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Universität Kiel Die Fakultäten Die Math.-Nat.-Fakultät Einrichtungen Institut für Geowissenschaften Metamorphe und Magmatische Petrologie
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Forschungsprofil der Arbeitsgruppe
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Bildung und Entwicklung der Kontinente
Die Kontinentale Kruste ist in geochemischer Hinsicht ein Differentiationsprodukt des Erdmantels. In der Kruste selbst finden während orogener Überprägungen wiederum Differentiationsprozesse statt, die durch Schmelzbildung zur Entstehung des lagigen Baus der Kruste beitragen. Durch Kenntnis des Aufbaus der Kruste lassen sich Rückschlüsse auf deren Genese ziehen. Da man keinen direkten Zugang zu tieferen Erdkrustenstockwerken hat, kann man diese besonders gut studieren, wenn sie durch orogene Prozesse herausgehoben und im Profil aufgeschlossen sind. Beispiele von "gekippten Krusten", die von uns untersucht worden sind:
- Kalabrien (Süditalien): varistische Kruste, mit circa 7 km mächtiger Unterkruste
- Sri-Lanka: mächtige panafrikanische Unterkruste, aus 14 bis 35 km Tiefe stammend
Man beobachtet eine mächtige granulitfazielle, von basischen Gesteinen dominierte Unterkruste. Die mittlere Kruste besteht hauptsächlich aus Granitoiden, die von niedriger metamorphen Gneisen und Schiefern der Oberkruste überlagert werden. Unsere Untersuchungen zielen darauf ab, das Zusammenspiel von Metamorphose und Differentiation der Kruste bei orogenen Überprägungen zu rekonstruieren und den zeitlichen Verlauf von Bildung und Differentiation durch isotopische Datierungen zu erfassen.
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Verfaltete Gneise der Kontinentalen Kruste
(Sandriver, Südafrika).
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Datierung metamorpher Prozesse
Die geodynamische Interpretation von Druck-Temperatur-Pfaden metamorpher Gesteine gestaltet sich vielfach schwierig. Ein vollständigeres Bild ergibt sich, wenn auch Alter und Dauer der Metamorphose bekannt sind.
In der Regel untersucht man metamorph gebildete Minerale mit isotopengeochronologischen Methoden. Geeignete Minerale für verschiedene Isotopensysteme sind z. B.
- Monazit, Zirkon, Titanit, Rutil (U-Pb)
- Granat (Sm-Nd)
- Muskovit, Biotit (Rb-Sr)
Die Minerale zeigen bei Temperaturänderung unterschiedliches Verhalten in Bezug auf Rekristallisation oder Verlust radiogener Isotope durch Diffusion. Daher können durch Altersdatierungen unterschiedlicher Minerale die verschiedenen Stadien der metamorphen Entwicklung zeitlich eingeordnet werden.
Desweiteren kann aus den Elementgehalten von Uran, Thorium und radiogen entstandenem Blei in dem Mineral Monazit ebenfalls die Bildung und Rekristallisation dieses Minerals datiert werden ("CHIME"-Datierung). Diese Methode ist besonders gut geeignet, in unseren afrikanischen Arbeitsgebieten die polyorogene Überprägung präkambrischer Kruste zu erkennen.
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Dieser Monazit (Rückstreuelektronenbild) zeigt eine ursprüngliche magmatische Wachstumszonierung und metamorph gewachsene Ränder.
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Subduktionszonenmetamorphose
Aus der Metamorphose von Gesteinen aus Paläo-Subduktionszonen können tektonische und thermische Vorgänge bei der Subduktion von Krustengesteinen ermittelt werden. Auch Änderungen in Fluid- und Elementverteilungen (siehe Fluid-Gesteins-Wechselwirkungen) untersuchen wir. Unsere Forschungsschwerpunkte sind:
| Rekonstruktion der P-T-Entwicklung der Subduktion: |
Wir untersuchen Gesteine aus dem Dora Maira Massiv (ital. Westalpen). Hier wurde Kontinentale Kruste bis in Manteltiefen von circa 100 km versenkt und erlebte dabei Ultrahochdruck (UHP)-Metamorphose. |
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| Geodynamik im Laufe der Erdgeschichte: |
Mit zunehmendem Erdalter nimmt die Häufigkeit von Subduktionszonengesteinen ab. Bis 1995 galten die Eklogite von Glenelg (Schottland) mit einem Alter von circa 1 Milliarde Jahren als die ältesten. Wir entdeckten dann in Tansania die bis heute ältesten, in einem Orogen aufgeschlossenen Eklogite (ca. 2 Mrd. Jahre). Diese lassen sich so deuten, daß bereits im frühen Proterozoikum ähnliche geodynamische Prozesse wie heute abliefen. Die Seltenheit alter Subduktionszonengesteine scheint also eher ein Erhaltungsproblem zu sein. |
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| Paläogeographische Rekonstruktion: |
Vorkommen von Subduktionszonengesteinen definieren die Lage ehemaliger Suturzonen und führen somit zum Erkennen früherer Plattengrenzen. So konnten wir beispielsweise anhand von MORB-Eklogiten aus Sambia eine Sutur zwischen dem archaischen Kalahari- und Tansania-Kraton belegen. |
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Grobkörniger Eklogit aus den ital. Alpen.
Schematischer Schnitt durch eine Subduktionszone.
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Fluide und Fluid-Gesteins-Wechselwirkungen
- Fluide in Subduktionszonen: Devolatilisierung bei der prograden Versenkung von Krustengesteinen hat entscheidenden Einfluß auf Stoffkreisläufe im System Erde. So bewirken durch Metamorphose freigesetzte Fluide aus der subduzierten Lithosphäre Aufschmelzung des Mantelkeils über der Subduktionszone und damit den Subduktionszonenvulkanismus. Das Studium von Paläosubduktionszonen erlaubt Aussagen über Mechanismen des Fluidtransportes in der subduzierten Lithosphäre und deren Auswirkungen auf die Chemie und Mineralogie der Gesteine. Somit leisten die Untersuchungen einen Beitrag zum Verständnis der Prozesse in heute aktiven Subduktionszonen.
- Fluide in der tiefen kontinentalen Kruste: Die Zusammensetzung der fluiden Phase in Gesteinen hat Auswirkungen auf das rheologische Verhalten und Schmelzbildungsprozesse in der Kruste. Somit wird auch die interne Krustendifferentiation (durch Bildung und Aufstieg von Graniten) durch Fluide entscheidend beeinflußt. Um solche Prozesse besser zu verstehen, bestimmen wir mikrothermometrisch die Zusammensetzung von Fluideinschlüssen (H2O, CO2, N2, CH4) und analysieren die Fluidgehalte in "Kanälen" in der Struktur von Cordierit, um Auskünfte über die Anwesenheit und Zusammensetzung von Fluiden in der tiefen Kruste zu erhalten.
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Fluideinschluß in Quarz (Bildbreite 82 µm).
CO2-reicher Cordierit (blau), der entlang eines Risses
und am Rand CO2 verloren hat (gelbe Bereiche).
(Bildbreite 3.5 mm)
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