Thermodynamic and geochemical modeling in metamorphic geology

Thermodynamische und geochemische Modellierungen in metamorpher Geologie

  • Quantitative thermodynamic and geochemical modeling is today applied in a variety of geological environments from the petrogenesis of igneous rocks to the oceanic realm. Thermodynamic calculations are used, for example, to get better insight into lithosphere dynamics, to constrain melting processes in crust and mantle as well as to study fluid-rock interaction. The development of thermodynamic databases and computer programs to calculate equilibrium phase diagrams have greatly advanced our ability to model geodynamic processes from subduction to orogenesis. However, a well-known problem is that despite its broad application the use and interpretation of thermodynamic models applied to natural rocks is far from straightforward. For example, chemical disequilibrium and/or unknown rock properties, such as fluid activities, complicate the application of equilibrium thermodynamics. One major aspect of the publications presented in this Habilitationsschrift are new approaches to unravel dynamic and chemical histories of rocks that includeQuantitative thermodynamic and geochemical modeling is today applied in a variety of geological environments from the petrogenesis of igneous rocks to the oceanic realm. Thermodynamic calculations are used, for example, to get better insight into lithosphere dynamics, to constrain melting processes in crust and mantle as well as to study fluid-rock interaction. The development of thermodynamic databases and computer programs to calculate equilibrium phase diagrams have greatly advanced our ability to model geodynamic processes from subduction to orogenesis. However, a well-known problem is that despite its broad application the use and interpretation of thermodynamic models applied to natural rocks is far from straightforward. For example, chemical disequilibrium and/or unknown rock properties, such as fluid activities, complicate the application of equilibrium thermodynamics. One major aspect of the publications presented in this Habilitationsschrift are new approaches to unravel dynamic and chemical histories of rocks that include applications to chemically open system behaviour. This approach is especially important in rocks that are affected by element fractionation due to fractional crystallisation and fluid loss during dehydration reactions. Furthermore, chemically open system behaviour has also to be considered for studying fluid-rock interaction processes and for extracting information from compositionally zoned metamorphic minerals. In this Habilitationsschrift several publications are presented where I incorporate such open system behaviour in the forward models by incrementing the calculations and considering changing reacting rock compositions during metamorphism. I apply thermodynamic forward modelling incorporating the effects of element fractionation in a variety of geodynamic and geochemical applications in order to better understand lithosphere dynamics and mass transfer in solid rocks. In three of the presented publications I combine thermodynamic forward models with trace element calculations in order to enlarge the application of geochemical numerical forward modeling. In these publications a combination of thermodynamic and trace element forward modeling is used to study and quantify processes in metamorphic petrology at spatial scales from µm to km. In the thermodynamic forward models I utilize Gibbs energy minimization to quantify mineralogical changes along a reaction path of a chemically open fluid/rock system. These results are combined with mass balanced trace element calculations to determine the trace element distribution between rock and melt/fluid during the metamorphic evolution. Thus, effects of mineral reactions, fluid-rock interaction and element transport in metamorphic rocks on the trace element and isotopic composition of minerals, rocks and percolating fluids or melts can be predicted. One of the included publications shows that trace element growth zonations in metamorphic garnet porphyroblasts can be used to get crucial information about the reaction path of the investigated sample. In order to interpret the major and trace