes verschiedene Schwerpunkte in Bezug auf das Verhältnis Fe/(Fe+Mg) = x_Fe bilden. Mit zunehmendem Druck wird im Tetraeder des Biotits weniger Al, dafür mehr Si eingebaut. Auch in Bezug auf den AlIV-Gehalt weisen die verschiedenen Proben der pelitischen Kernschiefer unterschiedliche Schwerpunkte im Diagramm Abb. 5-8 auf.

5.2.3 Feldspat

Die chemischen Analysen der Feldspäte zeigen, daß es sich fast ausnahmslos um Oligoklase handelt. Der Kaliumgehalt in den Messungen war so gering, daß der Kalifeldspat-Gehalt in den meisten Proben um 0.5 Mol-% beträgt. In der Probe 93 T 148 und 93 T 129 gibt es Analysenpunkte, die als reine Albit anzusprechen sind. Es handelt sich hierbei um Albit-Porphyroblasten, die zwischen der D2-Kompression und der D3-Extension entstanden (Hetzel 1995).

5.2.4 Hellglimmer

In dem Diagramm in Abb 5-11 sind die Hellglimmeranalysen in die Endglieder Muskovit KAl₂[(OH)₂/Si₃AlO₁₀] und Paragonit NaAl₂[(OH)₂/Si₃AlO₁₀] aufgeteilt. Zwischen Muskovit und Paragonit besteht eine Mischungslücke, die sich zu höheren Temperaturen hin verschmälert (Abb. 5-12).

Der durchschnittliche Si-Gehalt einer doppelten Formeleinheit liegt bei 6.17.

In dem Diagramm 5-13 wurde der Ti-Gehalt und der Si-Gehalt einer doppelten Formeleinheit gegeneinander geplottet. Ti wird im Oktaeder des Hellglimmer eingebaut, deutlich ist eine Schwerpunktbildung der einzelnen Proben innerhalb der pelitischen Kernschiefer zu erkennen. Mit zunehmenden Temperaturen wird im Oktaeder vermehrt Ti eingebaut.

In dem Diagramm in Abb 5-14 ist die Tschermak Substitution der Hellglimmer dargestellt. Die Tschermak Substitution erfolgt im Hellglimmer nach dem Schema: Si₆Al_6Õ Si₇Al_4Õ Si₈Al₂, und ist in dem Diagramm als Linie eingezeichnet. Wie in dem Diagramm zu erkennen ist, liegen die meisten Analysenpunkte auf, oder knapp unter der Linie, was auf den Einbau von Fe³⁺ und anderer Kationen in das Oktaeder schließen läßt.

5.2.5 Weitere Phasen in den Kernschiefern

Die Phasen Staurolith, Turmalin, Rutil Ilmenit und Al₂SiO₅ weisen keine Abweichung von den typischen Formeleinheiten auf. Die Formeleinheiten der Phasen können im Anhang nachgelesen werden.

Eine Besonderheit bilden Rutile, die von Ilmenit umwachsen werden, wie schon im Kapitel 2.2 beschrieben. Die Abb. 5-15 zeigt ein BSE-Bild eines Rutil-Illmenit-Aggregates. Die hellen Bereiche stellen schwere Elemente, die dunklen Bereiche leichtere Elemente dar. Demnach handelt es sich bei den hellen Bereichen um FeTiO₃, bei den dunklen Bereichen um TiO₂.

5.3.1 Granat

In den koronar auf Biotit gewachsenen Granaten ist keine systematische Zonierung vorhanden (siehe Abb. 5-16). Die Spessartin-Gehalte liegen im Bereich zwischen 5.1 und 9.4 Mol-%, eine glockenförmige Verteilung von Kern zu Rand ist nicht gegeben. In einem analysierten Granat liegt der Mn-Gehalt sogar höher als im Kern. Wie im Kapitel 2.2 beschrieben, besitzen die Granate eine geringe Größe und weisen einen skelettären Habitus auf. Aufgrund dieses Wachstums haben sich vermutlich keine typischen Zonierungen entwickelt. Wie in den Proben der pelitischen Kernschiefer handelt es sich um almandinbetonte Granate, die durchschnittliche Almandin-Komponente beträgt 71.2 Mol-%.

