Stabilitatsbeziehungen von Prehnit- und

NITS-KH 71-0322
Contr. Mineral. and Petrol. 30,240-260 (1971)
© by Springer-Verlag 1971
Stabilitatsbeziehungen von Prehnitund Pumpellyit-haltigen Paragenesen
KARL-HEINZ NITSCH
Mineralogisch-PetrologischeR Institut der Universitat Giittingen
Eingegangen am 17. November 1970
61 71
Stability Relation of Parageneses Containing Prehnite a nd Pumpellyite
A bstract. This investigation was underta ken to find the typical conditions for the formation
of low-grade metamorphi c rocks in whi ch prehnite and /or pumpell yite ( ± actinolite, chlorite,
epidote, a nd quartz) occ ur as characteristic minerals. In the p: t diagram the slope of the
eq uilibrium curve prehnite + chlori te + H 20 = pumpell y ite + actinolite + qua rtz is nega t ive; the slope of t he eq uilibrium curve pumpellyite + chlorite + quartz = epidote + actinolite + H 2 0 is positive. The point of in tersection of t he two eq uilibrium curves is an invariant
point. The relat ive positions of the six eq uilibrium curves surrounding the i nvariant point
were found by applying Sehreinemakers's analysis.
Experimental results show t hat t he paragene is prehni te-pumpelly ite-chlorite-quartz is
stable at 2 kb up to 345 ± 20 °C, a nd at 7 kb up to 260 ± 20 °C. The paragenesis actinolitechlorite-pumpelly ite- qu artz occurs only at pressures greater t han 2.5 ± 1 kb. It is stable at
7 kb in the strongly pressure-dependent temperature range 260 ± 20 °C to 370 ± 20 °C. The
paragenesis actinolite-chlori te-epidote-qu artz, typical of the greensc hist fac ies, may occur a t
pressures of 2- 3 kb at temperatures of at least 350 ± 20 °C. This temperature limit is only
slight ly cha nged with increasing pre sure.
1. Einleitung und ProblemsteJlun~
In dem zuruckliegenden Jahrzehnt ist Gesteinen, die unter sehr niedriggradigen
metamorphen Bedingungen ge bildet worden sind , immer grof3ere Beachtung geschenkt worden. Unter sehr nied riggradigen metamorphen Bedingungen sind
hierbei T emperaturen von etwa 150--400°C bei Drucken bis zu ca. 10 kb zu verstehen . Die unter diesen physikalischen Bedingungen gebildeten metamorphen
Gesteine sind bei geeigneter - meistens basal tisch - a ndesitischer - Ausgangszusammensetzung mineralogisch chara kterisiert durch:
a) Laumonti t bzw. Lawsonit, Prehnit und Pumpellyit ne ben den e benfalls vorkomm end en Mineralen Chlorit , F e- reichem Epidot, Aktinolith, Albit, Phengit ,
Quarz und Calcit , wenn die Metamorphose bei niedrigen bzw. mittleren Drucken
abgelaufen ist und
b) Pumpellyit, Lawsonit, Na-Amphibole, Jadeit bzw. jadeitischer Pyroxen und
Aragonit neben Chlorit, Aktinolith. Fe-reichem Epidot, Phengit und Quarz , wenn
die Dru cke wahrend del' Metamorphose sehr grof3 waren.
Dber die Bildung von Prehnit und Pumpellyit in metamorphen Paragenesen
sind bisher experimentelle Untersuchungen nuL' von Hinri chsen und Schiirmann
(1968, 1969a. 1969b) bekannt. 1m Rahmen del' vorliegenden Arbeit wird versucht,
auf der Grundlage rptrographischer und phasentheoretischer Dberlegungen durch
experimentelle Untersuchungen yon R eakt.ionen , die unter natiirlichen Verhaltnissen wa hrsc heinlich a blaufen. diejenigen P . l'-Bedingungen zu bestimmen,
Prehnit- und Pumpellyit-haltige Paragenesen
241 "
unter denen die verschiedenen typischen Paragenesen gebildet worden sind. Zunachst beschranken wir uns auf Paragenesen, die sich aus Prehnit, Pumpellyit,
Chlorit, Fe-reichem Epidot, Aktinolith und Quarz zusammensetzen.
Wenn im folgenden von Paragenesen die Rede sein wird, so sind stetsBeriihrungsparagenesen gemeint, denn nur diese haben bei der Betrachtung von Gleichgewichtsbeziehungen eindeutige Aussagekraft. Paragenesen mit den genannten
Mineralen sind weltweit in metamorphen Gesteinen gefunden worden_ Sie sind
von Hutton (1937) und Coombs (1959, 1960, 1961) in Neuseeland beschrieben
worden, von Packham u. Crook (1960) und R E. Smith (1969) in Australien, von
Seki (1961, 1965, 1969) und Hashimoto (1965) in Japan, von De Roever (1947) in
Celebes, von Levi (1969) in Chile, von Dickinson (1962), Vance (1968), Hawkins
(1967) und Coombs et al. (1970) in den USA, von Otalora (1964) in Puerto Rico
und von Martini u. Vuagnat (1970) und Dietrich (1970) in den Alpen.
Metamorphite mit den genannten charakteristischen Mineralen werden iiberwiegend in Gesteinen mit einem Pauschalchemismus gebildet, der dem von Basalten, Andesiten und Grauwacken entspricht. Die beschriebenen Paragenesen kommen in metamorphen Gesteinen vor, die einer sehr niedriggradigen Regionalmetamorphose oder einer Versenkungsmetamorphose (burial metamorphism) ausgesetzt waren. 1m FaIle einer Versenkungsmetamorphose werden Temperaturen
und Drucke durch Versenkung in unterschiedliche Erdtiefen erzeugt, und es hat
nicht ein "Warmedom", wie er bei der Regionalmetamorphose des 6£teren rekonstruiert wurde, die Metamorphose verursacht. In einigen Gebieten konnte ein
klarer Zusammenhang zwischen Versenkungstiefe und Mineralparagenesen eindrucksvoll demonstriert werden (z. B. Coombs, 1960 ; Packham u. Crook, 1960)'
Generell folgt einer Zone niedrigstgradiger Metamorphose mit Laumonit-haltigen
Paragenesen im oberen Teil der Abfolge eine Zone mit Prehnit und/oder Pumpellyit und mit weiter zunehmender Tiefe ein Bereich, in dem die typische Grlinschieferassoziation mit Epidot bzw. Klinozoisit, Aktinolith, Albit, Chlorit, Quarz
und Calcit auftritt.
1m einzelnen sind die Verhiiltnisse differenzierter. So sprechen z. B. eIIDge
Beobachtungen darn, daB hii.ufig auf die Prehnit-Pumpellyit-Zone eine Zone mit
Pwnpellyit und Aktinolith, jedoch ohne Prehnit, folgt, bevor diese mit steigendem
Metamorphosegrad von der typischen Griinschieferassoziation ohne Pumpellyit
abgel6st wird (Coombs, 1960; Coombs et al., 1970; R E. Smith, 1969; Martini und
Vuagnat, 1970; Seki, 1969; Hashimoto, 1965). Hashimoto (1965) vermutete, daB
diese Verhaltnisse zur Schaffung einer "pumpellyit-actinolite-schist facies" AnlaB
geben werden.
Diese Pumpellyit-Aktinolith-Paragenese ohne Prehnit scheint allerdings nur
dann aufzutreten, wenn die wahrend der Metamorphose wirksamen Drucke einen
Mindestbetrag von einigen wenigen Kilobar iiberstiegen haben. Dagegen wird bei
progressiver Metamorphose unter noch niedrigeren Drucken beobachtet, daB
Prehnit und Pumpellyit bei fast gleichem Metamorphosegrad wegreagieren, wenn
erstmals Aktinolith in einer normalen Grlinschieferparagenese erscheint (Coombs
et al., 1970; Seki, 1969). Eine Dbergangszone, in der Pumpellyit neben Aktinolith
stabil ist, existiert unter diesen Bedingungen offenbar nicht.
Eine weitere wichtige Beobachtung ist die, daB Prehnit-haltige Paragenesen
offensichtlich nur dann in den metamorphen Gesteinen gebildet worden sind,
17a Contr. Mineral. and P etrol., Vol. 30
K.-H. Nitsch:
242
wenn die Drucke eine bestimmte kritische Grenze nicht iiberschritten haben.
