TY - THES A1 - Konrad-Schmolke, Matthias T1 - Thermodynamic and geochemical modeling in metamorphic geology T1 - Thermodynamische und geochemische Modellierungen in metamorpher Geologie N2 - 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 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. N2 - 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, 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. KW - geology KW - petrology KW - thermodynamic modelling KW - Geologie KW - Petrologie KW - thermodynamische Modellierungen Y1 - 2016 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-101805 ER - TY - THES A1 - Borghini, Alessia T1 - Melt inclusions in mafic rocks as witnesses of metasomatism in the Bohemian Massif N2 - Orogenic peridotites represent portions of upper subcontinental mantle now incorporated in mountain belts. They often contain layers, lenses and irregular bodies of pyroxenite and eclogite. The origin of this heterogeneity and the nature of these layers is still debated but it is likely to involve processes such as transient melts coming from the crust or the mantle and segregating in magma conduits, crust-mantle interaction, upwelling of the asthenosphere and metasomatism. All these processes occur in the lithospheric mantle and are often related with the subduction of crustal rocks to mantle depths. In fact, during subduction, fluids and melts are released from the slab and can interact with the overlying mantle, making the study of deep melts in this environment crucial to understand mantle heterogeneity and crust-mantle interaction. The aim of this thesis is precisely to better constrain how such processes take place studying directly the melt trapped as primary inclusions in pyroxenites and eclogites. The Bohemian Massif, crystalline core of the Variscan belt, is targeted for these purposes because it contains orogenic peridotites with layers of pyroxenite and eclogite and other mafic rocks enclosed in felsic high pressure and ultra-high pressure crustal rocks. Within this Massif mafic rocks from two areas have been selected: the garnet clinopyroxenite in orogenic peridotite of the Granulitgebirge and the ultra-high pressure eclogite in the diamond-bearing gneisses of the Erzgebirge. In both areas primary melt inclusions were recognized in the garnet, ranging in size between 2-25 µm and with different degrees of crystallization, from glassy to polycrystalline. They have been investigated with Micro Raman spectroscopy and EDS mapping and the mineral assemblage is kumdykolite, phlogopite, quartz, kokchetavite, phase with a main Raman peak at 430 cm-1, phase with a main Raman peak at 412 cm-1, white mica and calcite with some variability in relative abundance depending on the case study. In the Granulitgebirge osumilite and pyroxene are also present, whereas calcite is one of the main phases in the Erzgebirge. The presence of glass and the mineral assemblage in the nanogranitoids suggest that they were former droplets of melt trapped in the garnet while it was growing. Glassy inclusions and re-homogenized nanogranitoids show a silicate melt that is granitic, hydrous, high in alkalis and weakly peraluminous. The melt is also enriched in both case studies in Cs, Pb, Rb, U, Th, Li and B suggesting the involvement of crustal component, i.e. white mica (main carrier of Cs, Pb, Rb, Li and B), and a fluid (Cs, Th and U) in the melt producing reaction. The whole rock in both cases mainly consists of garnet and clinopyroxene with, in Erzgebirge samples, the additional presence of quartz both in the matrix and as a polycrystalline inclusion in the garnet. The latter is interpreted as a quartz pseudomorph after coesite and occurs in the same microstructural position as the melt inclusions. Both rock types show a crustal and subduction zone signature with garnet and clinopyroxene in equilibrium. Melt was likely present during the metamorphic peak of the rock, as it occurs in garnet. Our data suggest that the processes most likely responsible for the formation of the investigated rocks in both areas is a metasomatic reaction between a melt produced in the crust and mafic layers formerly located in the mantle wedge for the Granulitgebirge and in the subducted continental crust itself in the Erzgebirge. Thus metasomatism in the first case took place in the mantle overlying the slab, whereas in the second case metasomatism took place in the continental crust that already contained, before subduction, mafic