Untersuchungen des Vorkommens der Seltenen Erden
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©Akademie d. Wissenschaften Wien; download unter www.biologiezentrum.at A us dem Institut für A nalytische C hem ie und dem Institut für P etrologie der U niversität Wien Untersuchungen des Vorkommens der Seltenen Erden und von Thorium in Gesteinen des unterostalpinen Kristallins des SemmeringWechselfensters Von W. K i e s l , H . W i e s e n e d e r und F . K l u g e r M it 2 A bbildungen und 1 geologischen Karte (Vorgelegt in der Sitzung der m athem .-naturw . K lasse am 25. M ärz 1983 durch das k. M . H . W ie se n e d e r ) Z u sam m en fassu n g In der vorliegenden A rbeit wurden Untersuchungen über die Verteilung der Seltenen Erdelem ente, von Th und einigen anderen Spurenelementen in Gesteinen des unterostalpinen Kristallins des Semmering-W echselfensters ausgeführt. Gesteine der G robgneisserie, der Strallegger Gneis- und Schieferserie sowie der W echselserie wurden untersucht, nachdem auf ungarischer Seite (Kristallin von Sopron) Anreicherungen der SE E und Th in Glimmerschiefern und Disthenquarziten festgestellt wurden. In den von uns bearbeiteten Gesteinen wurde überdies der Anteil der erwähnten Elemente in der Schwermineralfrak­ tion ermittelt. D abei wurde eine starke Anreicherung der SE E und von Th in den Schwermineralanteilen des Leukophyllitzuges aus dem M iesen­ bachtal sowie des D isthenquarzites bei Fronsberg beobachtet. U ber die Verteilungsm uster der SE E sind A ussagen über die Genese der untersuchten Gesteine möglich. D iesbezüglich konnte gezeigt werden, daß bei der metasomatischen U m w andlung des Grobgneises zum Leukophyllit kein Transport der SE E stattgefunden hat, diese nur aus den Hauptm ineralien in die Schwermineralien umgelagert wurden. S u m m ary In the paper presentet investigations on the distribution of the Rare Earth Elements and of Th as well as certain trace elements in rocks of the unterostalpinen Kristallin o f the Semmering-W echselfenster have been carried out. R ocks o f the G robgneisserie, Strallegger Gneis- and Schieferserie and the Wechselserie were analyzed, after certain enrich­ ments o f R E E and of Th have been observed in Glimmerschiefern and Disthenquarziten of the Sopron-Kristallin (H ungary). In the rocks investigated by the authors the content o f the elements mentioned was estimated also in the heavy mineral fraction. A remarkable enrichment of R E E and o f Th has been found in the heavy mineral fraction o f the ©Akademie d. Wissenschaften Wien; download unter www.biologiezentrum.at Leukophyllitzug from M iesenbachtal as well as the Disthenquarzit near Fronsberg. From the distribution pattern o f the R E E clues to genetic aspects concerning the rocks under investigation are possible. Thereto it could be shown, that no transport of R E E took place during the m etasomatic transform ation o f the G robgneis into the Leukophyllit. The R E E have been only redistributed during this event and concentrated nearly exclusively in the heavy minerals. Einleitung Schon seit einiger Zeit ist bekannt, daß in dem zur genannten tektonischen Einheit gehörenden Kristallin von Sopron (Ungarn) umfangreiche Prospektionsarbeiten auf Seltene Erden und Thorium durchgeführt wurden ( F a z e k a s et al, 1975). Bei Bohrungen, die in Grenznähe auf ungarischem G ebiet bei M örbisch und N eckenm arkt niedergebracht wurden, sind Anreicherungen von Seltenen Erden und Thorium nachgewiesen worden. N ach den Untersuchungen der ungari­ schen Kollegen sind die Seltenen Erden und Thorium an die Mineralien Florencit, M onazit, Thorit und Thorianit gebunden, die in „gestreiften “ Glimmerschiefern und Disthenquarziten auftreten. M ehrjährige petrologisch-geologische Untersuchungen, besonders auf Blatt Birkfeld 135, 1 :5 0 .0 0 0 , beiliegende geologische Karte von H . W i e s e n e d e r sowie Vergleichsexkursionen im benachbarten U ngarn ließen eine Konzentration Seltener Erden auch in entsprechenden Gesteinen des Senynering-W echselgebietes und der O ststeierm ark vermuten. Im untersuchten Gebiet wurden folgende Gesteinsserien unter­ schieden: I. Grobgneisserie, 2. Strallegger-Gneis- und Schieferserie, einschließlich der Talklager­ stätte Rabenw ald, 3. Wechselserie, 4. M ittelostalpines Kristallin und K oglhof-M arm orkom plex, 5. G razer Paläozoikum und Raasbergserie. Gesteine der Grobgneisserie, der Strallegger-Gneis- und Schiefer­ serie sowie der W echselserie wurden auf Seltene Erden und Thorium untersucht. Petrographische U ntersuchungen D as Leitgestein der Grobgneisserie ist ein grobkörniger Granitgneis. D as über große Strecken einheitlich ausgebildete Gestein besteht aus mehreren Zentimeter langen M ikroklinperthiten, gefüllten Plagioklasen, mehr oder weniger