Eingeschlossene Magmatropfen geben Hinweise auf die Entstehung der partiell geschmolzenen Erdkruste
Die Kruste ist die äußerste Schicht der Erde und bildet weniger als 1 % des Volumens der Erde. Sie besteht aus verschiedenen magmatischen, metamorphen und sedimentären Gesteinen und ist in mehrere tektonische Platten unterteilt. Migmatite sind teilweise geschmolzene metamorphe Gesteine, aus denen Granit (magmatisches Gestein) entstehen. Eine partielle Schmelze kommt vor, wenn nur ein Teil eines Gesteins schmilzt. Der Grund dafür ist, dass das Gestein tief in der Kruste auf Temperaturen über 700 °C erhitzt wird. Die partielle Schmelze ist nicht nur ein wichtiger Vorgang in der Evolution, sondern auch für die Differenzierung in der Zusammensetzung der Erdkruste verantwortlich. Weitere Erkenntnisse über diese Vorgänge werden dadurch erschwert, dass genaue Informationen über die Zusammensetzung der natürlichen Krustenschmelzen fehlen.
Ein einzigartiger Ansatz zur Integration von Beobachtungen und experimentellen Arbeiten
Forschende des EU-finanzierten Projekts NANOGRANITES hatten vor einiger Zeit erstmals einen bahnbrechenden Ansatz entwickelt, um partiell geschmolzenes Gestein (Migmatite) zu untersuchen und so die Zusammensetzung natürlicher Krustenschmelzen zu bestimmen. „Studien über Nanogranite stehen für einen Paradigmenwechsel auf dem Gebiet der Krustenschmelze, da sie den experimentellen und theoretischen Ansätzen, die vor über 50 Jahren angewendet wurden, neue Informationen hinzufügen. Jetzt können wir genau und in situ die Zusammensetzung des Magma, das unter gewissen geologischen Standortgegebenheiten und in einem bestimmten Gestein entstand, bestimmen (statt sie nur abzuleiten oder zu modellieren)“, bemerkt Projektkoordinator Bernardo Cesare. Die Bezeichnung der Nanogranite leitet sich von deren winziger Körnung ab: Wenn sie in einem Mineralaggregat kristallisieren, sind sie kleiner als ein Mikrometer. Mit der Zeit deuteten Beobachtungen darauf hin, dass in diesen geschmolzenen Einschlüssen auch andere Gesteinsarten als Granit zu finden sind. Daher werden Nanogranite seit 2015 Nanogranitoide genannt. „Die Gegenwart der Nanogranite, die im Wirtsgestein geschützt liegen, ist oft die einzige Möglichkeit, um darauf zu schließen, dass ein Stein partiell geschmolzen ist. Wichtig ist, dass sie das einzige Mittel sind, um die Vorgänge der Magmaentstehung in der Kruste zu erforschen und die Zusammensetzung der natürlichen Krustenschmelzen zu analysieren“, merkt Cesare an.
Erforschung der flüchtigen Inhalte in Nanograniten
Es war eine große Herausforderung, mehr über die Menge der verschiedenen flüchtigen Elemente herauszufinden, die Nanogranite enthalten. Die flüchtige Verbindung kann den Temperaturbereich, in dem Magma entsteht, die Menge des entstehenden Magmas sowie seine Viskosität und Explosivität stark beeinflussen. Im Labor reproduzierten Forschende erfolgreich die Druck- und Temperaturverhältnisse, die normalerweise in der tiefen Kruste herrschen, und schmolzen Nanogranite wieder zu winzigen Tröpfchen zurück. Die Ergebnisse der Analyse legten die gesamte chemische Zusammensetzung bestimmter Gesteine bezüglich der Konzentration von Hauptgemengteilen, Nebengemengteilen und flüchtigen Elementen offen. Der an der Universität Padua entwickelte bahnbrechende Ansatz zur Rückschmelze wurde bisher weltweit nur in drei Laboratorien eingesetzt. Das Team führte 60 Experimente zur Rückschmelze von Nanograniten durch. Die partielle Schmelze von Gesteinen wurde mit einer Kolbenzylindermaschine durchgeführt, die hohen Druck und hohe Temperaturen erzeugt. Die untersuchten Proben stammten aus gut charakterisierten geologischen Standortgegebenheiten. Eine Probe stammte von einem diamanthaltigen Ultrahochdruckgestein, das üblicherweise in Subduktionszonen der Erdkruste vorkommt. Durch die Analyse der experimentell hergestellten Krustenschmelzen konnten die Forschenden eine geochemische Datenbank über natürliche Krustenschmelzen weiterentwickeln, die viel von der internationalen Geologiegemeinschaft genutzt wird. Die Projektergebnisse wurden durch Seminare, Konferenzen und zwei Veröffentlichungen in internationalen begutachteten Fachzeitschriften verbreitet. „Mithilfe von experimentellen Methoden wie der Rückschmelze, die ursprünglich von unserem Projekt entwickelt wurde, können Nanogranite Türen zum Verständnis der Vorgänge öffnen, die in der Erdkruste geschehen“, schließt Cesare.
Schlüsselbegriffe
NANOGRANITES, Magma, Krustenschmelze, partielle Schmelze, Migmatit, Nanogranitoide