Denn, in Metamorphiten, die Hinweise auf hohe Bildungsdrucke durch das Auftreten von Glaukophan/Crossit und/oder Jadeit bzw. jadeitischem Pyroxen geben,
ist Prehnit bisher nicht beobachtet worden. Nur Vance (1968) beschreibt ein Vorkommen von Prehnit-Pumpellyit in einem Gestein, in dem als Indikator fiir
h6here Drucke auch Aragonit beobachtet wurde. Hieraus kann geschlossen werden,
daB Prehnit-haltige Paragenesen, an denen Pumpellyit, Chlorit, Epidot, Albit,
Aktinolith, Quarz und Calcit beteiligt sein k6nnen, in der Regel bis zu Drucken
gebildet werden, die den fiir die Bildung von Aragonit notwendigen Druck nicht
iiberschrittenhaben (190°C-5 kb, 300°C-7 kb, Goldsmith u.Newton, 1969, und
Boettcher u. Wyllie, 1968). Lediglich das Beispiel von Vance (1968) bildet eine
Ausnahme.
Der diskutierte petrographische Befund, nach dem einerseits Pumpellyit + Prehnit (ohne Aktinolith) bei anscheinend niedrigen Drucken und andererseits Pumpellyit + Aktinolith (ohne Prehnit) bei bOheren Drucken stabile Paragenesen sind,
bevor bei ansteigendem Metamorphosegrad die Grenze zur Griinschieferfazies
iiberschritten wird, lii.Bt sich bisher noch nicht anhand von untersuchten Reaktionsgleichgewichten zwischen den Mineralen klaren, weil nur sehr wenige experimentelle Daten zur Verfiigung stehen.
Bisher liegen Ergebnisse vor fiir die Reaktion
(a)
Prehnit + Chlorit + H 20
~Pumpellyit
+ Quarz,
die von Seki (1961) vermutet wurde und von Hinrichsen und Schiirmann (1969a,
1969b) experillentell untersucht worden ist. AuBerdem haben Hinrichsen und
Schiirmann (1968, 1969 a, 1969 b) die obere Stabilitatsgrenze von isoliertem Pumpellyit bestimmt.
Von Strens (1968) liegen orientierende Daten iiber die obere Stabilitatsgrenze
von isoliertem Prehnit vor.
Hinrichsen und Schiirmann (1969b) haben experimentell bestatigt, daB die
Gleichgewichtskurve der von Seki (1961) vermuteten Reaktion (a) eine negative
Steigung dP/dT ill P, T-Diagramm aufweist. Seki (1969) nimmt dies ebenfalls
an und auch Coombs et 801. (1970) weisen auf das deutlich negative L1 V der von
ihnen ill Vergleich zur Rea1..-tion (a) sehr ahnlich formulierten Reaktion (1) bin :
(1)
Prehnit + Chlorit + H 20
~ Pumpellyit
+ Aktinolith + Quarz.
Dies ist die allgemeine Reaktionsgleichung, denn sie beriicksichtigt die variable
chemische Zusammensetzung von Chloriten. Reaktion (a) - wie sie schon von
Hinrichsen und Schiirmann untersucht wurde - kann nur dann ablaufen, wenn
der betreffende Chlorit sehr aluminiumreich ist; das (C + F)/A-Verhiiltnis ill
A-G--F-Diagramm muB 0,33 sein. Nur dann liegen Prehnit, Pumpellyit und
Chlorit auf einer Linie, so daB kein Aktinolith bei Reaktion (a) bzw. (1) entsteht.
Die Zusammensetzung der verschiedenen Chlorite variiert jedoch ill C+F/AVerhaltnis von etwa 0,1-0,35, so daB Reaktion (1) die ill allgemeinen Fall wahrscheinliche Reaktion isP.
1 Die Steigung dPldT von Reaktion (a) bzw. (1) kann nur dann negativ sein, wenn
das AS der Reaktion positiv ist, denn aus der Clausius-Clapeyronschen Gleichung dPldT =
A SIA V ergibt sich dies zwingend, falls das A V - wie im vorliegenden Fall- einen negativen
Wert hat. Da H 2 0 nach den idealisierten Formeln der betreffenden Minerale auf der linken -
Prehnit- und Pumpellyit-haltige Paragenesen
243
Fiir die obere Stabilitatsgrenze von isoliertem Pumpellyit geben Hinrichsen und
Schiirmann (1969b) die folgende Reaktion an:
(b)
Pumpellyit ~ Zoisit + Grossular + Chlorit + Quarz + H 2 0.
Die Gleichgewichtskurve dieser Reaktion hat im Gegensatz zur Reaktion (a) eine
positive Steigung im P, T-Feld.
Wahrscheinlicher ist jedoch, daB Pumpellyit in der Natur nach anderen Reaktionen abgebaut wird, z. B. nach
(2)
Pumpellyit + Chlorit + Quarz ~Epidot + Aktinolith + H 20.
Diese Reaktion wird auch von Seki (1969) angenommen. Die Gleichgewichtskurve
der Reaktion (2) wird im P, T-Diagramm ebenfalls eine positive Steigung aufweisen.
Durch die entgegengesetzte Steigung der Gleichgewichtskurven (1) bzw. (a)
einerseits und der Abbaureaktionen (2) bzw. (b) andererseits wird die Vermutung
nahegelegt, daB sich diese Gleichgewichtskurven im P, T-Diagramm schneiden.
1m nachfolgenden Kapitel 2. wird gezeigt, daB der sich ergebende Schnittpunkt
ein invarianter Punkt ist. Dies laBt den Versuch lohnend erscheinen, die Schnittpunktbeziehungen phasentheoretisch zu untersuchen, um Aussagen uber die Stabilitatsfelder der verschiedenen Paragenesen machen zu konnen.
Daruber hinaus wird anhand von Experimenten versucht, die Lage der Stabilitatsbereiche der verschiedenen Paragenesen im P, T-Feld zu ermitteln.
2. Das System CaO-MgO-Al2 0 s-Si0 2-H2 0
2.1. Theoretische Betrachtung
Wenn man die Stabilitatsbeziehungen der genannten Feldparagenesen, die sich
aus Prehnit, Pumpellyit, Chlorit, Fe-reichem Epidot, Aktinolith und Quarz zusammensetzen, phasentheoretisch erfassen will, so sind die folgenden Komponenten, aus denen sich das Gesamtsystem zusammensetzt, zu berucksichtigen: CaO,
MgO, FeO, Fe 20 S ' Al20 S ' Si0 2 und H 20.
Ein solches System, aus insgesamt 7 Komponenten bestehend, ist sehr kompliziert
und unubersichtlich. Deshalb soIl versucht werden, das System so zu vereinfachen,
daB es sowohl grundlegende Aussagen gestattet als auch uberschaubar ist.
Folgende Vereinfachungen konnen vorgenommen werden:
1. FeO soIl zunachst vernachlassigt werden, da es im Chlorit, Pumpellyit und
Aktinolith das MgO isomorph ersetzt. Auf die damit verbundenen Konsequenzen
fur die Stabilitatsbeziehungen wird an spaterer Stelle eingegangen.
also auf der Seite der Ausgangsprodukte - steht, ware dies iiberraschend. Allerdings ist die
stOchiometrische H 20-Menge, die bei den Beaktionen (a) bzw. (1) verbraucht wird, im Vergleich zu den festen Phasen klein, so daB es moglich erscheint, daB das LI S der Reaktion trotz des H 20 auf der linken Seite der Reaktionsgleichung - einen positiven Wert hat. Moglicherweise steht das H 20 aber gar nicht auf der linken Seite der Reaktionsgleichung, weun
von realistischen Zusammensetzungen der Phasen vor allem von Chlorit und Pumpellyit
ausgegangen wird.
Die Antwort auf die Frage nach dem Vorzeichen des LIS kaun gegenwartig nicht gegeben
werden, doch sprechen die experimentellen Ergebnisse fiir die negative Steigerung der Beaktionen (1) bzw. (a) und auch die Gelandebeobachtungen geben einen Hinweis darauf.
17b Contr. Mineral. and Petrol.. Vol. 30
K.-H_ Nitsch:
244
2_ Ebenso bleibt Fe20 a unberucksichtigt, welches im wesentlichen einen Teil
des Al im Epidot ersetzt_ Es muBte bei den folgenden Ererterungen demnach von
Fe-freiem Zoisit ausgegangen werden. Urn die Beziehung zu dem in der Natur
vorkommenden Fe-reichen Epidot aufrechtzuerhalten, wird aber weiterhin der
Name Epidot verwandt.
3. H 20 soIl stets im DberschuB vorhanden sein und dan daher unberucksichtigt
bleiben.
Das komplexe 7-Komponentensystem lii.Bt sich demnach auf das 4-Komponentensystem CaO-MgO-Al20a-Si02 reduzieren, welches dreidimensional als
Tetraeder dargesteIlt werden kann_ In diesem Tetraeder sind aIle Minerale enthal ten , die bei der genannten Problemstellung berucksichtigt werden mussen 2.