stark chloritisierten Biotiten, neugebildeten Phengiten und Q uarz. A kzessorien sind Granat, A patit und Zirkon. N ähere Angaben über die Petrographie und Petrologie des Gesteins findet man GO, L A R " TJ^SOB * /b l} I ©Akademie d. Wissenschaften Wien; download unter www.biologiezentrum.at bei W ie sen ed er (1961, 1967, 1968, 1971, 1981). Radiometrische Datierungen von S. S ch a r ber t (unveröffentlichter Bericht) ergaben ein Rb/Sr-G esam tgesteinsalter von 340 ± 10 Millionen Jahren. Leukophyllite sind geringmächtige Lagen von Chlorit-M uskow it-Q uarz-Phylliten bis Glimmerschiefern. Sie enthalten Zirkon, A patit, gelegentlich auch Turmalin und Erze als A kzessorien. N ach den Felduntersuchungen gehen sie meist aus G robgneis an Streßzonen hervor. Sie treten besonders an den Grenzen der G robgneiskörper auf. D as Alter der Leukophyllitbildung ergibt sich nach S. S ch a r ber t (unveröffentlichter Bericht) nach K/A r-D atierungen mit Werten um 80 Millionen Jahren. D ie Nebengesteine der Grobgneise sind phyllitische Glimmerschie­ fer, die an der Grenze zum Grobgneis nicht selten gefeldspatet sind. Es handelt sich wahrscheinlich um eine kontaktmetasom atische Beeinflus­ sung der Nebengesteine bei der Platznahme der grobkörnigen G ranit­ gneise. A us den letzteren entstand bei der alpinen M etam orphose der Grobgneis. Die phyllitischen Glim m erschiefer enthalten beim Reingruber Kogel eine Einschaltung von Chlorit-M uskow itschiefer. D as Gestein wurde früher zur H erstellung von Gestellsteinen verwendet. N ach der chemischen Analyse von M o d j t a h e d i und W i e s e n e d e r (1974) ist das Mineral dem Klinochlor zuzuordnen. Granat, Zirkon, Titanit und Q uarz treten als A kzessorien auf. An der Grenze G robgneis - phyllitische Glim m erschiefer treten im Raume von Rettenegg-Birkfeld Hornblende-Biotit M etagabbros auf. Es handelt sich um linsenförm ige Gesteinskörper von wenigen hundert Meter Länge und einer M ächtigkeit bis zu achtzig Meter. Aplitgneise durchsetzen diese Gesteine gangförm ig und enden jeweils an der Grenze zum N ebengestein. D araus geht unseres Erachtens hervor, daß die heutige Position der M etagabbros tektonisch ist. D er ursprüngliche Mineralbestand der Gesteine besteht aus Plagioklas (An-Gehalt um 60 % ), gemeiner H ornblende, Biotit und gelegentlich Diallag. Dieser ursprüngliche M ineralbestand, zu dem stellenweise Spinell und Korund kommen, ist nur in Relikten vorhanden. Durch eine jüngere (alpine) M etam orphose entsteht G ranat; die Plagioklase werden serizitisiert, die Biotite chloritisiert. Die U m w andlung der Spinelle in Chloritoid wurde von W i e s e n e d e r (1967) beschrieben. Die genetische D eutung der Gesteine als mögliche Restite einer Anatexis oder als um geprägte Al-reiche Einschlüsse wurde von W i e s e n ­ e d e r (1961) diskutiert. Ü ber der G robgneisserie liegt lückenhaft und diskordant schwachmetamorphes Perm om esozoikum . Es besteht aus basalen Schichten von Arkoseschiefern, Brekzien und Porphyroiden, die von Sem m eringquar­ ziten, Rauhwacken, D olom iten und Kalken überlagert werden. Die O bertrias ist im Semmeringgebiet in Form bunter Keuperschiefer entwickelt. In den letzten Jahren wurde eine charakteristische G esteinsassozia­ tion von der liegenden Grobgneisserie tektonisch abgetrennt und als ©Akademie d. Wissenschaften Wien; download unter www.biologiezentrum.at Strallegger-Gneis und Schieferserie bezeichnet. Leitgesteine dieser Serie sind Strallegger-Gneise (vgl. S c h w i n n e r , 1935) und Staurolith-Chloritoid-Glim m erschiefer - Tom m erschiefer (vgl. S c h w i n n e r , 1935). N ach den Ergebnissen unserer Untersuchungen war es notwendig, die Bezeichnung Strallegger-Gneis neu zu definieren. Es handelt sich dabei um migmatisierte Biotit-Paragneise, die häufig Sillimanit und Paramorphosen nach Andalusit enthalten. Weitere Gemengteile sind G ranat, O ligoklas und Q uarz. Zirkon und Erze sind A kzessorien. Die Typlokalität dieser Gesteine sind zwei kleine Steinbrüche 400 m N W der Lokalität Kreuzw irt (Kartenblatt Birkfeld). Radiom etrische Datierungen durch S. S c h a r b e r t haben nicht zu interpretierbaren Ergebnissen geführt. D er Chloritoid der Strallegger-Schiefer entsteht bei der rückschreitenden M etam orphose auf Kosten des Stauroliths. Vielfach wird der Staurolith auch serizitisiert. Die Grenze Stralleger-Schiefer/phyllitischeGlimmerschiefer der Grobgneisserie ist meist unscharf, da die verbreitete alpine Diaphthorese eine A npassung des M ineralbestandes und des Gefüges der Gesteine bewirkt. Ein kennzeichnendes Gestein der beschriebenen Serie ist ein in größeren und kleineren Linsen auftretender Disthenquarzit. Die Länge der Vorkom m en beträgt bis 500 M eter, die Breite bis 300 Meter. Es handelt sich um weiße bis graue oder grünliche Gesteine, die aus wechselnden M engen von Q uarz, M uskow it, Chlorit und 1-30 V o l.