The origin and evolution of granites has been widely studied because granitoid rocks constitute a major portion of the Earth ́s crust. The formation of granitic magma is, besides temperature mainly triggered by the water content of these rocks. The presence of water in magmas plays an important role due to the ability of aqueous fluids to change the chemical composition of the magma. The exsolution of aqueous fluids from melts is closely linked to a fractionation of elements between the two phases. Then, aqueous fluids migrate to shallower parts of the Earth ́s crust because of it ́s lower density compared to that of melts and adjacent rocks. This process separates fluids and melts, and furthermore, during the ascent, aqueous fluids can react with the adjacent rocks and alter their chemical signature. This is particularly impor- tant during the formation of magmatic-hydrothermal ore deposits or in the late stages of the evolution of magmatic complexes. For a deeper insight to these processes, it is essential to improve our knowledge on element behavior in such systems. In particular, trace elements are used for these studies and petrogenetic interpretations because, unlike major elements, they are not essential for the stability of the phases involved and often reflect magmatic processes with less ambiguity. However, for the majority of important trace elements, the dependence of the geochemical behavior on temperature, pressure, and in particular on the composition of the system are only incompletely or not at all experimentally studied. Former studies often fo- cus on the determination of fluid−melt partition coefficients (Df/m=cfluid/cmelt) of economically interesting elements, e.g., Mo, Sn, Cu, and there are some partitioning data available for ele- ments that are also commonly used for petrological interpretations. At present, no systematic experimental data on trace element behavior in fluid−melt systems as function of pressure, temperature, and chemical composition are available. Additionally, almost all existing data are based on the analysis of quenched phases. This results in substantial uncertainties, particularly for the quenched aqueous fluid because trace element concentrations may change upon cooling. The objective of this PhD thesis consisted in the study of fluid−melt partition coefficients between aqueous solutions and granitic melts for different trace elements (Rb, Sr, Ba, La, Y, and Yb) as a function of temperature, pressure, salinity of the fluid, composition of the melt, and experimental and analytical approach. The latter included the refinement of an existing method to measure trace element concentrations in fluids equilibrated with silicate melts di- rectly at elevated pressures and temperatures using a hydrothermal diamond-anvil cell and synchrotron radiation X-ray fluorescence microanalysis. The application of this in-situ method enables to avoid the main source of error in data from quench experiments, i.e., trace element concentration in the fluid. A comparison of the in-situ results to data of conventional quench experiments allows a critical evaluation of quench data from this study and literature data.
In detail, starting materials consisted of a suite of trace element doped haplogranitic glasses with ASI varying between 0.8 and 1.4 and H2O or a chloridic solution with m NaCl/KCl=1 and different salinities (1.16 to 3.56 m (NaCl+KCl)). Experiments were performed at 750 to 950◦C and 0.2 or 0.5 GPa using conventional quench devices (externally and internally heated pressure vessels) with different quench rates, and at 750◦C and 0.2 to 1.4 GPa with in-situ analysis of the trace element concentration in the fluids. The fluid−melt partitioning data of all studied trace elements show
1. a preference for the melt (Df/m < 1) at all studied conditions,
2. one to two orders of magnitude higher Df/m using chloridic solutions compared to experiments with H2O,
3. a clear dependence on the melt composition for fluid−melt partitioning of Sr, Ba, La, Y, and Yb in experiments using chloridic solutions,
4. quench rate−related differences of fluid−melt partition coefficients of Rb and Sr, and
5. distinctly higher fluid−melt partitioning data obtained from in-situ experiments than from
comparable quench runs, particularly in the case of H2O as starting solution.
The data point to a preference of all studied trace elements for the melt even at fairly high salinities, which contrasts with other experimental studies, but is supported by data from studies of natural co-genetically trapped fluid and melt inclusions. The in-situ measurements of trace element concentrations in the fluid verify that aqueous fluids will change their composition upon cooling, which is in particular important for Cl free systems. The distinct differences of the in-situ results to quench data of this study as well as to data from the literature signify the im- portance of a careful fluid sampling and analysis. Therefore, the direct measurement of trace element contents in fluids equilibrated with silicate melts at elevated PT conditions represents an important development to obtain more reliable fluid−melt partition coefficients. For further improvement, both the aqueous fluid and the silicate melt need to be analyzed in-situ because partitioning data that are based on the direct measurement of the trace element content in the fluid and analysis of a quenched melt are still not completely free of quench effects.