1m Kapitel 1 ist aufgrund der Naturbeobachtungen und einiger experimenteIl
gewonnener P, T-Daten diskutiert worden, daB sich die Gleichgewichtskurven der
Reaktion (1)
Prehnit
+ Chlorit + H 20 ;F Pumpellyit + Aktinolith + Quarz
und der wahrscheinlichen Abbaureaktionen des Pumpellyits (z. B. Pumpellyit +
Chlorit Quarz ;F Epidot Aktinolith H 20) wegen ihrer entgegengesetzten
Steigung im P-Diagramm schneiden. An diesem Schnittpunkt stehen die folgenden
6 Phasen miteinander im Gleichgewicht: Aktinolith, Chlorit, Epidot, Prehnit,
Pumpellyit und Quarz. 1m 4-Komponentensystem CaO-MgO-Al20a-Si02 ergibt
sich somit, daB es sich bei dem Schnittpunkt urn einen invarianten Punkt handelt a.
+
+
+
+
Phasen = Komponenten 2 - Freiheitsgrade.
6
4
+ 20
Von diesem invarianten Punkt gehen die folgenden 6 univarianten Gleichgewichtskurven aus, welche aus Abb. 1 a und c abgelesen werden kennen.
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
Prehnit + Chlorit
Pwnpellyit + Chlorit + Quarz
PumpeIlyit + Quarz
Prehnit Chlorit
Prehnit Chlorit Quarz
Pumpellyit Quarz
+
+
+
+
;F
;F
;F
;F
;F
;F
Pwnpellyit + Aktinolith + Quarz
Epidot + Aktinolith
Prehnit Epidot Aktinolith
Pumpellyit Epidot Aktinolith
Epidot Aktinolith
Prehnit Epidot Chlorit
+
+
+
+
+
+
+
Anhand der Schreinemakers-Analyse (Niggli, 1948; Zen, 1966) kann die relative
Anordnung der 6 univarianten Gleichgewichtskurven zueinander ermittelt werden.
In Abb. 2 wurde das Ergebnis graphisch dargestellt. In Tabelle 1 sind diejenigen
2 In Paragenesen, die sich aus Prehn it, PumpeUyit, Chlorit, Aktinolith, Epidot und Quan
aufbauen, Mnnen zusatzlich Albit und Calcit und bei hOheren Drucken auch Aragonit, NaAmphibole und jadeitische Pyroxene vorkommen. Wenn man diese Minerale mit in die Betrachtungen einbezieht, erweitert sich das 7-Komponentensystem um die Komponenten
Na2 0 und CO 2 , Jene zusatzlich moglichen Minerale nehmen jedoch nicht an den noch zu besprechenden Reaktionen teil, daher konnen auch die Komponenten Na 20 und CO 2 unberiicksichtigt bleiben.
3 Mit diesen 6 festen Phasen steht die H 2 0-Gasphase im Gleichgewicht. Wenn die Gasphase beriicksichtigt wird, vergrol3ert sich sowohl die Zahl der Komponenten als auch die der
Phasen urn eins. Bei dem betreffenden Schnittpunkt handelt es sich also auch dann urn einen
invarianten Punkt. 1m Kapitel 2.1 wurde begriindet, dal3 die Gasphase vernachlassigt werden
kann, wenn sie im tTherschul3 vorhanden ist.
Prehnit- und Puropel\yit-haltige Paragenesen
245
(c)
(a)
MgO
CaO
CaO
A
MgO
Abb. 1. ajLa.ge der darstellenden Punkte von
Aktinolith (A), Chlorit (C), Epidot (E), Prehnit (P), Pumpellyit (Pu) und Quarz (Q) im
(b) CaO-MgO- Al 20 a- Si0 2 -Tetraeder. b Lage
der darstellenden Punkte von A, C, E, P
und Q auf den Seitenflachen des aufgeklappten Tetraeders. Pu liegt im Tetraederraum.
c Projektion der darstellenden Punkte von A,
C, E, P, Pu und Q auf die CaO-MgO-Al20aGrundflache des Tetraeders. Der punktierte
Ausschnitt wird in Abb.2 benutzt.
Aktinolith
Chlorit
Epidot
Prehnit
Pumpel\yit
Quarz
CazMgs [(OR)zl Si S 0 22 ]
Mg6 (AI) [(OR)sl AlSi S0 10]-Mg4 (Al2) [(ORls IAl 2Si 20 10]
= Ca2A1a [ORI 01 Si0 4 1Si Z0 7 ]
= Ca 2A12 [(OR)2 Si SOlO]
= Ca. (Mg) (AllsO (OR)a [Si 20 7 ]2 [SiO.]2 . 2R20
= Si0 2
=
=
Paragenesen zusammengestellt worden, die in den verschiedenen Sektoren I-VI
zwischen den univarianten Gleichgewichtskurven stabil sind.
2.2. Diskussion der phasentheoretischen Ableitung
In diesem Kapitel werden fiir die Minerale Aktinolith (A), Ohlorit (0), Epidot (E),
Prehnit (P), Pumpellyit (Pu) und Quarz (Q) diejenigen Abkiirzungen verwendet,
welche in Klammern aufgefiihrt sind.
Die fiir die niedrigstgradigen metamorphen Gesteine charakteristische Paragenese [1] C-P-Pu-Q kann nur im P, T-Feld I der Abb. 2 auftreten, denn in
allen anderen Sektoren II-VI ist die "tie line" P-70 oder PU-7 Q unterbrochen.
Die Paragenesen [13] und [14] C-P-Pu (+ E bzw. A) ohne Quarz sind auch in
den Sektoren V und VI stabil. Dies ist nur ffu' solche metamorphe Gesteine von
Bedeutung, deren darstellende Punkte im Tetraeder OaO-MgO-Al 20 a-Si0 2
unterhalb derjenigen Ebene liegen, die von Prehnit, Epidot, Aktinolith und Ohlorit
aufgespannt wird (s. Abb. 4).
170 Contr. Mineral. and Petrol., Vol. 30
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Abb.2. Anordnung der Gleichgewichtskurven (1) bis (6) urn den invarianten Punkt (J. Pl·
Die jeweiligen Negativphasen der Reaktionen (1) bis (6) sind in eckigen KJammern angefiihrt.
Gestrichelte "tie line" bedeuten, daB diesa in Abb. 1 a unterhalb derjenigen Ebene liegen, die
von A, C, E und P auIgespannt wird. In Paragenesen, die durch gestrichelte "tie line" gebiIdet werden, ist Purnpellyit nicht neb en Quarz stabil, da der darstellendePunktdesPumpellyits durch die Ebene A-C-E-P vom darstellenden Punkt des Quarzes getrennt ist; dies
kann anschaulich den Abb. 1 a und 4 entnommen werden. Die in KJammern eingeschlossenen
Zahlen bedeuten die Nummern der in Tabelle 1 auIgefiihrten Paragenesen
K.-H. Nitsch: Prehnit- und Pumpellyit-haltige Paragenesen
247
Tabelle 1. Die sick aus Abb. 2 ergebenden Paragenesen in den Sektoren I-VI sind zusammengestellt und mit Nummern (ZalUen in eckigen Klammern) versehen worden. Auf diese Nummern
UJird im Text Bezug genommen. Die aufgrund der chemischen Pauschalzusammensetzung der
ieweiligen Gesteine zu erwartenden und in entsprechenden M etamorphiten haufig beobachteten
Paragenesen sind eingerahmt gezeichnet warden
II
I
III
C
C
E
A
A
A
C
E
A
A
A
A
E
A
P
E
P
C
C
C
E
P
P
C
E
P
P
C
Pu
Pu Pu
P
P
Pu
Pu Pu
Pu
E
Pu Pu
Pu
E
Q
Q
Q
Pu
Q
Q
Q
Q
Q
Q
Q
Q
Pu
[I]
[2] [3]
[4]
[14]
[5]
[2]
[3]
[6]
[7]
[8]
[6]
[3]
[II]
C
A
A
C
Q
IV
~
[7]
VI
V
A
A
E
E
C
P
P
E
Q
Pu
Pu
[9]
[10]
[II]
A
~
[7]
A
A
C
E
C
E
C
E
C
C
E
P
E
P
P
P
P
P
P
Q
P
Pu
Pu
Q
Q
Pu
Pu
[9]
[12]
[13]
[14]
[15]
[4]
[14]
[13]
A = Aktinolith, C = Chlorit, E = Epidot, P
A
= Prehnit, Pu = Pumpellyit,
Q = Quarz.
Bei geringeren Drucken als sie durch die Lage des invarianten Punktes gegeben
wird, begrenzt die Gleichgewichtskurve der Reaktion (6) das P, T-Feld I, die sehr
wahrscheinlich eine positive Steigung dPjdT hat.