-% Disthen und Erzen als A kzessorien bestehen. D er Disthen tritt in 0 ,2 -0 ,5 mm langen Kriställchen auf (M o d jt a h e d i und W ie se n e d e r , 1974). Wir betrachten diese Gesteine als metamorphe Kaolinsande. Weitere charakteristische Gesteine sind mittelkörnige Orthogneise, die besonders typisch am Buchkogel, SE-Ecke des Kartenblattes Birkfeld, auftreten. Sie setzen auch die Gehänge des Feistritztales zwischen Birkfeld und Steg zusamm en. D ie gut geschieferten Gesteine bestehen aus M ikroklin, der meist rundliche Q uarze umschließt, Serizit führenden O ligoklasen, Biotit, M uskow it, Q uarz und den A kzessorien G ranat, Erz und Zirkon. Radiom etrische Datierungen dieses Gesteins durch Frau D r. Scharbert stehen vor dem Abschluß. Ein mittelkörniger granophy risch er M etagranit, begleitet von Turm alin führenden Pegmatiten, ist im Steinbruch unterhalb der Freienberger Klam m im Feistritztal (Kartenblatt Weiz) aufgeschlossen. Auch im Rabenwaldgebiet kom mt dieses Gestein vor. Es besteht aus graphisch verwachsenem Kalifeldspat und Q uarz, Alkalifeldspat, serizitisierten O ligoklasen, M uskow it, Biotit und xeno­ morphem Q uarz. A kzessorien sind Granat und rundliche Zirkone. Chemische Daten sind bei W ie se n e d e r (1968) angegeben. Eine K /A rDatierung der Bundesanstalt für Bodenforschung in H annover (M ü l le r und H a r r e , briefliche M itteilung) ergab einen Wert von 153 ± 3.106 J. Eine Datierung nach der gleichen M ethode, durchgeführt von S. S c h a r b er t , Geologische Bundesanstalt, Wien, wies 164,9 ± 4 ,1 .106 J aus. Jeweils wurden M uskow ite aus Pegmatiten datiert. Die angegebenen Daten dürften M ischalter darstellen. ©Akademie d. Wissenschaften Wien; download unter www.biologiezentrum.at Die Talklagerstätte R aben w ald liegt in der Basisregion der Strallegger-Gneis- und Schieferserie, und zwar im stark durchbewegten Grenzgebiet gegen die liegende G robgneisserie. Große Tagebaue vermitteln einen guten Einblick in den A ufbau der Lagerstätte; der Untertagebau und zahlreiche Bohrungen der Talkum w erke N aintsch verfeinern das geologische Bild. D ie Gesteinsschichten fallen mit geringen N eigungsw inkeln in SSE-licher Richtung ab. D ie Nebengesteine der Lagerstätte sind Strallegger-Gneise, die eine mehrere hundert M eter lange und achtzig Meter mächtige Linse von Kalksilikatgesteinen enthalten. Diese besteht aus G ranat, Epidot-K linozoisit, Biotit, Calcit, Q uarz und reichlich Titanit. D er T alk führende Kom plex folgt den oben angegebe­ nen Lagerungs Verhältnissen. Seine M ächtigkeit schwankt infolge der starken Tektonisierung, die sich auch in der A usbildung von G esteinsw al­ zen äußert, von 0 bis 70 m. Am Gesteinsaufbau sind neben T alk vor allem , , Kornsteine“ und in geringerem U m fang auch Spatmagnesit und D olom it beteiligt. Die mineralogische Zusam m ensetzung der Kornsteine (eine bergmännische Bezeichnung) ist einfach, sie bestehen aus Q uarz, M uskow it, Leuchtenbergit, Disthen und aus akzessorischem A patit. D azu kommen gelegentlich Turm alin, M ikroklin und Albit. D ie von uns untersuchten Proben gleichen mineralogisch und chemisch dem Disthenquarzit vom Schloffereck, weshalb wir, zum indest für einen Teil der Kornsteine, ebenfalls eine H erkunft von Sandsteinen mit Kaolinführung annehmen möchten (M o d jt a h e d i und W ie se n e d e r , 1974). N ach F r ie d r ic h (1947) sind die Kornsteine aus Gneisen, Glim m erschiefern, Pegmatiten und quarzreichen Sandsteinen durch einen metasomatischen Prozeß entstanden. Sow ohl F r ie d r ic h (1947) als auch M o reau (1981) erklären die Talkbildung durch eine metasomatische Verdrängung der N ebenge­ steine durch M g-reiche Lösungen der Tiefe und ordnen den V organg in den alpinen Zyklus ein. Bem erkenswert ist das - seltene - Auftreten großer Apatite im Talk. Trem olite finden sich gerne auf den Gesteinsw alzen. Die Bildungsbedingungen des T alks wurden unter A usw ertung der Zustands­ diagramme von F aw cett und Y o d er (1966) mit etwa 4 5 0 -5 0 0 ° C bis höchstens 550° C bei 2 kb von H er it sc h (1967, 1971) angegeben. H er it sc h (1965) hat das M agnetkies-Geotherm om eter auf einen M agnetkies und Pyrit führenden Q uarzgang im T agbau W iesenhofer (1104 m Seehöhe) angewendet. D ie ermittelte Bildungstem peratur von 3 1 0 °C könnte darauf hindeuten, daß der Q uarzgang jünger ist als die Talkbildung. D ie von uns durchgeführten Untersuchungen der SEE-V erteilung könnten auf eine nicht metasomatische Anlage der Lagerstätten hinweisen. H ierüber wird in einer eigenen Veröffentlichung berichtet. Die Wecbselserie wird nach F a u p l (1972) von H angenden Wechsel­ schiefern (Grauw ackenphyllite, Epidot-C hlorit Q uarzphyllite, Q