layers. Moreover, the presence of former coesite in the same microstructural position of the melt inclusions in the Erzgebirge garnets suggest that metasomatism took place at ultra-high pressure conditions. Summarizing, in this thesis we provide new insights into the geodynamic evolution of the Bohemian Massif based on the study of melt inclusions in garnet in two different mafic rock types, combining the direct microstructural and geochemical investigation of the inclusions with the whole-rock and mineral geochemistry. We report for the first time data, directly extracted from natural rocks, on the metasomatic melt responsible for the metasomatism of several areas of the Bohemian Massif. Besides the two locations here investigated, belonging to the Saxothuringian Zone, a signature similar to the investigated melt is clearly visible in pyroxenite and peridotite of the T-7 borehole (again Saxothuringian Zone) and the durbachite suite located in the Moldanubian Zone. N2 - Die Präsenz orogener Peridotite - metamorphosierte Bestanteile des Mantels -, die in Gebirgen auftreten, belegt, dass der Erdmantel an Kontinent-Kontinent-Kollisionen beteiligt sein kann. Solche orogenen Peridotite sind häufig heterogen, da sie Pyroxenit- und Eklogitlagen und Linsen enthalten, d.h. Hochdruckgesteine, die aus Granat und Klinopyroxen bestehen. Die meisten Prozesse, die für diese Heterogenität verantwortlich sind, involvieren Schmelzen, die durch den Mantel migrieren und dabei zu dessen Metasomatose oder zu der Anreicherung von Granat und Klinopyroxen in Adern und Kanälen führen. Ein weiterer Prozess kann auch das Recyceln subduzierter ozeanischer Kruste im Erdmantel sein. Im Allgemeinen finden all diese Prozesse während der Subduktion der Kruste in Manteltiefe statt. Unter diesen Bedingungen stehen die Krustengesteine im direkten Kontakt mit den Mantelgesteinen und die dabei freigesetzten Fluide oder Schmelzen können mit den Peridotiten wechselwirken. Letztere können anschließend von den Krustengesteinen aufgenommen und zur Erdoberfläche exhumiert werden, wo sie untersucht werden können. Diese Arbeit fokussiert sich vor allem auf die Untersuchung der Pyroxenit- und Eklogitbildung sowie auf die Wechselwirkung zwischen Schmelze und Gestein während der Subduktion der Kontinentalkruste in Manteltiefe. Dafür ist das Böhmische Massiv die ideale geologische Umgebung, da es erhebliche Mengen an Pyroxeniten und Eklogiten enthält, die sich in einigen Fällen in orogenen Peridotiten befinden, und die alle in einer ehemals tief subduziertern kontinentalern Kruste eingegliedert wurden. Um die Zielstellung zu erreichen, wurde die Schmelze mit einem neuartigen Ansatz untersucht, wobei diese hier direkt in primären Schmelzeinschlüssen, die im Granat eingeschlossenen sind, untersucht wird. Es wurden zwei Gebiete mit Pyroxeniten und Eklogiten, die Schmelzeinschlüsse enthalten, ausgewählt, ein Pyroxenit aus dem Granulitgebirge und ein Ultrahochdruck-Eklogit aus dem Erzgebirge (Sachsen, Deutschland). Die Einschlüsse bestehen aus einer granitischen, wasserhaltigen Schmelze krustaler Herkunft. Das Auftreten der im Granat unregelmäßig verteilten Einschlüsse bestätigt das Vorhandensein von Schmelze während der Peakmetamorphose. Da die Schmelzen in beiden Fällen ähnlich sind, schlussfolgern wir daraus, dass beide Gesteinsarten durch metasomatische Prozesse infolge der Wechselwirkung von silikatreicher Schmelze und mafischen Lagen gebildete wurden. Im Granulitgebirge ging die Schmelze eine Wechselwirkung mit mafischen Lagen im Mantel ein und erst später wurde der Wirtsperidotit einschließlich der neugebildeten Pyroxenit- und Eklogitlagen in die subduzierte Kruste eingebaut. Im Fall der Pyroxenite und Eklogite des Erzgebirges fand die Metasomatose stattdessen in der kontinentalen Kruste statt. Hier ging die Schmelze eine Wechselwirkung mit mafischen Lagen ein, die sich bereits vor der Subduktion in der Kruste befunden hatten. Im letzteren Fall belegt der Hinweis auf ehemaligen Coesit , d. h. auf ein Mineral, das Tiefen >95 km anzeigt, welches anwesend war während der Metasomatose, dass die Prozesse in größeren Tiefen stattfanden als im Granulitgebirge. T2 - Schmelzeinschlüsse in mafischen Gesteinen als Zeugen von Metasomatose im Böhmischen Massiv KW - Petrology KW - Petrologie KW - Metamorphism KW - Melt inclusions KW - Metasomatism KW - Metamorphose KW - Schmelzeinschlüsse KW - Metasomatose Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-473639 ER -