Wie in Abb. 5-17 dargestellt, besteht in den Biotiten des Birgi Metagranits keine große Variation im Fe-Mg-Verhältnis. Der mittlere xFe-Wert beträgt 0.54, auch hier scheint Biotit wie in den pelitischen Kernschiefern am thermischen Höhepunkt rekristallisiert zu sein. Zwischen den Kernanalysen und Randanalysen läßt sich kein systematischer Zusammenhang feststellen.

Wie in Abb. 5-18 dargestellt, plotten sämtliche Feldspäte im Bereich der Oligoklaszusammensetzung. Mit Ausnahme einer Analyse beträgt der Orthoklasgehalt der einzelnen Proben zwischen 0.9 und 1.6 Mol-%. Der einzelne Maximalwert beträgt 8.9 Mol-%. Wie in Kapitel 2.2 dargestellt, handelt es sich bei den Plagioklasen um magmatische Kristalle, Kern- und Randzusammensetzungen weisen keine einheitliche Systematik auf, eine Zonierung liegt also nicht vor.

Die Paragonit-Gehalte in den Hellglimmern des Birgi weisen keine starke Streuung auf, wie das in den Proben der pelitischen Kernschiefer der Fall ist. Der mittlere xNa-Wert liegt bei 0.0541, der mittlere Si-Gehalt liegt bei 6.302, jeweils bezogen auf eine doppelte Formeleinheit. Bei den Hellglimmeranalysen handelt es sich demnach um fast reinen Muskovit, der mittlere Ti-Gehalt ist fast identisch mit den pelitischen Kernschiefern und liegt bei 0.038 bezogen auf eine doppelte Formeleinheit (siehe Abb. 5-20).

In Abb. 5-21 ist erkennbar, daß sämtliche Analysenpunkte unterhalb der Linie der Tschermak Substitition liegen. Analog zu den Hellglimmern der pelitischen Kernschiefer sind auch hier im Oktaeder Fe³⁺ und andere Kationen eingebaut.

5.4.1 Granat

Abb. 5-22: Granatprofil in der Probe 94 T 60 der migmatitischen Gneise. Es handelt sich um den Granat der im Dünnschliffoto Abb. 2-15 und im Elementverteilungsbild Abb 5-26 dargestellt ist. Werte im Anhang Minerale 60 Granate Nr. 27 und 20 bis 25 (von links nach rechts).

Wie in der Abb. 5-22 dargestellt, sind die Granate der migmatitischen Gneise zoniert. In der Einheit der migmatitischen Gneise muß jedoch zwischen den idioblastischen Kern- (Grt 1) und Randbereichen und dem Anwachssaum (Grt 2) unterschieden werden (siehe Abb 2-15). Der Mn-Gehalt liegt in einer glockenförmigen Verteilung vor und nimmt von Kern zu Rand und Anwachssaum kontinuierlich ab. Der Fe-Gehalt nimmt von Kern zu Rand und Anwachssaum kontinuierlich zu, bewegt sich aber durchgehend auf einem hohen Niveau im Bezug auf Mn, Mg und Ca. Der Mg-Gehalt nimmt von Kern zum Rand hin leicht zu, fällt dann im Anwachssaum schlagartig auf Kernniveau ab. Ca verhält sich prinzipiell reziprok zu Mg. Vom Kern zum Rand nehmen die Werte leicht ab, erreichen am Rand Minimalwerte, um im Bereich des Anwachssaumes wieder schlagartig auf dreifache Kernwerte anzusteigen. Diese Zonierung spiegelt sich auch im Fe-Mg-Verhältnis wieder, wie in Abb. 5-23 ersichtlich.