uarzChloritphyllite, basale Phyllite), Liegenden Wechselschiefern (Q uarz­ phyllite, Graphitschiefer und graphitische Albitschiefer) und der darunter folgenden Serie der ,,W echselgneise(( aufgebaut. Die letzteren bestehen aus Albitgneisen, Albitphylliten und untergeordneten Grün- ©Akademie d. Wissenschaften Wien; download unter www.biologiezentrum.at schieferlagen. Tektonisch bildet die Wechselserie eine nach W, N W und N abfallende Kuppel. D ie O stgrenze der Wechselserie ist durch die tiefgreifende Störung A spang-Friedberg markiert. D er Zug perm om esozoischer Gesteine, der vom Pfaffensattel ins Lafnitztal zieht, biegt bei der H am m onsäge (Blatt Birkfeld) nach E ab und keilt alsbald aus. D ieser G esteinszug liegt im N der W echselserie auf und überlagert im S Gesteine der G robgneisserie. Die W echselschiefer sind nach m ikroskopischen Befunden Gesteine einer aufsteigenden (alpinen) M etam orphose. Die „W echselgneise“ sind dagegen durch rückschreitende M etam orphose und Albitblastese aus höher metamorphen Gesteinen (Glim m erschiefer und ähnliche Gesteine) entstanden (W i e s e n e d e r , 1971; F a u p l , 1972). LE 6 E N D E ZUR GEOLOGISCHEN K A R T E B GROBGNEISSERIE S 4 Le IRKFELD V O N H. W IE 5 E N E D E R 1981 MITTELOSTALPINES KRISTALLIN, KOGLHOFMARMOR grobkörniger G ranitgneis (G ro b g n e is ) G ran atglim m erschiefer z.T.mit S ta u ro lith p h y llitis c h e G lim m e rs c h ie fe r g ra p h itis c h -k o h lig e G lim m e rs c h ie fe r A m p h ib o lit q u a r z itis c h e B io tit-G lim m e rs c h ie fe r M e ta g a b b ro r . T m i t G ra n a t, K o ru n d ,S p in e ll und C h lo rito id P e g m a tit Koglhofmormor G a r b e n s c h ie fe r GRAZER PALÄOZOIKUM u.RAASBERG SERIE Leu c o p h yllit Ch (VORW.NACH H.FLÜGEL u. MAURIN VEREINFACHT) -195M-1957 C h lo ritsch iefer P h y llite (H eilb ru n n er Phyll. und P h y llite im allg e m e in e n , s t - c h lo rito id STRALLEG6ER-GNEIS u.SCHIEFERSERIE S tria to p o re n k a lk ,- D o lo m it u. K a lk s c h ie f e r S tra lle g g e r-G n e is (P a ra g n e is m it G ra n a t, S illim a n it u n d A n d a lu s it-P a ra m o r p h o s e n ) S ch ö c k e lk a lk Tom m er-S ch ie fer(S tau ro lilh u Chloritoid-Führende, diophthori tisch e 6 ran at-G lim m e rsch iefe r 6 m n s c h ie fe r D is th e n q u a rz it q u a rz itis c h e S an d stein e und Q w a rzite m itte lk ö rn ig e O rlh o g n eise M e ta g ra n it des R ab e n w ald es helle K a lk e , D olom ite und R a u h u ja c k e n /~r~r vy K alk e , D olom it und R a u h u ja c k e d e r R .a a a p b e rg s e rie ( M e s o z o ik u m 7 ) Pegm atit NEOGEN BIS REZENT PERMOMESOZOIKUM DER WECHSELSERIE T e r t iä r von P ölla u Trias -M arm o r d es Fischbacher Fensters H a n g s c h u tt Q u a rz ite d er lü e c h s e ls e rie und d e s Fisc h b ach er Fensters T e rra s s e n , te ilw e is e m it S ch o tter b e d e c k t K o n g lo m erate,B rekzien u. P o rp h y ro id e (p ) ö e h ä n g e le h m %R b asa le P h y llite R o terd e re z e n te B a c h a b la g e ru n g e n WECHSELSERIE A p litg n eis A m p h ib o lit G lim m e rs c h ie fe r er T a lk b e rg b a u -n. S tein b ru ch S c h ic h tla g e ru n g Ü berschiebung Faltenachse y verm . ßrenze der Strahl1 egger-Gneis und S ch ia fe rs e rie ©Akademie d. Wissenschaften Wien; download unter www.biologiezentrum.at ©Akademie d. Wissenschaften Wien; download unter www.biologiezentrum.at ©Akademie d. Wissenschaften Wien; download unter www.biologiezentrum.at Zur Überw indung der Schwierigkeiten, die sich aus diesen Lagerungsver­ hältnissen ergeben, wurde bereits früher (W ie se n e d e r , 1971) ein karbones Alter für die W echselschiefer zur D iskussion gestellt. E rkan (1977) ist zu einer ähnlichen Deutung gelangt. D as bedeutet, daß die W echseldecke im Süden auch Gesteine der G robgneisserie enthält. Diese Deutung stützt T o llm a n n s A uffassung einer unterostalpinen Position dieser tektonischen Einheit, die nach F a u pl (1972) auch im Süden geschlossen sein dürfte. V or kurzem hat F l ü g e l (1979) das „R ab en w ald­ kristallin“ der W echselserie zugeordnet. A us den obigen Darlegungen ergibt sich, daß weder die Lagerungsverhältnisse noch die Petrographie der Gesteinsserien diese Annahme stützen. D as Kristallin von Mörbisch, Burgenland, wurde in dem unmittelbar an der österreichisch-ungarischen Grenze gelegenen großen Steinbruch studiert. D ie dort auftretenden aplitischen Gneise, Glim m erschiefer und Am phibolite sind wohl der Wechseleinheit zuzuordnen. Eine Prüfung des gesamten Steinbruches auf radioaktive Strahlung ergab mehrer Punkte mit erhöhten Strahlungswerten. Die Laboruntersuchungen auf Thorium (Uran) und Seltenen Erden verlief jedoch negativ. Wir nehmen an, daß an den festgestellten Punkten Radon