element distribution and zoning patterns in terms of the reaction history of the samples, we combined thermodynamic forward models with mass-balance rare earth element calculations. Such combined thermodynamic and mass-balance calculations of the rare earth element distribution among the modelled stable phases yielded characteristic zonation patterns in garnet that closely resemble those in the natural samples. We can show in that paper that garnet growth and trace element incorporation occurred in near thermodynamic equilibrium with matrix phases during subduction and that the rare earth element patterns in garnet exhibit distinct enrichment zones that fingerprint the minerals involved in the garnet-forming reactions. In two of the presented publications I illustrate the capacities of combined thermodynamic-geochemical modeling based on examples relevant to mass transfer in subduction zones. The first example focuses on fluid-rock interaction in and around a blueschist-facies shear zone in felsic gneisses, where fluid-induced mineral reactions and their effects on boron (B) concentrations and isotopic compositions in white mica are modeled. In the second example, fluid release from a subducted slab and associated transport of B and variations in B concentrations and isotopic compositions in liberated fluids and residual rocks are modeled. I show that, combined with experimental data on elemental partitioning and isotopic fractionation, thermodynamic forward modeling unfolds enormous capacities that are far from exhausted. In my publications presented in this Habilitationsschrift I compare the modeled results to geochemical data of natural minerals and rocks and demonstrate that the combination of thermodynamic and geochemical models enables quantification of metamorphic processes and insights into element cycling that would have been unattainable so far. Thus, the contributions to the science community presented in this Habilitatonsschrift concern the fields of petrology, geochemistry, geochronology but also ore geology that all use thermodynamic and geochemical models to solve various problems related to geo-materials.show moreshow less
  • Große Teile des Planeten auf dem wir leben sind für direkte Beobachtungen unzugänglich. Dieser Umstand umfasst nicht nur eine räumliche Komponente, so wie dies z.B. in den Tiefseegräben der Ozeane oder im Erdinneren der Fall ist sondern auch eine zeitliche Komponente, da viele für uns lebenswichtigen Prozesse, wie z.B. die Verschiebung der Kontinentalplatten, in für uns kaum beobachtbaren Raten stattfinden. Daher sind sogenannte Proxies, d.h. Archive in denen Informationen über die untersuchten Prozesse aus der längeren Vergangenheit gespeichert sind für die Geowissenschaften von sehr großer Bedeutung. Der wohl bekannteste Proxy ist zur Zeit CO2, dessen Konzentration in der Atmosphäre mit der Lufttemperatur korreliert wird. Als Archive für diesen Proxy dienen in der Regel Luftblasen in den Schichten der Eisschilde. Ist der Prozess bekannt, der den Proxy mit der gesuchten Information verbindet, im Falle von CO2 ist das der weitgehend bekannte sogenannte Treibhaus-Effekt, der die Oberflächentemperatur auf der Erde kontrolliert, kannGroße Teile des Planeten auf dem wir leben sind für direkte Beobachtungen unzugänglich. Dieser Umstand umfasst nicht nur eine räumliche Komponente, so wie dies z.B. in den Tiefseegräben der Ozeane oder im Erdinneren der Fall ist sondern auch eine zeitliche Komponente, da viele für uns lebenswichtigen Prozesse, wie z.B. die Verschiebung der Kontinentalplatten, in für uns kaum beobachtbaren Raten stattfinden. Daher sind sogenannte Proxies, d.h. Archive in denen Informationen über die untersuchten Prozesse aus der längeren Vergangenheit gespeichert sind für die Geowissenschaften von sehr großer Bedeutung. Der wohl bekannteste Proxy ist zur Zeit CO2, dessen Konzentration in der Atmosphäre mit der Lufttemperatur korreliert wird. Als Archive für diesen Proxy dienen in der Regel Luftblasen in den Schichten der Eisschilde. Ist der Prozess bekannt, der den Proxy mit der gesuchten Information verbindet, im Falle von CO2 ist das der weitgehend bekannte sogenannte Treibhaus-Effekt, der die Oberflächentemperatur auf der Erde kontrolliert, kann man aus den Daten der Vergangenheit auf die