Die Abb. 2liiBt erkennen, daB bei hOheren Drucken die Paragenese [5] A-CPu-Q zu erwarten ist, die auch in den verschiedensten metamorphen Gebieten
der Erde gefunden worden ist. Die Wahrscheinlichkeit, daB diese Paragenese gebildet wird, nimmt mit steigendem Druck zu, weil sich gleichzeitig das entsprechende P, T-Feld II ausweitet. Bei Drucken, die geringer sind als durch die Lage
des invarianten Punktes gegeben, existiert kein P, T-Bereich, in dem die Paragenese [5] A-C-Pu-Q auftreten kann. Dies laBt eine Feststellung von Coombs
et a1. (1970) verstehen, die schreiben: "The pumpellyite-actinolite schist facies
appears to be suppressed in low pressure - high temperature facies series."
Bei Drucken, die kleiner sind als der des invarianten Punktes, ist die Paragenese
[1] C-P-Pu-Q ebenfalls nur im P, T-Feld I stabil, wahrend die Paragenese
[15] C-E-P-Q auch noch in dem Sektor VI vorkommen kann. Prehnit und
Chlorit ohne Quarz konnen auch im P, T-Feld V auftreten; dies scheint jedoch
wegen des Vorhandenseins von Quarz in Metamorphiten mit basaltisch-andesitischer bzw. Grauwacken-Zusammensetzung nur in speziellen Fallen von Bedeutung
zu sein.
In den Sektoren III, IV und V der Abb. 2 ist die charakteristische Griinschieferparagenese [7] A-C-E-Q stabil; im Sektor III kann auBerdem die Paragenese
248
K.-H. Nitsch:
[8] A-E-Pu-Q vorkommen, allerdings nur, wenn kein Chlorit an del' Paragenese beteiligt ist. Martini und Vuagnat (1970) beschreiben aus den Alpen die del'
Paragenese [8] sehr ahnliche Mineralassoziation Aktinolith, Epidot, Pumpellyit
(+ Albit, Chlorit, Titanit), wobei sie feststellen, daB diese Assoziation einem hOheren Metamorphosegrad entspricht als die ebenfalls von ihnen in jenem Gebiet
gefundene Assoziation Pumpellyit, Prehnit, Chlorit (+ Albit, Titanit). Nach personlicher Mitteilung del' Autoren kommt in den betreffenden metamorphen Gesteinen nur detritischer Quarz VOl', so daB es sich bei del' genannten Paragenese
um Paragenese [11] A-C-E-Pu handelt.
Seki (1961) konnte im Sanbagawa-Gebiet Japans zeigen, daB die Paragenese
Aktinolith-Epidot-Pumpellyit einem hOheren Metamorphosegrad entspricht als
die Paragenese Chlorit-Pumpellyit, abel' einem niedrigeren Metamorphosegrad als
die Paragenese Aktinolith-Epidot ohne Pumpellyit. Diese Verhaltnisse treffen
auch fUr das Sibukawa-Gebiet Japans zu, wie Seki schreibt.
Alle diese Beobachtungen stehen im Einklang mit del' relativen Anordnung del'
Gleichgewichtskurven (1) bis (6) in Abb. 2 und den damit verbundenen Stabilitatsbeziehungen del' verschiedenen Paragenesen zueinander.
Wenn man Abb. 2 genau studiert, so fallt ein anscheinend nicht erklarbarer
Widerspruch auf; denn nach del' Anordnung del' Gleichgewichtskurven (1) bis
(6) sind die quarzhaltigen abel' chloritfreien Paragenesen [3], [6] und [9] in den
Sektoren IT und III bzw. II III und IV bzw. IV und V stabil. Es ist auBerdem die
quarz- und chloritfreie Paragenese [10] im Sektor IV stabil. Ferner konnen die
chlorithaltigen abel' quarzfreien Paragenesen [13] und [14] in den Sektoren V und
VI vorkommen. Es gibt jedoch keine petrographischen Hinweise, daB PrehnitodeI' Pumpellyit-haltige Paragenesen unter den P, T-Bedingungen del' Sektoren
IV und V in del' Natur gebildet worden sind, d. h. bei solchen Bedingungen, bei
denen Pal'agenesen entstanden sind, welche Aktinolith, Epidot und Chlorit enthalten. Zur Klarung dieses Problems soll untersucht werden, ob del' Pauschalchemismus von basaltischem, andesitischem odeI' Grauwacken-Ausgangsmaterial
die Bildung del' genannten Paragenesen gestatten wiirde. Zu diesem Zweck
sind in Abb. 3 die chemischen Zusammensetzungen von Basalten, Andesiten
und Grauwacken und die darstellenden Punkte del' Minerale Aktinolith Chlorit,
Epidot, Prehnit und Pumpellyit in ein ACF-Diagramm eingetragen worden.
Die Abb. 3 geht im wesentlichen auf eine Vorlage von Winkler (1967, S. 53)
zuriick. Sie ist erganzt worden durch chemische Mittelwerte del' genannten Gesteinstypen nach Nockolds (1964), Pettijohn (1963) und Wedepohl (1967). Anhand
del' Abb. 3 wird verstandlich, daB die Paragenesen [6] A-P-Pu-Q und [9]
A-E-P-Q bei del' Metamorphose basaltischen, andesitischen odeI' Grauwackenmaterials deshalb nicht gebildet worden sind, weil dessen chemische Zusammensetzung hierfiir kaum geeignet ist. Die eingetragenen Mittelwerte von Basalten,
Andesiten und Grauwacken liegen deutlich jenseits del' "tie line" PumpellyitAktinolith bzw. Epidot-Aktinolith. Diesel' Sachverhalt wird noch verstandlicher,
wenn man daran denkt, daB "normale" Griinschiefer aus Aktinolith, Chlorit,
Epidot und Quarz (+ Albit, ± Calcit) zusammengesetzt sind. Die darstellenden
Punkte diesel' Griinschiefer im ACF-Diagramm, welche bei ansteigendem Metamorphosegrad die hier diskutierten Prehnit-Pumpellyit-Chlorit-Paragenesen ab-
Prehnit- und PumpeUyit-haltige Paragenesen
249
Abb. 3. Lage der darstellenden
Punkte von Basal ten, Andesiten
und Grauwacken im A-C-FDiagramm. (2) basaltic and
andesitic rocks nach Winkler
(1967). II greywackes (Winkler,
1967). 0 Grauwacken, Mittelwert, Pettijohn (1963). E9 Andesite, Mittelwert, Nockolds
(1964) .• Tholeiitische Basalte,
Mittelwert, Wedepohl (1967).
+ Olivin-Alkalibasalte, Mittelwert, Wedepohl (1967)
A
CL---------------"'CJ=------' F
A
losen - also identische Pauschalchemismus aufweisen -liegen in der Regel auf
jener Seite der "tie line" Epidot-Aktinolith, die zum Chlorit hinweist.
Ebenso kann auch die Paragenese [3] E-P-Pu-Q bei der niedriggradigen
Metamorphose von andesitischem, basaltischem oder Grauwacken-Ausgangsmaterial aus chemischen Griinden nicht gebildet werden. Diese Paragenese entsteht
aber moglicherweise, wenn das Ausgangsmaterial kalkig mergeligen Charakter
besitzt.
Auch die Paragenesen [10] A-E-P-Pu, [13] G-E-P-Pu und [14] A-CP-Pu, an denen Quarz nicht beteiligt sein darf, werden aus chemischen Griinden
seltener anzutreffen sein. Dies ist aus den Abb. 2 und 3 nicht ohne weiteres zu ersehen, weil Si0 2 und damit Quarz nicht dargestellt ist. Wenn man sich jedoch vergegenwartigt, daB in dem betreffenden Ausgangsmaterial von Grauwacken- und
auch von basaltischem und andesitischem Charakter Quarz in diesen sehr niedriggradigen Metamorphiten meist vorhanden ist, so wird diesel' Befund verstandlich;
dieses zeigt Abb. 4.
In Abb. 4 sind wie in Abb. 1 an den Ecken eines Tetraeders die 4 Komponenten
CaO, MgO, Al 2 0 a und Si0 2 dargestellt worden. Die darstellenden Punkte von Basalten, Andesiten und Grauwacken liegen oberhalb der Flache, deren Eckpunkte
von den Mineralen Aktinolith, Chlorit, Epidot und Prehnit gebildet werden; die
darstellenden Punkte von Basalten liegen nur wenig oberhalb dieser Flache, wahrend Andesite und Grauwacken weiter entfernt zur Quarzecke hin liegen. Der
darstellende Punkt von Pumpellyit befindet sich unterhalb dieser FHiche, der des
Quarzes an der Spitze des Tetraeders. Die Paragenesen [10], [13], und [14] liegen
unter der Flache Aktinolith-Chlorit-Epidot-Prehnit. Daraus ist ersichtlich, daB
man diese Paragenesen in Metamorphiten mit dem genannten Pauschalchemismus
seltener erwarten darf. Wenn sie jedoch als Metamorphoseprodukte von Basalten, Andesiten und Grauwacken gefunden werden, dann muB ein besonderer, abweichender Gesteinschemismus vorliegen.
