Geology Reference
In-Depth Information
Kasten 3.5 Redoxzustand, Redoxpotenzial und die Sauerstofffugazität
Viele Elemente kommen in mehreren Oxidationsstufen vor
und die entsprechenden Ionen verhalten sich sehr unter-
schiedlich. Daher spielt der Redoxzustand eines Systems eine
wichtige Rolle bei der Fraktionierung, nicht nur bei magma-
tischen, sondern auch in hydrothermalen Systemen. Generell
ist ein System im Kontakt mit der Atmosphäre eher oxidiert,
während das tiefe Innere der Erde eher reduziert ist. In einem
Magma kann zum Beispiel Magnetit nur dann kristallisieren,
wenn ein Teil des Fe
2+
zu Fe
3+
oxidiert wurde. Bei magma-
tischen und hydrothermalen Sulfidlagerstätten ist auch die
Oxidationsstufe von Schwefel wichtig.
Während Sauerstoff in der Atmosphäre als gasförmiges O
2
ent-
halten ist, haben wir es im Inneren der Erde nicht mit freiem
Sauerstoff zu tun. Fast alle Minerale, wie Oxide, Silikate, Karbo-
nate und so weiter, enthalten Sauerstoff, ebenso Magma,
Wasser, CO
2
und andere Fluide. Statt der Sauerstoffkonzentra-
tion (Sauerstoffpartialdruck) ist bei den dort herrschenden
Bedingungen die Sauerstofffugazität fO
2
zu verwenden, eine Art
thermodynamisch korrigierte Version der Konzentration, bei der
die freie Energie der verschiedenen Phasen berücksichtigt ist.
Die Sauerstofffugazität eines Systems kann sich zum Beispiel
durch metamorphe Reaktionen oder durch den Aufstieg eines
Magmas in andere Gesteine verändern. Sobald eine Redox-
reaktion abläuft, ist die Sauerstofffugazität auf einen festen
Wert (in Abhängigkeit von der Temperatur) gepuffert, bis die
Reaktion vollständig abgelaufen ist. In magmatischen und
metamorphen Systemen besonders wichtig ist der Fayalit-
Magnetit-Quarz-Puffer (FMQ), wobei Fayalit eine Komponente
in Olivin ist.
Fe
2+
2
SiO
4
+ O
2
l
2 Fe
2+
Fe
3+
2
O
4
+ 3 SiO
2
Die Sauerstofffugazität magmatischer Systeme wird häufig als
Differenz relativ zu dieser Reaktion als ΔfO
2
(FMQ) angegeben.
Einerseits wirkt sich die Sauerstofffugazität darauf aus, welche
Minerale aus einem Magma kristallisieren, umgekehrt verän-
dert die Kristallisation mancher Minerale auch die Sauerstoff-
fugazität in der verbliebenen Schmelze (Markl et al. 2010).
Für den Redoxzustand von hydrothermalen Lösungen wird
stattdessen meist das Redoxpotenzial Eh verwendet. Die An-
gabe bezieht sich auf die elektrochemische Reduktion bezie-
hungsweise Oxidation relativ zur Standard-Wasserstoffelektro-
de. In wässrigen Lösungen können Metallionen durch Auf-
nahme oder Abgabe von Elektronen reduziert oder oxidiert
werden und dadurch verschiedene Minerale ausgefällt oder
aufgelöst werden. Aber auch das Wasser selbst kann als Quelle
von Sauerstoff unter Freisetzung von H
+
dienen, was wieder-
um den pH-Wert verändert.
3.1.2 Entmischung von Magmen
effektiven Fraktionierung bestimmter Elemente kommt. Neben
einigen exotischen Beispielen, die uns hier nicht weiter interes-
sieren, gibt es in natürlichen Magmen drei wichtige Mischungs-
lücken:
1) Silikat - Eisenoxid,
2)
Unter Umständen kann sich ein Magma in zwei unterschiedliche
Schmelzen aufteilen, die nicht miteinander mischbar sind - ver-
gleichbar mit Wasser und Öl. Das Phänomen der flüssigen Ent-
mischung tritt sogar relativ häufig auf. Die glasig erstarrte
Grundmasse von tholeiitischen Basalten besteht zum Beispiel oft
aus zwei unterschiedlich gefärbten Komponenten: Tröpfchen aus
dunklem Glas in einem hellen Glas. Das helle Glas hat die Zu-
sammensetzung eines Granits, das dunkle Glas die eines eisen-
reichen Pyroxenits (Philpotts 1982).
Eine Mischungslücke zwischen zwei unmischbaren Schmel-
zen ist im Phasendiagramm in
.
Abb. 3.15
dargestellt. Wenn das
Magma eine bestimmte Zusammensetzung hat, trifft es bei der
Abkühlung auf den sogenannten Solvus, an dem es zur Entmi-
schung kommt. Zum selben Ergebnis führt die Vermischung
zweier Magmen, die sich auf beiden Seiten der Mischungslücke
befinden. Durch die Entmischung entsteht eine Emulsion aus
zwei unterschiedlich zusammengesetzten Schmelzen. Die emul-
gierten Schmelztröpfchen haben eine andere Dichte als die
übrige Schmelze und können sich entsprechend auf dem Boden
oder unter dem Dach einer Magmakammer ansammeln. Oft
blieb die entmischte Schmelze jedoch in Emulsion, bis der Pluton
erstarrt war. In diesem Fall weisen lediglich Einschlüsse in Kris-
tallen auf die Entmischung hin.
Die Entmischung von Magmen spielt bei der Entstehung
von Lagerstätten eine große Rolle, weil es dabei zu einer sehr
Silikat - Sulfid,
3)
Silikat - Karbonatit.
Die erste Mischungslücke betrifft Basaltmagmen, die dem tho-
leiitischen Fraktionierungstrend folgen, bei dem es in der
Schmelze zu einer starken Anreicherung von Eisen kommt. Die
Größe der Mischungslücke und damit die Zusammensetzung der
beiden Schmelzen hängt vom Sauerstoffgehalt und dem Gehalt
an Phosphor, Titan und Eisen ab. Aus Experimenten wissen wir,
dass sich im Extremfall eine Schmelze entmischt, die zu Magne-
tit und Apatit erstarrt, während der Rest etwa die Zusammen-
setzung eines Diorits hat. Ein weiteres Beispiel ist die bereits ge-
nannte Entmischung in der Grundmasse tholeiitischer Basalte,
wo die eisenreiche Schmelze immerhin einen nennenswerten
Silikatgehalt hat. Auch in der Skaergaard-Intrusion (
7
Abschn.
3.3
) kam es zur Entmischung einer eisenreichen Schmelze, die
jedoch in Emulsion blieb und daher nur in Einschlüssen in den
Kristallen nachgewiesen werden kann. Möglicherweise spielt
diese Entmischung bei der Entstehung von Kiruna-Typ-Eisen-
lagerstätten (
7
Abschn. 3.6
) eine Rolle. In alkalinen Magmen
könnte eine ähnliche Entmischung zur Bildung von Phoscorit
(
7
Abschn. 3.10.1
) führen.