At present, all available data on element complexation in aqueous fluids in equilibrium with silicate melts at high PT are indirectly derived from partitioning data, which involves in these experiments assumptions on the species present in the fluid. However, the activities of chemical components in these partitioning experiments are not well constrained, which is required for the definition of exchange equilibria between melt and fluid species. For example, the melt-dependent variation of partition coefficient observed for Sr imply that this element can not only be complexed by Cl− as suggested previously. The data indicate a more complicated complexation of Sr in the aqueous fluid. To verify this hypothesis, the in-situ setup was also used to determine strontium complexation in fluids equilibrated with silicate melts at desired PT conditions by the application of X-ray absorption near edge structure (XANES) spectroscopy. First results show a strong effect of both fluid and melt composition on the resulting XANES spectra, which indicates different complexation environments for Sr. / Die Entstehung und Entwicklung von Graniten steht seit Jahrzehnten im Fokus vieler geologischer Studien, da sich die Erdkruste zu großen Teilen aus granitoiden Gesteinen zusammensetzt. Von besonderer Bedeutung für die Bildung von granitischen Schmelzen ist neben der Temperatur, der Wassergehalt der Schmelze, da dieser Parameter die chemische Zusammensetzung der Schmelze entscheidend verändern kann. Die Entmischung wässriger Fluide aus Schmelzen führt zur Neuverteilung von Elementen zwischen diesen Phasen. Bedingt durch die geringere Dichte des wässrigen Fluids im Vergleich zur Schmelze und dem Nebengestein, beginnt dieses aus tieferen Erdschichten aufzusteigen. Damit verknüpft ist nicht nur eine räumliche Trennung von Schmelze und Fluid, sondern auch die Alterierung des Nebengestein. Dieser Prozess ist insbesondere bei der Bildung von magmatisch-hydrothermalen Lagerstätten und in späten Entwicklungsstadien magmatischer Komplexe wichtig. Für ein detailliertes Verständnis dieser Prozesse ist es notwendig, das Elementverhalten in solchen Systemen in Abhängigkeit von Parametern wie Temperatur, Druck und chemischer Zusammensetzung des Systems experimentell zu untersuchen, und Elementverteilungskoeffizienten als Funktion dieser Variablen zu bestimmen. Für die Untersuchungen sind insbesondere Spurenelemente geeignet, da diese im Gegensatz zu Hauptelementen nicht essentiell für die Stabilität weiterer auftretender Phasen sind, aber sehr sensibel auf Änderungen intensiver Variablen reagieren können. Zudem werden bei geochemischen Mineral- und Gesteinsanalysen viele Spurenelemente, Spurenelementverhältnisse, und Spurenelementisotope als petrogenetische Indikatoren verwendet, d.h. diese Daten liefern Informationen darüber, wann und in welcher Tiefe und bei welchen chemischen Bedingungen ein Gestein gebildet worden ist, und welche weiteren Prozesse es auf dem Weg zur Erdoberfläche durchlaufen hat. Allerdings sind für vie- le Spurenelemente die Abhängigkeiten der Verteilung zwischen Fluiden und Schmelzen von intensiven Variablen nicht, oder nur unzureichend experimentell untersucht worden. Zusätzlich dazu basiert die Mehrheit der experimentell gewonnenen Verteilungskoeffizienten und deren Interpretation, insbesondere hinsichtlich der Elementkomplexierung im Fluid, auf der Analyse von schnell abgekühlten Phasen. Bisher ist nicht geklärt, ob solche Analysen repräsentativ sind für die Zusammensetzungen der Phasen bei hohen Drücken und Temperaturen.
Das Ziel dieser Studie war die Erarbeitung eines experimentellen Datensatzes zur Spu- renelementverteilung zwischen granitischen Schmelzen und wässrigen Fluiden in Abhängigkeit von der Schmelzzusammensetzung, der Salinität des Fluids, des Drucks und der Temperatur. Ein Hauptanliegen der Arbeit bestand in der Weiterentwicklung einer experimentellen Methode bei welcher der Spurenelementgehalt im Fluid in-situ, d.h. unter hohen Drücken und Temperaturen, und im Gleichgewicht mit einer silikatischen Schmelze bestimmt wird. Die so gewonnenen Daten können anschließend mit den Resultaten von Abkühlexperimenten vergli- chen werden, um diese und auch Literaturdaten kritisch zu bewerten. Die Daten aller unter- suchten Spurenelemente dieser Arbeit (Rb, Sr, Ba, La, Y und Yb) zeigen:
1. unter den untersuchten Bedingungen eine Präferenz für die Schmelze unabhängig von der chemischen Zusammensetzung von Schmelze und Fluid, Druck oder Temperatur,
2. die Verwendung von chloridhaltigen Fluiden kann die Verteilungskoeffizienten um 1 bis 2 Größenordnungen anheben und
3. für die Verteilungskoeffizienten von Sr, Ba, La, Y und Yb eine starke Abhängigkeit von der Schmelzzusammensetzung im chloridischen System.
Der Vergleich der Daten der verschiedenen Methoden zeigt, dass insbesondere für chloridfreie Fluide große Diskrepanzen zwischen den in-situ Daten und Analysen von abgeschreckten Proben bestehen. Dieses Ergebnis beweist eindeutig, dass beim Abschrecken der Proben Rückreaktionen stattfinden, und dass Daten, welche auf Analysen abgeschreckter Fluide basieren, nur eingeschränkt verwendet werden sollten. Die Variation der Verteilungskoeffizienten von Sr, Ba, La, Yb, und Y als Funktion der Schmelzzusammensetzung ist entweder auf eine Änderung der Komplexierung im Fluid und/oder einen anderen veränderten Einbau dieser Elemente in die Schmelze zurückzuführen. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmals versucht, die Elementkomplexierung in silikatischen Fluiden direkt bei hohen Temperaturen und Drücken zu bestimmen. Die Daten für Sr zeigen, dass abhängig von der Schmelzzusammensetzung unterschiedliche Komplexe stabil sein müssen.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:Potsdam/oai:kobv.de-opus-ubp:4208 |
| Date | January 2010 |
| Creators | Borchert, Manuela |
| Publisher | Universität Potsdam, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät. Institut für Erd- und Umweltwissenschaften |
| Source Sets | Potsdam University |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | Text.Thesis.Doctoral |
| Format | application/pdf |
| Rights | http://opus.kobv.de/ubp/doku/urheberrecht.php |
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