250
K.-H. Nitsch:
Ahh. 4. Schematische Lage der daratellenden Punkte von Andeaiten. Basalten und Grauwacken und der Minerale
Aktinolith, Chlorit, Epidot, Prehnit,
Pumpellyit und Quarz im Tetra.eder
CaO-MgO- AlaOa-SiO z
CaO
/vfgO
Bei diesen Erorterungen wird stets davon ausgegangen, daB die Metamorphose
dieser Gesteine unter isochemischen Bedingungen abgelaufen ist, was nach dem
jetzigen Kenntnisstand oft zutreffend ist. Dies schlieBt jedoch nicht metasomatische Prozesse im Bereich von Millimetern oder wenigen Zentimetern aus, die von
Coombs et al. (1970) ala "localmetasomatism" bezeichnet werden, und auch nicht
die Zu- oder Abfuhr der Gasphase.
3. Experimentelle Untersuchungen
3_1. VersucMapparatur und chemische Zusammensetzung der benutzten Minerale
Mit Hille von Experimenten wurde begonnen, die P, T-Daten der Stabilitii.tsfelder der in Kapitel 2. diskutierten, haufig gebildeten Paragenesen zu ermitteln.
Diese Untersuchungen wurden in Hydrothermalapparaturen durchgefUhrt, in
Tahelle 2
SiO z
TiO a
AltOa
FezOa
FeO
MnO
Cao
MgO
NazO
~O
H 2O+
HzOCOz
PzO a
Summe
Chlorit
Pumpellyit
26,4
n.h.
19,3
10,1
21,3
0,6
0,2
11,0
0,3
0,2
11,3
n.h.
n.h_
n.h.
n.h.
n.h.
23,5
3,9
1,4
n.h.
22,6
4,6
0,8
0,4
n.h.
n.h_
n.h.
n.h.
100,7
Aktinolith
57,4
0,1
0,4
1,3
5,2
0,3
12,1
19,5
0,7
<0,1
2,3
n.h.
n.h.
n.h.
Epidot a
37,5
n.h.
24,7
10,3
0,5
0,4
23,6
0,2
0,2
0,1
n.h.
n.h.
n.h.
n.h.
99,4
a entspricht Ca. (AI z,7' Fe~.t) [O! OR! SiO.! Si z0 7].
-
- - - - - -- --
-
Prehnit- und Pumpellyit-haltige Paragenesen
+
251
+
+
+
Reaktion (1): Prehnit Chlorit H 20 ~ Pumpellyit Aktinolith Quarz
Ausgangsmischungen (Zahlen geben Gew.- % des jeweiligen Minerals an):
a): C-30, P-50, Pu-lO, Q-lO.
b): C-20, P-30, Pu-10, Q-20, A-10, E-lO.
Tabelle 3
Vers.Nr.
T
P
(0 C)
(kb)
Versuchszeit
.Aus-
P
C
-1
±
-1
±
±
±
Pu
Q
+
+1
±
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+1
±
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
gangsmischung
.A
E
(Tage)
172-1
172-2
172-3
183-1
183-2
183-3
184-1
184-2
184-3
202-1
202-2
203-3
310
290
265
390
370
340
330
315
290
280
265
245
7
7
7
9,5
9,5
9,5
9,5
9,5
9,5
9,5
9,5
9,5
84
84
84
77
77
77
78
78
78
115
115
115
183-11
183-22
183-33
184-11
184-22
184-33
202-11
202-22
202-33
390
370
340
330
315
290
280
265
240
9,5
9,5
9,5
9,5
9,5
9,5
9,5
9,5
9,5
77
77
77
78
78
78
115
115
115
a
a
a
a
a
a
a
a
a
a
a
a
b
b
b
b
b
b
b
b
b
±
±
±
±
±
±
+
+
+
+
+
+
+
+
±
+
±
±
±
±
±
±
±
±
denen Drucke bis zu 10 kb erzeugt werden konnen. Die Genauigkeit del' Drucke
liegt bei ± 5 %. Die Temperaturangaben konnen mit einem Fehler von ± 10° C
behaftet sein; sie wurden durch Eichung mit Mantelthermoelementen im Probenraum der Autoclaven bestimmt. Eine detaillierle Beschreibung der Hydrothermalapparaturen kann bei Althaus (1969), S. 76--80 nachgelesen werden.
Die Versuche wurden unter Verwendung von natiirlichen Mineralen durchgefiihrt. Diese haben die in Tabelle 2 aufgefiihrte chemische Zusammensetzung.
3.2. Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen
In den folgenden Tabellen 3 bis 6 sind die Versuchsergebnisse zusammengestellt
und in Abb. 5 in ein P, T-Diagramm iibertragen worden.
Fiir die Minerale Aktinolith, Chlorit, Epidot, Prehnit, Pumpellyit und Quarz
wurden dieselben Abkiirzungen benutzt wie in Tabelle 1. Die fiir Zu- bzw. Abnahme eines Minerals verwendeten Symbole haben folgende Bedeutung: = - deutliche Abnahme, - ? = unsichere Abnahme, ± = keine Veranderung, = deutliche
Zunahme,
? = unsichere Zunahme.
+
+
K-H.
252
+
+
+
Reaktion (2): Pumpellyit Chlorit Quarz ~ Epidot Aktinolith
Ausgangsmischung: c): Pu-20, C-20, Q-20, E-20, A-20
itsoh:
+H O
2
Tabelle 4
Verso
Nr_
T
P
(0 C)
(kb)
131-11
131-22
132-11
132-22
148-11
14S-22
139-11
139-22
13S-11
13S-11
144-11
144-22
167-3
460
435
370
345
340
325
430
415
390
375
360
340
340
7
7
7
7
7
7
4
4
4
4
4
4
4
Versuohszeit
(Tage)
AusPu
gangsmisohung
56
56
56
56
SO
SO
60
60
SI
SI
91
91
126
0
+
0
Q
0
0
±
0
+
+
+1
±
+
+
+1
±
+
+
+1
±
+
±
±
±
±
0
0
0
0
0
0
0
0
e
+
+
Reaktion (5): Prehnit Chlorit Quarz ~ Epidot Aktinolith
Ausgangsmischung: d): P-30, 0-40, Q-IO, E-1O, A-IO
E
A
+
+
±
+
+
±
-1
+
+
+
+
+
±
±
-1
+
+
+
+1
+
±
±
+H O
2
Tabelle 5
Verso
Nr.
T
P
(°0)
(kb)
131-1
131-2
131-3
139-1
139-2
13S-1
13S-2
144-1
145-1
145-2
141-1
141-2
460
435
400
430
415
390
375
360
430
410
3S5
360
7
7
7
4
4
4
4
4
2
2
2
2
Versuohszeit
(Tage)
AusP
gangsmisohung
56
56
56
60
60
SI
SI
91
91
91
49
49
d
d
d
d
d
d
d
d
d
d
d
d
C
Q
-1
-1
-1
-1
-1
±
±
±
E
A
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
±
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
±
P
253
Prehn it- und Pumpellyit-haltige Paragenesen
Reaktion (6): Pumpellyit + Quarz ~ Prehnit + Epidot + Chlorit + H 20
Ausgangsmischung: e): P-45, 0-30, Q-I0; Pu-5; A-5; E-5
Tabelle 6
Verso
Nr.
T
(°0)
P
(kb)
Versuchszeit
(Tage)
AusP
gangsmischung
370
2
2
2
126
126
126
e
e
e
340
340
±
±
0
Q
±
±
±
±
±
±
Pu
A
E
+
±
±
±
+
+
±
Zu den Versuchsergebnissen mussen einige Hinweise angefiihrt werden. Del'
Versuch 183-11, 390°0-9,5 kb, Reaktion (1) ergab, daB auBer Purnpellyit,
Aktinolith und Quarz auch Epidot deutlich zugenommen hat. Diesel' Versuchspunkt liegt daher wahrscheinlich schon im P, T-Feld III, in dem Pumpellyit +
Chlorit + Quarz zuJ Epidot + Aktinolith + H 2 0 reagieren. Diesel' Versuch ist in
Abb. 5 besonders gekennzeichnet.
Die Ausgangsmischung (e) war ursprunglich fiir eine andere Reaktion hergestellt
worden; sie hat deshalb wegen del' geringen Purnpellyitmenge fiir die Reaktion (6)
eine ungiinstige Zusammensetzung.