austritt. Eine weitere Prüfung des Gebietes ist vorgesehen. Für unsere Untersuchungen w ar das Gebiet von N eckenm arkt, Burgenland, besonders wichtig, da hier das von der ungarischen A rbeitsgruppe detailliert untersuchte Kristallin von Sopron über das G ruberkreuz und die Osw aldikapelle weiter nach Ö sterreich zieht, um alsbald unter den neogenen Deckschichten zu verschwinden. Einem Bericht von K i s h a z i (1979), den uns H err D r. P a h r (Geologische Bundesanstalt, Wien) freundlicher Weise zur Verfügung stellte, entneh­ men wir, daß die auf ungarischem Gebiet in großer Verbreitung zu findenden schwach diaphthoritischen „gestreiften Glim m erschiefer“ (D isthen-Chloritoid-M uskow itschiefer) bzw . die mit ihnen verbundenen Sillim anit-Andalusit-Biotitschiefer auf österreichischem Gebiet nur schwer zu verfolgen sind. Wir erkennen jedoch in diesen Gesteinen die Strallegger-Gneise und die Strallegger-Schiefer (Tommerschiefer) wieder. Diese Gesteine sind, wie schon erwähnt, weiter im Westen auf Blatt Birkfeld sehr verbreiet. D er von K i s h a z y (1979) beschriebene, mittel­ feinkörnige Augengneis ist mit dem mittelkörnigen O rthogneis des Rabenwaldgebietes zu vergleichen. Durchgeführte Szintillom eterm es­ sungen ergaben jedoch keine positiven Resultate. A us diesem Grunde haben wir unsere Untersuchungen auf das Gebiet Rabenw ald-Birkfeld konzentriert. Geochemische Untersuchungen Gesteine der Grobgneisserie: Leitgesteine der Grobgneisserie sind grobkörnige bis mittelkörnige Granitgneise. Die sieben untersuchten Proben wurden hinsichtlich der SE E , Th, U und einiger anderer Spurenelemente analysiert, die Resultate sind der Tabelle 1 dargestellt. ©Akademie d. Wissenschaften Wien; download unter www.biologiezentrum.at Die Proben 5, 13, 14, 15 und 19 w urden im M iesenbachtal, die Probe 18 bei Ratten, die Probe 20 bei St. Kathrein am Hauenstein aufgesammelt. Tabelle 1 : Spurenelem entanalysen der G ranitgneise (alle A ngaben in ppm ). Proben N r. 5 13 14 15 18 19 20 M ittel­ wert La Ce Nd Sm Eu Tb Yb Lu 26,0 61 30 6,0 0,50 0,59 1,30 0,175 14,6 26 10 2,4 0,37 0,36 0,61 0,091 18,1 33 14 2,9 0,47 0,43 0,69 0,100 16,2 35 15 3,0 0,35 0,40 0,82 0,120 13,3 30 13 2,8 0,81 0,46 1,38 0,210 22,1 53 24 5,7 0,77 n. b. 1,98 0,290 12,5 33 14 3,0 0,38 0,42 0,55 0,080 17,6 38,7 17,1 3,7 0,52 0,44 1,04 0,15 Th U Sc Hf Co Cr Rb Cs 12,0 2,7 6,5 3,1 2,9 3,5 219 3,2 9,2 2,6 2,5 2,5 3,5 6,8 223 8,1 11,3 4,1 3,2 2,9 4,3 7,4 249 11,8 9,8 3,6 11,0 2,3 5,1 17,0 372 6,8 10,4 3,8 9,5 2,5 3,9 9,0 366 6,0 18,0 3,1 4,9 5,1 2,4 6,9 295 10,0 8,2 3,5 2,9 2,1 2,7 4,8 390 20,0 11,3 3,3 5,8 2,9 3,5 7,9 302 9,4 Wie von W i e s e n e d e r (1962, 1971) bereits ausgeführt, wird der G robgneis durch M etam orphose eines grobkörnigen Granits während der alpinen G ebirgsbildung gebildet. D as metamorphe Ereignis bei T ~ 500° C und einem D ruck von 3 bis 4 kb verlief dabei ohne wesentliche M etasom atose. Von dieser V oraussetzung ausgehend könnte dieser Granit durch partielle A ufschm elzung eines älteren granitischen Gesteins oder eines sedimentären bzw . metasedimentären Gesteins entstanden sein. O bw ohl die Spurenelementchemie mit Erfolg bei petrogenetischen Studien eingesetzt werden kann, sind solche Untersuchungen an granitischen Gesteinen bisher selten durchgeführt worden. N icht zuletzt erschwerten der breite Bereich der in Frage kommenden A usgangsge­ steine und die Bildungsbedingungen (PTotai, PH20, T ) sowie nachfolgende Differentiationsvorgänge einen Rückschluß auf das A usgangsm aterial. Es ist aber in diesem Zusam m enhang von Interesse, daß die SEE-Verteilung sowie der Pauschalchemism us sehr ähnlich jenen Q uarz-M onzoniten ist, die von A r t h und H a n s o n (1972) untersucht wurden, w obei sehr wahrscheinlich als Ausgangsgestein Grauwacken anzunehmen sind. D er Vergleich der Q uarz-M onzonite mit den Graniten ist natürlich nur auf geochemischer Basis erlaubt. Die SEE-Verteilung (A bb. 1) zeigt jedenfalls in den einzelnen Proben eine mehr oder minder stark ausgeprägte negative Eu-Anom alie, die bisweilen auch fehlen kann (Probe 18). D er Abfall zum schweren Ende der SE E (Ausnahme Probe 18) deutet nachBuMA et al. (1971) auf partielle A ufschm elzung von Gesteinen der unteren K ruste, wobei ein Rückstand ©Akademie d. Wissenschaften Wien; download unter www.biologiezentrum.at aus G ranat oder Zirkon die Abreicherung der schweren S E E erklären kann. Wie später gezeigt w ird, ist dies eine durchaus plausible Annahme, muß doch auf G rund der SEE-C hem ie des Leukophyllits darauf A bb. 1: SE E -V erteilung der G ranitgneise aus dem M iesenbachtal (Proben 5, 13, 14, 15 und 19), Ratten (Probe 18) bzw . St. Kathrein am H auenstein (Probe 20). ©Akademie d. Wissenschaften Wien; download unter www.biologiezentrum.at geschlossen