Zukunft rückschließen. Wichtig ist dabei natürlich, dass der Prozess, der den Proxy kontrolliert genau bekannt ist, denn sonst führen dessen Messungen und die Interpretation der Daten zu falschen Rückschlüssen. In der von mir vorgelegten Habilitationsschrift geht es um Prozesse, die bestimmte Proxies in Gesteinen kontrollieren und darum, aus den Messungen der Proxies Rückschlüsse über Prozesse machen zu können, die weit außerhalb unseres direkt beobachtbaren Raumes liegen. Bei den untersuchten Prozessen handelt es sich um die sogenannte Lithosphärendynamik, die Bewegung der Gesteine in den obersten etwa 100km unseres Planeten. Diese Dynamik und die damit verbundenen Massenbewegungen sind weder räumlich noch zeitlich gut zu beobachten, die Prozesse laufen meist in größeren Tiefen und im Maßstab von Millionen von Jahren ab, sind aber dennoch für die Menschen von größter Bedeutung, da sie für Erdbeben, Vulkanausbrüche aber auch für die Lagerstättenbildung verantwortlich sind. Bewegungen der Gesteine in der Lithosphäre gehen mit Druck- und Temperaturänderungen in den Gesteinen einher. Die Gesteine versuchen sich diesen Änderungen anzupassen, was durch chemische Veränderungen in den Mineralen aus denen die Gesteine bestehen, geschieht. Solche Veränderungen infolge der Anpassung an sich ändernde Umweltbedingungen sind uns allen bekannt: Eis schmilzt, wenn die Umgebungstemperatur über dem Gefrierpunkt liegt und die Kraft, die wir im Verbrennungsmotor aus der chemischen Reaktion zwischen Benzin und Luft gewinnen setzen wir in Bewegung um. Die Berechnung solcher chemischer Anpassungen an sich ändernde Umgebungsbedingungen erfolgt mit Hilfe der Thermodynamik. Mit thermodynamischen Modellen können wir voraussagen welche Veränderungen in einem chemischen System auftreten, wenn sich die Umgebungsbedingungen ändern. Im Bezug auf Gesteine bedeutet dies, dass wir die chemische Zusammensetzung der Minerale bei bestimmten Druck und Temperaturbedingungen voraussagen können und umgekehrt auch aus der chemischen Zusammensetzung der Minerale auf die Druck- und Temperaturbedingungen bei ihrer Entstehung rückschließen können. Einige Minerale, wie z.B. Granat oder Feldspat weisen in Gesteinen oft eine chemische Zonierung auf, d.h. wie die Jahresringe in einem Baum haben solche Minerale konzentrische Anwachssäume, die sich in ihrer chemischen Zusammensetzung unterscheiden und so ein Archiv über die erfahrenen Druck- und Temperaturveränderungen in der Geschichte des Gesteins darstellen. Zur Interpretation dieser Zonierungen bedarf es komplexer thermodynamischer Modellierungen mit denen ich mich in den hier zusammengefassten publizierten Arbeiten beschäftigt habe. In den in dieser Habilitationsschrift zusammengefassten Arbeiten arbeite ich vor allem heraus, dass sowohl die Haupt- als auch die Spurenelementzonierungen in den Mineralen Granat und Hellglimmer hervorragende Indikatoren für Elementtransportprozesse in den Gesteinen sind. In Granat können Haupt- und Seltenerdelementzonierungen herangezogen werden um Elementfraktionierungsprozesse während der Gesteinsentwicklung zu detektieren. In den Hellglimmern ist die Konzentration und isotopische Zusammensetzung von Bor indikativ für eine Fluid-Gesteins-Wechselwirkung. Ich zeige, dass mit von mir und meinen Co-Autoren entwickelten thermodynamisch-geochemischen Modellen solche Elementtransportprozesse quantifiziert werden können. In den hier vorgelegten Arbeiten verwende ich solche numerischen Modelle um Prozesse vom µm bis km Maßstab zu quantifizieren.show moreshow less

Download full text files

Export metadata

Metadaten
Author:Matthias Konrad-SchmolkeORCiDGND
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-101805
Referee:Patrick O'Brien
Document Type:Habilitation
Language:English
Year of first Publication:2017
Year of Completion:2016
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2016/06/30
Release Date:2017/08/21
Tag:Geologie; Petrologie; thermodynamische Modellierungen
geology; petrology; thermodynamic modelling
Pagenumber:232
RVK - Regensburg Classification:TH 5050, UQ 6400
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Erd- und Umweltwissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften
Licence (German):License LogoKeine Nutzungslizenz vergeben - es gilt das deutsche Urheberrecht