3.3. Diskussion der Versuchsergebnisse
Nur die Reaktion (2) ist bisher reversibel dUTchgefuhrt worden. Fur die Gleichgewichtskurven der Reaktionen (1), (5) und (6) liegen orientierende Daten vor, die
jedoch durch weitere Versuche noch genauer bestimmt werden miissen. Die in
Abb. 5 graphisch dargestellten Versuche ergeben eine erste Annaherung uber den
Verlauf del' Gleichgewichtskurven (1) bis (6) im P, T-Diagramm. 1m folgenden
Kapitel 4. wird zu prillen sein, ob diese Ergebnisse mit den vorliegenden petrographischen Beobachtungen im Einklang stehen.
ZUT richtigen Interpretation del' in Abb. 5 dargestellten, experimentell ermittelten GleichgewichtskUTven mussen einige Bemerkungen angefiigt werden.
Bei del' theoretischen Betrachtung des Systems CaO-MgO-Al 2 0 3-Si0 2 im
Kapitel 2. wurden FeO und Fe 20 3 nicht beriicksichtigt. Diese Vereinfachung ist
jedoch nicht zulassig, wenn man sich mit natiirlichen Gesteinen befaBt. Erweitert
man nun das System CaO-MgO-Al203-Si02 urn FeO, dann sind, wenn sich die
Anzahl del' Phasen nicht erh6ht, sondern wenn, wie in den bier betrachteten Mineralen, das FeO isomorph MgO ersetzt, die im Fe-freien System univarianten
Gleichgewichtskurven bivariant. Sie werden nicht nur dUTCh die Faktoren P und
'I', sondern auch vom jeweiligen Fe 2 +/Mg-Verhaltnis bestimmt. Es ergibt sich
ein Freiheitsgrad zusatzlich. 1m P, T-Diagramm auf3ert sich die Bivarianz dadurch, daB die Gleichgewichtskurven dUTCh Gleichgewichtsflachen ersetzt werden
miissen.
254
K.-H. Nitsch:
p
11
CkbJ
10
9
8
7
6
5
4
3
2
200
Abb. 5. Graphische DarsteUung der Experimente. - experimentell bestimmt; - ' - angenahert experimentell bestimmt; .... schematisch gezeichnet. H
S = Hinrichsen u.
Schiirmann (1969b)
+
P +O=Pu + Q
~ Pu + A + Q
o Pu+O + Q ~ E +A
• E +A
~ Pu +O+ Q
o P +0+ Q ~ E +A
@)
Pu + Q
~ P +C+ E
+ keine deutliche Reaktion
E + ~ Versuch 183- 11 (Reaktion
Pu + 0 Versuch 167-3 (Reaktion
o P +0
(Mischtmg a, b)
(Mis chung c)
(Mis chung c)
(Mis chung d)
(Mischung e)
1)
2)
Der EinfluB des MgJFe 2+-Verhiiltnisses ist in den bisherigen Experimenten noch
nicht beriicksichtigt worden. In Abb.6 wurde der bivariante Bereich vorerst
schernatisch mit 30°0 angenommen und gezeichnet.
In Abb. 5 ist die Gleichgewichtskurve der Reaktion
Prehnit + Ohlorit
+ H 20 ~ Purnpellyit + Quarz,
die Hinrichsen und Schiirrnann (1969b) ermittelt haben, ebenfalls eingezeichnet
worden. Diese Versuche wurden mit Fe-freien synthetischen Mineralen durchgefiihrt. Da unsere Versuche zur Reaktion (1) noch nicht reversibel durchgefiihrt
worden sind, kann sich die in Abb.5 eingezeichnete Kurve (1) zu niedrigeren Ternperaturen hin verschieben. Allerdings lassen die Ergebnisse von Hinrichsen und
l
Prehnit- und PumpelJyit-ha lLige Paragcnesen
255
Schiirmann (1969 b) vermuten, daB sich keine wesentliche Verschiebung ergeben
wird. Der in Abb. 5 gezeigte Verlauf der Gleichgewichtskurve (1) wurde bei 9,5 und
7 kb naherungsweise bestimmt und ist bei Drucken < 7 kb geschatzt worden. Wie
groB der EinfluB des isomorphen Ersatzes von Mg durch Fe2+ ist, kann zur Zeit
noch nicht gesagt werden.
Die Lage des in Abb. 5 eingetragenen invarianten Punktes hangt yom genauen
Verlauf der sich unter spitzem Winkel treffenden Gleichgewichtskurven (1) und
(2) abo Nach dem abgeschatzten Verlauf von (1) liegt er bei 345°C und 2,5 kb. Es
gibt Grlinde dafUr, anzunehmen, daB sich der invariante Punkt zwischen 1 und
4 kb befindet, was im folgenden Kapitel naher erortert wird.
Die Lage von Gleichgewichtskurve (6) in Abb. 5 steht in deutlichem Widerspruch
zu den Ergebnisse nvon Landis und Rogers (1968), welche die Reaktion PumpelJyit
Quarz zu den sehr wahrscheinlich metastabilen Mineralen Anorthit und Clinopyroxen untersucht haben. Sie geben aufgrund nicht reversibler Versuche die
Daten 500°C- I000 Bar und 530°0-3000 Bar fUr die Kurve dieser Reaktion
an. Diese Ergebnisse stehen im Widerspruch zu allen bisher bekannten Naturbeobachtungen, was auch von den Autoren selbst festgestellt wird.
+
4. Die Stabilitatsbeziehnngen der verschiedenen Paragenesen im P, T-Diagramm
sowie Vergleich der phasentheoretischen nnd experimentel1en Ergebnisse mit
dem petrographischen Befmld
In diesem Kapitel wird diskutiert, ob die aufgrund theoretischer Dberlegungen in
Abb. 2 konstruierte und durch Experimentein Abb. 5 mit Daten belegte Anordnung
der Gleichgewichtskurven (1) bis (6) und die sich daraus ergebenden Stabilitatsbeziehungen der verschiedenen Paragenesen zueinander mit den Beobachtungen
in der Natur im Einklang stehen.
Zu diesem Zweck wurden die in einigen metamorphen Gebieten bei ansteigendem Metamorphosegrad aufeinanderfolgenden Paragenesen tabellarisch erfaBt
(s. Tabelle 7).
Die im Gelande gewonnenen Ergebnisse lassen sich in 3 charakteristische Gruppen einteilen.
Gruppe A: Bei steigendem Metamorphosegrad treten zunachst Laumonit +
Chlorit-haltige und Epidot + Chlorit + Prehnit-haltige Paragenesen auf. Daran
schlieBen Prehnit + Pumpellyit + Chlorit-fiihrende Paragenesen an, und diese
werden bei weiter ansteigendem Metamorphosegrad von der Epidot + Aktinolith +
Ohlorit-Assoziation abgelost. Damit ist das "very-low-stage" der Metamorphose
verlassen und das "low-stage", d.h. die Griinschieferfazies nach Winkler (1970)
erreicht worden. Diese Abfolge bei steigendem Metamorphosegrad ist offensichtlich bei geringen Drucken (= groBer thermischer Gradient) wabrend der Metamorphose charakteristisch.
Das Vorkommen von Laumontit spricht fUr Drucke, die maximal 3 ± 0,5 kb
betragen haben konnen, da bei hoheren Drucken Laumontit zu Lawsonit + Quarz
reagiert (Nitsch, 1968).
In Abb. 6 sind verschieden groBe thermische Gradienten neben den Gleichgewichtskurven (1) bis (6) in ein P , T-Diagramm eingetragen worden. Nimmt man
einen recht groBen thermischen Gradienten von etwa 40 0 0/km an, so ergibt sich,
256
K.-B. Nitsch:
Tabelle 7
Gruppe
Bea.rbeiter
(Gebiet)
C + E + pa
C + Lb
C + L + pc
Paragenesen
C+P+Pu
(± E, Q)
C+Pu
(kein P)
A + C+Pu A+E+Pu A+C+E
(kein P)
(kein P)
(kein
P, Pu)
(± E)
(± C)
- - - - - - - Ansteigender Metamorphosegrad
A
Seki (1969)
(Tanzawa
Mount.)
Smith (1969)
(Australien)
+b
+
------------~,
+
+
+
------------~,
+
+
---------------~,
+
a
Levi (1969)
(Chile)
B
C
Coombs (1960)
(Neuseeland)
+ b. c
+
+
Martini u.
Vuagnat (1970)
(Westalpen)
+ b
+
+
+
Seki (1961)
(Sanbagawa)
+d
+d
+e
Sibukawa
n.a.
n.a.