werden, daß zum indest die hygrom agm atophilen Elemente der Gesteine der Grobgneisserie während der M etam orphose keine wesentliche Konzentrationsänderungen erfahren. Von den besprochenen Granitgneisen wurden Schwermineralfrak­ tionen nach Schweretrennung mit Clericilösung, Dichte 3,5 (Probe 5) bzw . Tetrabrom äthan, Dichte 2,94 erhalten und auf ihren Spurenchem is­ mus untersucht. Die Schweretrennung aller in dieser Arbeit besproche­ nen Proben erfolgte bei granatarmen Gesteinen mit Tetrabrom äthan, bei granatreichen mit Clericilösung. Wohl wird bei Anwendung der letzteren ein hoher Granatanteil in der Schwerefraktion unterdrückt, doch sind Verluste bei A patit unumgänglich. D er Anteil der Schwermineralfraktion lag in allen Proben < 0 ,1 M asse - % . Die Resultate sind in Tabelle 2 angegeben. Tabelle 2 : Spurenelem entanalysen der Schw erm ineralfraktion der grobkörnigen G ran it­ gneise (alle Angaben in ppm ). Proben N r. 5 13 14 15 19 La Ce Nd Sm Eu Tb Yb Lu 196 500 210 51 0,80 3,1 61 12,6 211 495 185 44 4,34 7,0 12 1,66 350 805 259 52 6,9 7,2 11,3 1,29 340 805 307 71 6,4 11,3 19,7 2,78 273 670 261 52 3,9 8,8 22,4 3,29 78 30 21 11 16 25 310 28 113 31 34 10 15 21 300 31 134 59 67 46 149 29 139 3,9 174 25,5 55 55 12 15 420 33 Th U Sc Hf Co Cr Rb Cs 87 317 31 264 520 < 29 < 11 ~ 1 D er Spurenelementchemismus widerspiegelt die mineralische Zusam m ensetzung der Schwerefraktionen. Auffällig der hohe Zirkonan­ teil der Probe 5 (H f, U ), die neben Epidot, G ranat und A patit auch Magnetit (C o) führt, dagegen nahezu keine Glimmeranteile (siehe R b, C s) aufweist. In allen anderen Schwermineralanteilen zeigt sich, allein durch die Anwendung von Tetrabrom äthan bedingt, ein ziemlich starker Anteil an Glimmermineralen (Biotit), Zirkon tritt nur untergeordnet auf, Magnetit ist auf Probe 15 beschränkt, sonst überwiegen G ranat, Epidot und Apatit. A us der Probe 18 und 20 konnte keine für weiterführende Untersuchungen ausreichende Mengen an Schwermineralien erhalten werden, der Schwermineralanteil lag jeweils < 0 ,0 1 %. ©Akademie d. Wissenschaften Wien; download unter www.biologiezentrum.at Leukophyllit: D ie von M o d j t a h e d i und W i e s e n e d e r (1974) beschriebenen phyllitischen Gesteine treten in randnahen Positionen in den Gröbgneisen auf. Offensichtlich an Streßzonen also, w o bei niederen Temperaturen von ca. 300° C eine metasom atisch bedingte Serizitisierung der Kalifeldspäte eintritt. Anhand des M iesenbacher Leukophyllit, der unmittelbar mit den Grobgneisen (5, 13, 14 bzw . 15) verglichen werden kann, sind Hinweise auf die A rt des metasomatischen Vorganges möglich. A us den chemischen Analysen von M o d j t a h e d i und W i e s e n e d e r (1974) wird klar, daß sich nur die Zufuhr von M g ‘"und O H bzw. die Abw anderung von Na+ , K + und Fe2+dokum entiert. Zufuhr von Si4+ bzw. C a2+und Ti4 + ist dagegen nicht erfolgt. D ie Tabelle 3 enthält die Resultate der Spurenelementanalysen des Leukophyllits aus dem M iesenbachtal, welche den Mittelwerten aller Miesenbacher Grobgneise gegenübergestellt sind. Bei den Schwermine­ ralfraktionen wurden nur die mit Clerici abgetrennten Schwermineral­ fraktionen der Probe 4 und 5 berücksichtigt. Tabelle 3 : Spurenelem entanalysen von Leukophyllit im Vergleich zum M ittelw ert aller G robgneise aus dem M iesenbachtal (alle A ngaben in ppm ). G esteinsproben T . . ... G robeneise L eukophyllit pro| m P robe 4 La Ce Nd Sm Eu Tb Yb Lu Th U Sc Hf Co Cr Rb Cs 16 37,5 16 3,3 0,28 0,39 0,40 0,055 8,9 3,9 2,5 2,9 0,6 0,7 195 3,6 5,13,14,15,19 19,54 41,6 18,6 4,0 0,492 0,445 1,08 0,155 12,06 3,22 5,62 3,18 3,64 8,32 271 7,9 Schw erm ineralfraktion Leukophyllit P robe 4 G robgneis P robe 5 4100 9400 4900 1130 51,1 48 100 11,8 196 500 210 51 0,80 3,1 61 12,6 2700 636 36 380 25 125 n. b. n. b. 87 317 31 264 520 < 29 < 11 ~ 1 Es wird deutlich, daß der Verlauf der SE E dem der Grobgneise annähernd folgt, wenngleich die SSE E auch ziemlich deutlich abgereich­ ert erscheinen. D er A breicherungsfaktor wird bei Yb und Lu 2. D er metasomatische Effekt ist außerdem ganz deutlich bei C o , C r, R b und C s ausgeprägt, offensichtlich werden diese Elemente während der Serizitisierung weggeführt. ©Akademie d. Wissenschaften Wien; download unter www.biologiezentrum.at Die Änderung der Schwerm ineralzusam m ensetzung ist jedoch bedeutend. D ie S E E werden mehr oder minder neuverteilt. Dabei erreichen die L S E E Anreicherungsfaktoren von ca. 20, die SSE E dagegen nur von ca. 1 bis 1,5. Es muß jedoch an dieser Stelle auf den Unterschied des Mineralbestandes in den Schwermineralfraktionen zwischen G ro b ­ gneis und Leukophyllit hingewiesen werden. Im Leukophyllit überwiegt Apatit, auch Rutil und Zirkon sind häufig vertreten. Erze und G ranat sind dagegen selten. Auch hier war der