Abb. 5-23: Fe/(Fe+Mg)-Verhältnis im Granatprofil der Abb. 5-22

Im Kapitel 2.2 Dünnschliffbeschreibung sind in Abb. 2-15 und 2-16 jeweils ein Granat dargestellt. In Abb. 2-15 ist um einen idioblastischen Granatkern (Grt 1) ein skelettärer Anwachssaum (Grt 2) entstanden, der Granat in Abb. 2-16 weist einen komplett skelettären Habitus auf. Die Granatchemie ist im Anwachssaum des idioblastischen Granat (Grt 1) (Abb. 2-15) nahezu identisch mit der Chemie im komplett skelettären Granat (Abb. 2-16). Der rein skelettäre Granat weist dazu keine ausgeprägte Zonierung auf, wie das im Falle des idioblastischen Granates der Fall ist. Dies wird besonders beim Vergleich der Spessartingehalte deutlich, denn im Kern des idiomorphen Granates (Grt 1) sind die Mn-Werte besonders hoch.

Tab. 5-1: Vergleich zwischen idioblastischem und skelettärem Granat in der Probe 60, alle Zahlenangaben in Mol-%

Abb. 5-24: Granatprofil in der Probe 58 der migmatitischen Gneise. Werte im Anhang Minerale 58 Granate Nr. 12 bis 15 von (links nach rechts).

Ein weiteres Granatprofil in der Einheit der migmatitischen Gneise ist in Abb. 5-24 dargestellt. In diesem Schliff sind alle Granate skelettär gewachsen, idiomorphe Granatkerne wie in der Probe 60 existieren nicht. Die Endglieder Almandin, Pyrop, Grossular und Spessartin verhalten sich ähnlich, wenn auch nicht mit so drastischen Übergängen wie in der Probe 60. Almandin befindet sich gleichmäßig auf einem hohen Niveau, der Spessartin-Gehalt ist insgesamt niedriger als in der Probe 60, liegt jedoch ebenfalls in einer schwach glockenförmigen Verteilung vor. Grossular und Pyrop zeigen die gleiche Systematik in der Verteilung wie in der Probe 60. Der Grossular-Gehalt sinkt vom Kern zum inneren Randbereich leicht ab, von 4.034 auf 3.378 Mol-%, um dann im eigentlichen Randbereich auf den dreifachen Kernwert anzusteigen (11.906 Mol-%). Pyrop zeigt auch hier ein reziprokes Verhalten zu Grossular. Vom Kern zum inneren Randbereich steigt der Gehalt, sinkt dann im eigentlichen Randbereich unter Kernniveau ab.

In der Abb. 5-24 ist das Mn-Mg-Verhältnis dargestellt. Auffällig ist, daß die Werte in der Probe 60 wesentlich weiter streuen als in der Probe 58. In dieser Darstellung gehören jedoch übereinstimmend hohe Mn-Gehalte, gekoppelt mit niedrigen Mg-Gehalten zu Kernanalysen, niedrige Mn-Gehalte mit höheren Mg-Gehalten zu Randanalysen. Dazwischenliegende Punkte markieren Analysen aus intermediären Bereichen der Granate

Noch deutlicher wird die Granat-Zonierung in dem Elementverteilungsbild in Abb. 5-26. Im Flächenscan für Ca ist deutlich der idiomorphe Kernbereich des Granates zu erkennen. Dieser idioblastische Bereich (Grt 1) wird von einem skelettärem Anwachssaum (Grt 2) mit höherem Ca-Gehalt überwachsen.

Abb. 5-26: Elementverteilungsbild in der Probe 94 T 60 der migmatitischen Gneise. Es handelt sich um den gleichen Granat der auch in den Profilen in Abb. 5-22 und 5-23 dargestellt ist (Vergleiche auch Dünnschliffoto Abb. 2-15).

5.4.2 Biotit

In Abb. 5-27 sind die Endglieder der Biotitanalysen aus der Einheit der migmatitischen Gneise dargestellt. Der mittlere xFe-Wert liegt bei 0.4293, und ist damit etwas geringer als in den Einheiten der pelitischen Kernschiefer und des Birgi Metagranits. Eine Systematik in Bezug auf Kern- und Randanalysen ist wie in den anderen Einheiten nicht möglich

5.4.3 Feldspat

Die Feldspäte liegen bis auf eine Ausnahme im Bereich der Oligoklas-Zusammensetzung, wobei die Plagioklase in der Probe 60 eine höheren Na-Gehalt aufweisen als in der Probe 58. Eine Zonierung in den Plagioklasen ist nicht gegeben, was durch jeweilige Messungen von Kern- und Randbereichen ersichtlich wurde.