+
+
Symbole: A = Aktinolith, C = Chlorit, E = Epidot, Q = Quarz, P = Prehnit, Pu = Pumpellyit, L = Laumontit. n. a. = Nicht aufgeschlossen.
a Chlorit + Epidot + Prehnit. - b Chlorit + Laumontit. - c Chlorit + Laumontit + Prehnit. - d + Na-Amphibol. - e + Na-Amphibol, Jadeit, Lawsonit, Chlorit. - r wenig NaAmphibol.
daB einem P, T-Feld, in dem Prehnit + Pumpellyit + CWorit stabil sind, uber ein
sehr kleines Zwischenfeld unmittelbar del' Bereich del' Griinschieferfazies folgt.
Prehnit und Pumpellyit werden nach den Reaktionen (5) und (6) zu Epidot,
Aktinolith und CWorit reagieren. Es entsteht bei geringen Drucken, welche unterhalb des invarianten Punktes liegen, durch Reaktion (5) erstmals Aktinolith bei
aufsteigender Metamorphose. Del' sehr geringe Temperatur-Abstand del' Kurven
(5) und (6) im P, T-Diagramm laBt eine Aussage von Coombs et 0.1. (1970) verstehen, die schreiben: "On the other hand in regions of high thermal gradient, for
example Tanzawa Mountains (Seki et 0.1. 1969) prehnite and pumpellyite (if present) both disappear by about the stage at which actinolite first appears". Diese
Beobachtung trifft fiir alle in Gruppe A genannten Gebiete zu.
Das P, T-Zwischenfeld VI, in dem kein Pumpellyit + Quarz, woW abel' noch
Prehnit CWorit Quarz stabil sind, hat nur eine kleine Ausdehnung. Hierdurch,
also durch den eng benachbarten Verlauf del' Gleichgewichtskurven (5) und (6)
wird die Beobachtung von Smith (1969) verstandlich, daB Prehnit gelegentlich bis
zu einem geringfugig hOheren Metamorphosegrad stabil bleibt als Pumpellyit.
Auch Packham und Cook scheinen, wie man der Arbeit von Smith (1969) entnehmen kann, diese Beobachtung gemacht zu haben.
+
+
l
257
Prehnit- und Pumpellyit-haltige P aragenesen
P
km
(kbJ
10
9
30
7
6
20
5
3
10
2
-/
Abb _6_ Zu Abb. 5 sind die geothermischen Gradienten 6° C/km, lOoC/km, 20°C/km und 40°C/
km eingetragen worden. Zusatzlich wllrden die Gleichgewichtskurven del' Reaktionen
Calcit ~ Aragouit (Goldsmith u. Newton, 1969, und Bocttcher u. Wyllie, 1968), Jadeit +
Quarz ~ Albit (Newton u. Smith, 1968) dargestellt. Die in den Sektoren I bis VI aufgrtmd
von geeignetem Chemismus ha uiig zu erwartenden Paragenesen sind eingerahmt gezeichnet
worden. Schlangenliuie symbolisiel't die angenommene Grenze des metamorphen Bereichs zu
niedrigen Temperaturen hin. Schraffierte Flachen stellen den geschatzten bivariantenBereich
der GJeichgewichtskurven (1), (2), (4), (5) und (6) dar, wenn das System CaO, MgO, A 20 a ,
Si0 2 urn FeO erweitert wird. (J . P .) symbolisiert den Bereich, in dem del' jeweilige invariante
Punkt bei verschiedenem Mg/Fe-Verhaltnis liegen k6nnte
FUr die Gruppe B ist die Abfolge der charakteristischen Paragenesen bei ansteigendem Metamorphosegrad eine andere. Der niedrigstgradigen Paragenese aus
Laumontit + Chlorit folgt ebenso wie in Gruppe A die Paragenese Prehnit + Fumpellyit + Chlorit; diese wird jedoch nicht nach Durchschreiten eines nur sehr kleinen Temperaturbereichs von der Griinschieferparagenese Epidot Aktinolith
Chlorit bei weiter ansteigendem Metamorphosegrad abgelost, sondern es folgt eine
"Dbergangsparagenese" Pumpellyit + Aktinolith + Chlorit, die in Gruppe A nicht
vorkommt. Prehnit und Pumpellyit fehlen also nicht gemeinsam beirn Erreichen
eines bestimmten Metamorphosegrades, sondern zunachst versschwindet Prehnit
und erst dann Pumpellyit. Aus Abb. 5 und 6 ist ersichtlich, daB diese Abfolge an
+
18
Contr.lI1ineral. and P etrol., Vol. SO
+
258
K.-H. Nitsch:
Paragenesen nur dann moglich ist, wenn die Metamorphose unter Drucken ablauft, die groBer sind als der dem jeweiligen invarianten Punkt entsprechende
Betrag. In Abb. 6 wird ein solcher Fall durch den Gradienten 20 0 0/km reprasentiert. Die Drucke konnen jedoch auch hier nicht sehr groB gewesen sein, denn die
niedrigsttemperierten Paragenesen enthalten wiederum Laumontit, und es fehlen
Indikatoren fiiI' hOhere Drucke wie Na-Amphibole, Aragonit oder Jadeit.
Die sich bei einem thermischen Gradienten von 20° O/km ergebende Abfolge an
Paragenesen deckt sich mit der, wie sie fUr die Gruppe B charakteristisch ist.
Die Anwesenheit von Na-Amphibol, Aragonit oder Jadeit ist ein eindeutiger
Indikator dafiir, daB zur Bildung del' Paragenesen del' Gruppe 0 dieMetamorphose
unter sehr hohen Drucken (= sehr kleiner thermischer Gradient) abgelaufen ist.
Die Abfolge der Paragenesen der Gruppe 0 unterscheidet sich durch das Fehlen
Prehnit-haltiger Paragenesen wesentlich von der der Gruppen A und B. Das kann
anhand von Abb. 5 und 6 erklart werden, die erkemlen lassen, daB mit zunehmendem Druck das P, T-Feld I, in dem allein Prehnit + Ohlorit + Pumpellyit + Quarz
stabil sind, immer kleiner wird. Bei P , l'-Bedingungen von z.B. 280°0-10 kb
oder 250°0- 9,5 kb, die gerade im Jadeit-Stabilitatsfeld liegen (Newton und
Smith, 1967), ist Prehnit neben Ohlorit nicht stabil, statt dessen tritt die Paragenese Pumpellyit + Aktinolith + Ohlorit auf. Diese P, T-Bedingungen entsprechen
thermischen Gradienten von 6--8° O/km, also sehr kleinen Gradienten. Prehnithaltige Paragenesen sind nach Abb. 6 bei Drucken von etwa 10 kb erst unterhalb
von 220°0 stabil. Dies wiirde thermische Gradienten von weniger als 6°0/km bedingen, deren Existenz als unwahrscheinlich angesehen werden muB.
Die charakteristische Abfolge del' Paragenesen der Gruppe 0 beginnt mit Pumpellyit + Ohlorit bzw. Pumpellyit + Ohlorit + Aktinolith, und mit steigendem Metamorphosegrad tritt die Paragenese Pumpellyit + Aktinolith + Epidot an deren
Stelle. Dies steht im Einklang mit Abb. 5 und 6; denn nach "Oberschreiten der
Gleichgewichtskurve (2) wird die Paragenese Pumpellyit + Aktinolith + Epidot
stabil. Bei weiter ansteigendem Metamorphosegrad tritt wie bei den Beispielen in
Gruppe A und B Epidot neben Aktinolith und Ohlorit auf, jedoch ist Pumpellyit
nicht mehr existent. Der Pumpellyit reagiert bei diesem Dbergang wahrscheinlich
nicht nach Reaktion (3), wie man annehmen konnte, sondern nach einer Reaktion,
an del' Na-Amphibol beteiligt ist. Dies wird von del' Beobachtung gestiitzt, daB
gleichzeitig mit Pumpellyit del' groBte Teil an Na-Amphibol aus den Metamorphiten verschwindet (Seki 1961). Es handelt sich hierbei um eine Reaktion aus einem
System, das zusatzlich zu den hier vorhandenen Komponenten noch Na 20 enthalt.
Darauf kann in diesel' Arbeit jedoch nicht naher eingegangen werden.