Anteil der Schwermineralfraktion < 0,01 %. Ähnlich stark wie die S E E werden auch Th und Uran umverteilt. Wie immer die Zusam m ensetzung der L ösun g war, die entlang dieser Störungszonen den G robgneis durchdrang, sie hat das Verteilungsm uster der hygrom agm atophilen Elemente nur unwesentlich verändert. Die variierenden N eigungen am schweren Ende der Seltenen Erdelemente in den Grobgneisen weisen unseres Erachtens auf unterschiedliche Gehalte an Granat und Zirkon hin, so daß wir viel eher der Ansicht sind, ein an diesen Mineralen verarmter G robgneis wurde metasomatisch um gewan­ delt, als daß es zu einer teilweisen Abreicherung an Schweren Seltenen Erdelementen kam. D ies steht im Gegensatz zu der weit verbreiteten Ansicht, daß die SSE E als Kom plex-Ionen leicht weggeführt werden können, stellt doch H 2 O als M olekül einen starken Liganden dar und ersetzt sofort und sehr leicht alle anderen nur denkbaren Liganden, insbesondere bei neutralen bis schwach sauren wässerigen Lösungen. Im alkalischen M edium ist hingegen O H - ein starker Konkurrent für die Ligandenstellen, auf G rund der geringen Löslichkeit der H ydroxide bis basischen O xide. Die M etasom atose wurde nun unseres Erachtens sehr wahrscheinlich durch eine neutrale bis schwach basische magnesiumhältige Lösung verursacht, deren Bildung in Zusam m enhang mit ultrabasischen G estei­ nen gestanden haben dürfte. O bw ohl der Gehalt an M g basischer W ässer sehr gering ist ( B a r n e s et al. 1972), bei P h I I bis 12 etwa 0 ,2 bis 0 ,8 mg/1, ist doch ein Anstieg des M g-G ehaltes zum N eutralpunkt hin infolge steigender Löslichkeit von M g (O H )2 zu erwarten. Jedenfalls kann die W irkung eines neutralen bis schwach alkalischen W assers die Änderung des Verteilungsmusters der S E E nicht erklären, da unter diesen Bedingungen die Löslichkeit der S S E E c L S E E sein sollte. Gesteine der Strallegger Gneis- und Schieferserie Charakteristische Gesteine sind der Paragneis (Probe 7) und der Orthogneis (Probe 6) aus der Talklagerstätte Rabenwald sowie vier Disthenquarzite (Proben 1, 2, 3 und 9), dem kennzeichnenden Gestein der Schieferserie. D ie D isthenquarzite 1 bis 3 entstammen dem Schloffereck-Disthenquarzitkom plex, die Probe 9 jenem bei Fronsberg. In Tabelle 4 sind die Spurenelementanalysen dieser Gesteine sowie deren Schwermineralfraktionen angegeben. D ie A bbildung 2 zeigt die auf Chondrite normierte SEE-Verteilung dieser Proben. ©Akademie d. Wissenschaften Wien; download unter www.biologiezentrum.at Bei den hier untersuchten Gesteinen handelt es sich durchwegs um netamorphe Bildungen. O bw ohl die Kenntnis der Verteilung der ipurenelemente der metamorphen Gesteine noch mehr als lückenhaft ist, o wird doch allgemein die Ansicht vertreten, daß die M etam orphose bb. 2: SE E -V erteilung der Gesteine der Strallegger G neis- und Schieferserie aus der ilklagerstätte Rabenw ald (Paragneis, P robe 7, und O rthogn eis, P robe 6) aus dem Schloffereck-D isth en quarzitkom plex (Proben 1, 2 und 3) bzw . F ronsberg (Probe 9). ©Akademie d. Wissenschaften Wien; download unter www.biologiezentrum.at Tabelle 4 : Spurenelem entgehalte der G esteine der Strallegger-G neis- und Schiefer-Serie sow ie der Schw erm ineralfraktionen dieser Gesteine (alle Angaben in ppm ). Proben N r. 7 6 1 2 La Ce Nd Sm Eu Tb Yb Lu 53 127 47 8,0 2,30 1,51 4,35 0,67 8,7 19 8,8 2,4 0,28 0,36 0,55 0,081 36 83 45 6,1 1,29 0,70 2,61 0,39 4,8 11 4,3 1,1 0,13 0,16 0,70 0,11 1,6 3,7 n. b. 0,35 0,093 0,086 0,35 0,056 Th U Sc Hf Co Cr Rb Cs 18 2,3 40 3,1 19 101 108 3,9 4,7 2,0 4,6 9,1 1,3 45 2,4 0,4 1,8 0,42 4,0 6,7 1,6 48 4,7 0,7 14 3,7 4,0 2,8 1,7 1,4 230 8,5 25 45 31 7,0 0,26 0,46 19 n. b. 1600 2500 n. b. 390 19 28 34 4,6 21 12,7 46,5 180 3,4 355 12 < 0,35 430 78 59 16 11 56 n. b. 12 4,6 3,9 3,7 1,5 2,3 0,3 357 15 20 3,3 21 4,3 13 103 150 11 3 9 19 44 19 4,0 0,39 0,46 0,84 0,096 Schw erm ineralfraktion La Ce Nd Sm Eu Tb Yb Lu Th U Sc Hf Co Cr Rb Cs 27 101 n. b. 7,0 3,5 3,5 9,1 n. b. 4,2 3,2 83 3,6 24 111 < 11 < 0,7 32 105 n. b. 18 1,24 3,3 21 n. b. 16,7 101 18 22 19 32 18 < 0,3 135 339 n. b. 23 4,45 3,0 18,4 2,9 57 16 130 '1 ,7 37 116 50 sS 1,5 _ - — _ - zumindest den Bereich der immobilen Elemente nicht beeinflußt. Tatsächlich zeigen der Paragneis sowie alle untersuchten Disthenquarzite die erwarteten Verteilungsm uster. D er Paragneis, dessen chemische Analyse in Tabelle 5 wiedergegeben ist, entspricht in der S E E -N o rm durchaus einem granitischen Gestein, was auf toni^e A rkosen oder Grauw acken als A usgangsm aterial hinweist. D er Aluminiumüberschuß manifestiert sich im Sillimanit-Gehalt und in Param orphosen nach Andalusit. ©Akademie d. Wissenschaften Wien; download unter www.biologiezentrum.at Wie zu erwarten variiert der SEE -G ehalt der Disthenquarzite in breiteren