5.4.4 Hellglimmer

Der xNa-Wert in den Hellglimmern der pelitischen Gneise liegt im Mittel bei 0.087, wobei die Streuung innerhalb der Probe 60 wesentlich geringer ausfällt als in der Probe 58. Bei den Punkten im Diagramm in Abb. 5-30 die zur Probe 58 gehören, handelt es sich um Matrixminerale, bis auf die vier Analysen, die direkt unter den Punkten der Probe 60 liegen (siehe Pfeil), bei denen es sich um Einschlüsse in einem Granat handelt.

Die Ti-Gehalte in den Glimmern der migmatitischen Gneise liegen bei einem Durchschnittswert von 0.111 bei einer doppelten Formeleinheit und somit um das dreifache höher als in der Einheit der pelitischen Kernschiefer und des Birgi Metagranits. In der Abb. 5-31 ist wiederum zu erkennen, daß die Analysenpunkte der Probe 58 wesentlich weiter streuen als die der Probe 60, die einen sehr kompakten Schwerpunkt im Diagramm bildet. Eine Systematik im Ti-Gehalt der Matrix- und Einschlußminerale in der Probe 58 ist nicht zu erkennen, da ein Matrixmineral einen Ti-Gehalt von 0.004, die übrigen Matrixminerale einen Ti-Gehalt zwischen 0.183 und 0.356 aufweisen. In dem Diagramm in Abb. 5-32 ist erkennbar, daß die Analysenpunkte überwiegend unterhalb der Linie der Tschermak Substitution liegen. Dies deutet auf einen Einbau von Fe³⁺ und anderer Kationen im Oktaeder hin. Die drei Analysenpunkte der Probe 58, die einen Al_ges-Gehalt von unter 4 aufweisen, stellen vermutlich Mischanalysen der Mikrosonde dar. Die Summe aller Oxide der drei Analysen wiesen zwar Werte von über 93 Gew-% auf, jedoch lagen die Al₂O₃-Werte nur zwischen 17 und 18 Gew-%. Idealerweise beträgt der Al₂O₃-Gehalt einer Hellglimmeranalyse 38.39 Gew-%.

5.5 Zusammenfassung

Die unterschiedlichen Granatzonierungen die zwischen den pelitischen Kernschiefern und den migmatitischen Gneisen bestehen, sind das wichtigste Ergebnis aus den Mikrosondendaten.

Wie in den Elementverteilungsbildern Abb. 5-4 und Abb. 5-26 zu erkennen ist, besitzt der Granat in der Probe 131 der pelitischen Kernschiefer eine kontinuierliche Wachstumszonierung von Kern zu Rand und eine Diffusionszonierung am Rand. Wachstums- und Diffusionszonierung sind besonders gut in der Mn-Verteilung zu erkennen. In den Proben 58 und 60 der migmatitischen Gneise weisen die Granate ein skelettäres Wachstum auf. Die Wachstumszonierungen sind überwiegend nicht so deutlich ausgeprägt wie in den Kernschiefern, die beiden idioblastischen Granate mit den skelettären Anwachssäumen jedoch ausgenommen. In diesen Granaten besteht im idiomorph ausgeprägten Kernbereich (Grt 1) eine deutliche Wachstumszonierung, am besten wiederum an der Mn-Verteilung zu erkennen. Der wesentliche Unterschied zu den pelitischen Kernschiefern ist jedoch der grossularreiche Anwachssaum (Grt 2) der idioblastischen Granate. Dieser Anwachssaum (Grt 2) weist einen ähnlichen Chemismus auf, wie er in den rein skelettären Granaten der Probe 60 vorhanden ist (Tab. 5-1).

Die anderen Phasen, Biotit, Hellglimmer und Plagioklas weisen zwischen den pelitischen Kernschiefern und den migmatitischen Gneisen keine signifikanten Unterschiede auf. Auffällig ist jedoch, daß sich in den pelitischen Kernschiefern eine deutliche Mischungslücke zwischen Paragonit und Muskovit gebildet hat (Abb. 5-11), die im Besonderen die Proben 129 und 88 betrifft.