Zusammenfassend kann festgehalten werden, daB die mit ansteigendem Metamorphosegrad unterschiedllchen Abfolgen del' genannten Paragenesen, wie sie aus
den verschiedenen metamorphen Gebieten del' Erde beschrieben wurden, innerhalb
des gleichen Temperaturbereiches abel' bei verschieden groBen Drucken entstanden
sind. Die in den Kapiteln 3. und 4. diskutierten und in den Abb. 2, 5 und 6 graphisch dargestellten Phasenbeziehungen erklaren die verschiedenen petrographischen Naturbeobachtungen. Prehnit + Pumpellyit + Ohlorit + Quarz sind demnach bei 2 kb bis zu 345 ± 20° 0 und wegen der negativen Steigung del' Gleichgewichtskurve der Reaktion (1) bei 7 kb nur bis zu 260 ± 20°0 stabil. Zur Bildung
del' Paragenese Aktinolith + Ohlorit + Pumpellyit + Quarz muB del' Druck graBer
Prehnit- und Pumpellyit-haltige Paragenesen
259
als 2,5 ± 1 kb gewesen sein. Diese Paragenese ist innerhalb eines vom Druck recht
stark abhiingigen Temperaturbereiches stabil (siehe Feld II Abb. 6), z. B. bei 7 kb
in einem Bereich von etwa 100° C, namlich von 260 ± 20° C bis 370 ± 20° C. Bei
4 kb betragt del' Temperaturbereich, in dem Aktinolith, Chlorit, PumpeUyit und
Quarz nebeneinander stabil sind, nur etwa 50°C.
Die Paragenese Aktinolith + Chlorit + Epidot + Quarz, die typisch fiir die
Griinschieferfazies, d. h. fiir den " low -stage" del' Metamorphose ist, kann ab etwa
350 ± 20°C bei 2-3 kb H 20-Druck gebildet werden. Diese Temperaturgrenze erhaht sich nur wenig mit steigendem Druck.
Zur genaueren Ermittlung del' P, l'-Daten del' verschiedenen Gleichgewichtskurven miissen weitere Experimente durchgefiihrt werden, wobei besonders auch
del' EinfluB des MgfFe 2+-Verhiiltnisses zu prufen sein wird.
Herm Prof. Dr. H. G. F . Winkler mochte ich an diesel' Stelle fiir die kritische Durchsicht des
Manuskriptes sowie manche wertvolle Diskussion danken. Ebenso gilt mein Dank Herrn Dr.
B. Storre und Herm Doz. Dr. P. Metz fiir anregende Diskussionen. Herr Dr. P. SiiBe besorgte
die Dbersetzung des Abstracts.
AuBerdem sei den Angestellten del' Mineralogischen Anstalten und des Mineralogisch-Petrologischen Instituts gedankt, die zu diesel' Arbeit einen Beitrag geleistet haben.
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft forderte durch apparative Unterstiitzung wesentlich
den experimentellen Teil der vorliegenden Publikation.
Literatur
Althaus, E.: Das System Al 2 0s-Si0 2-H2 0. Experimentelle Untersuchungen und Folgerungen fiir die Petrogenese del' metamorphen Gesteine. Neues Jahrbuch Mineral. Abhand. 111,
74-161 (1969).
Boettcher, A. S., Wyllie, P. J.: The calcite-aragonite transformation etc. J. Geol. 76,314-330
(196S).
Coombs, D. S.: Lower grade mineral facies in New Zealand. Internat. Geol. Congr. 21st.
Copenhagen, Rept. Part 13, 339-351 (1960).
- Some recent work on the lower grades of metamorphism. Australian J. Sci. 24, 203-215
(1961).
- Ellis, A. J., Fyfe, W. S., Taylor, A. M.: The zeolite facies with comments on the interpretation of hydrothermal synthesis. Geochim. Cosmochim. Acta 17, 53-107 (1959).
- Horodyski, R. J., Naylor, R. S. : Occurence of prehnite-pumpellyite facies metamorphism
in northern Maine. Am. J. Sci. 268, 142-156 (1970).
De Roever, W. P.: Occurence of the mineral pumpellyite in eastern Borneo. Bull. Bor. Min.
Indones. 1, 16- 17 (1947).
Dickinson, W . R.: Petrology and diagenesis of jurassic andesitic strata in central Oregon. Am.
J. Sci. 260, 4S1-500 (1962).
Dietrich, V.: Vergleichende Untersuchungen zwischen den Ophiolithen del' Platta-Decke .....
Fortschr. Mineral. 47, Beiheft 1, 10-15 (1970).
Goldsmith, R. J., Newton, R. C.: P- T- X relations in the system CaCOs-MgCOs etc. Am.
J. Sci. 267 A, 160-190 (1969) .
Hashimoto, M.: On the prehnite-pumpellyite faci es. Geol. Soc. Japan J. 72,253-265 (1965) .
Hawkins, J. W.: Prehnite-pumpellyite facies metamorphism of a greywacke-shale series,
Mount Olympus, Washington. Am. J. Sci. 265, 798-S1S (1967).
Hinrichsen, Th., Schiirmann, K.: Synthese und Bildungsbedingungen des Pumpellyits. Naturwissenschaften 55, 131-132 (196S).
- - Reaktionen zur Festlegung des Stabilitatsfeldes von Pumpellyit. Naturwissenschaften
56, 326 (1969a).
- - Untersuchungen zur Stabilitat von Pumpellyit. Neues Jahrb. Mineral. Monatsh. 10,
441--445 (1969b).
1S'
260
K-H. Nitsch: Pl'ehnit- und Pumpellyit-haltige Paragenesen
Hutton, C. 0.: On occurrence of the mineral pumpellyite in the Lake Wakatipu region,
Western Otago, New Zealand. Mineral. Mag. 24, 529-533 (1937).
Landis, C. A., Rogers, J.: Some experimental data on the stability of pumpeUyite. Am.
Mineralogist 63, 1038-1041 (1968).
Levi, B. : Burial metamorphism of a cretaceous volcanic sequence west from Santiago, Chile.
Contr. Mineral. and Petrol. 24, 30-49 (1969).
Martini, J., Vuagnat, M.: Metamorphose niedrigst temperierten Grades in den Westalpen.
Fortschr. Mineral. 47, 51-64 (1970).
- - Metamorphose niedrigst temperierten Grades in den Westalpen. Fortschr. Mineral. 47,
Beih. 1, 41--42 (1970).
Newton, R. C., Smith, J . V.: Investigations concerning the breakdown of albite at depth in
the earth. J. Geol. 76, 268-286 (1967).
Niggli, P . : Gesteine und Minerallagerstatten, Vol. 1. Basel 1948.
Nitsch, K . H.: Die Stabilitat von Lawsonit. Naturwissenschaften 66, 388 (1968).
Nockolds, S. R.: Average chemical compositions of some igneous rocks. Geol. Soc. Am. Bull.
66, 1007- 1032 (1954).
Otalora, G.: Zeolites and related minerals in cretaceous rocks of east central Puerto Rico.
Am. J. Sci. 262, 726-734 (1964).
Packham, G. H ., Crook, K . A. W.: The principle of diagenetic facies and some of its implications. J. Geol. 68, 392-407 (1960).
Pettijohn, F. J.: Chemical composition of sandstones excluding carbonate and volcanic sands.
In Fleischer, M., ed. Data of geochemistry. U. S. Geol. Surv. Profess. Papers 44O-S, 19
(1963).
Seki, Y.: Jadeite and associated minerals in meta-gabbroic rocks of Sanbagawa metamorphic
belt in Central Japan. Am. Mineralogist 46,668-679 (1960a).
- Jadeite in the Sanbagawa metamorphic belt of central Japan. Am. J. Sci. 268,705-715
(1960b).
- Pumpellyite in low-grade metamorphism. J. Petrol. 2,407-423 (1961).
- Prehnite in low-grade metamorphism. Saitama Univ. Sci. Rept. 13, 5, 29-43 (1965).
- Oki, Y., Matsuda, T ., Mikami, K., Okumura, K . : Metamorphism in the Tanzawa Mountains, central Japan. Jap. Assoc. Miner., Petrol. and Econ. Geol. J. 61, 1- 75 (1969) .
Smith, R. E.: Zones of progressive regional burial metamorphism in part of the Tasman
geosyncline, eastern Australia. J. Petrol. 10, 144--163 (1969).
Strens, R. G. J . : Reconnaissance of the prehnite stability field. Mineral. Mag. 36, 864-867
(1968).
Vance, J. A.: Metamorphic aragonite in the prehnite-pumpellyite facies, north-west Washington. Am. J. Sci. 266, 299-315 (1968).
Wedepohl, K H.: Geochemie (Sammlung Goschen). Berlin: Walter de Gruyter 1967.
Winkler, H. G. F.: Die Genese der metamorphen Gesteine. Berlin-Heidelberg-New York:
Springer 1967.
- Abolition of metamorphic facies, introduction of metamorphic stage, and of a classification
based on isograds in common rocks. Neues Jahrb. H . 5, 189-248 (1970).
Zen, E.-An.: Construction of pressure-temperature diagrams for multicomponent system after
the method of Schreinemakers - a geometric approach. Geological Survey Bulletin 1225
(1966).
Dr. Karl-Heinz Nitsch
Mineralogisch-Petrologisches
Institut del' Universitat
BRD-3400 Gottingen, Lotzestr. 16- 18
Deutschland