Grenzen, w obei fallweise eine negative Eu-Anom alie zu beobachten ist. Besonders interessant aber das Verteilungsm uster der Probe 9, die gegen das schwere Ende der SE E eine deutliche Abreicherung aufweist. Schließlich entspricht auch der Orthogneis in seiner SEE-Verteilung nicht sonderlich gut einem Granit, obwohl hier ursprünglich granitisches Material ohne den U m w eg über ein Sediment m etam orph umgewandelt vorliegen sollte. Wir sind nach dem Studium der Analyse der Schwermineralfraktionen der M einung, daß die Erklärung für dieses abweichende Verhalten zum indest teilweise aus der Spurenelementvertei­ lung abgelesen werden kann. D er Anreicherungsfaktor in der Schwermineralfraktion für die SE E und Th ist sow ohl für den Paragneis als auch den Orthogneis unbedeutend, das SEE-Verteilungsm uster entspricht im Fall des Para­ gneis einer Granat-Rutil-Vorherrschaft mit untergeordneten Anteilen Apatit, der bei der M etam orphose entweder die S E E nicht aufnehmen konnte bzw . eine Spätbildung ist. Es hat daher den Anschein, daß der Orthogneis, zum indest lokal, die schwere Kom ponente der SE E verloren hat, wobei nur zwei Möglichkeiten vorstellbar sind. Entweder werden die SSEE-Träger (Zirkon, Rutil) bei der Platznahme des granitischen Körpers gravitativ differenziert oder die an hygrom agm atophilen Elementen angereicherte Restschm elze in den Porenräumen w urde ausgequetscht, was ebenfalls zu bevorzugtem Verlust der schweren Kom ponente der SEE führen könnte. Tabelle 5 : Chem ische A nalyse des Strallegger Gneises aus dem Bereich des Bergbaues „ K r u g h o f“ und C IP W -N o rm , verändert unter Berücksichtigung des Biotits (A nalytiker: F. K l u g e r ) . Bestandteil G ehalt in M asse S i0 2 T i0 2 a i 2o 3 Fe20 3 F eO M nO M gO C aO N a 20 k 2o P2O 5 h 2o + H 2C T 63,13 0,99 17,99 4,00 3,59 Spur 2,36 0,47 1,00 3,68 0,02 1,85 0,14 /O 99,22 C IP W -N orm q or ab an bi sill ru mt 40,3 13,7 8,7 2,2 15,3 15,6 0,8 3,4 N iggli- Werte al 44,4 fm 39,8 c 2,0 alk 13,8 ©Akademie d. Wissenschaften Wien; download unter www.biologiezentrum.at Wir sind eher der Ansicht, daß erstgenannter Vorgang wirksam war, denn die Schwermineralfraktion enthält weder Zirkon noch Rutil, sie ist im wesentlichen Granat-Titanit dominiert mit untergeordneten Anteilen von A patit und Glimmern. Interessant ist das Verteilungsm uster der Schwermineralfraktion des Disthenquarzits (Probe 9). Die vorwiegend Titanit und A patit führende Fraktion weist Anreicherungsfaktoren von > 5 0 für die meisten SE E und von 31 für Th auf. D ies deutet darauf hin, daß bei der M etam orphose eine ähnlich effiziente Um verteilung der SE E und von Th erreicht wurde, wie dies im Falle der Leukophyllit-M etasom atose beobachtet wurde. D ort, wo ein SEE-Trägerm aterial fehlt wird dieser Effekt unbedeutend. So weist nur Probe 1 eine nennenswerte Anreicherung der SE E und Th in der Schwerfraktion auf, die im wesentlichen Granat-Rutil dominiert ist, wohingegen das SEE-Verteilungsm uster der Probe 3 Zirkon dominiert ist. Von Probe 2 konnte dagegen keine Schwermineralfraktion erhalten werden. Im untersuchten Gebiet wurden som it bisher zwei Stellen mit starker Anreicherung der S E E und Th im Schwermineralanteil aufgefunden, nämlich der Leukophyllitzug im Miesenbachtal sowie die Disthenquarzitlinse bei Fronsberg. Im wesentlichen handelt es sich hierbei um eine Extraktion der betreffenden Elemente während des m etasomatischmetamorphen Ereignisses mit H ilfe der SEE-Trägerm inerale Apatit, Zirkon, Rutil usw. aus den M atrixmineralen. Die Anreicherungsfaktoren im Fall des Leukophyllits betragen 256 (La) bzw. 303 (Th), für den Disthenquarzit von Fronsberg 84 (La) bzw. 31 (Th). N ach der Norm verteilung aufgerechnet ergibt dies einen Gehalt von ca. 21,6 kg/t SE E im Schwermineralanteil des Leukophyllits bzw. ca. 7,1 kg/t S E E in der Schwermineralfraktion des Disthenquarzites von Frohnsberg. In den Paragneisen (Strallegger G neis) scheint der Gehalt an S E E an 0,05-0,1 mm große M onazite gebunden zu sein, die in Biotiten pleochroitische H öfe verursachen. D anksagung Die Autoren danken der österreichischen Akademie der W issen­ schaften (Kom m ission für Grundlagen der Mineral- und R oh stoffor­ schung), die diese A rbeit finanziell unterstützt hat. Literatur A r t h , J. G ., H a n s o n , G . N . (1972): Q u artz D iorites derived by partial melting of Eclogite or A m phibolite at mantle depths. C ontr. M ineral. Petrol. 37, 161-174. ©Akademie d. Wissenschaften Wien; download unter www.biologiezentrum.at B a r n e s , I., R a p p , J . B . , O ’ N e i l , J. R . , S h e p p a r d , R . A ., G u d e , A . J . 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K luger, Institut für A nalytische C hem ie, U niversität W ien, W ähringer Straße 38, A-1090 W ien.
