Magnetomineralogische Charakterisierung von Laven des

Magnetomineralogische Charakterisierung von Laven
des Hawaii Scientific Drilling Project, USA
Agnes Kontny & Helga de Wall
Geologisches Institut, Im Neuenheimer Feld 234, 69120 Heidelberg
[email protected]
Einführung
Mit Hilfe einer Forschungsbohrung nahe Hilo auf der Insel Hawaii werden im Rahmen des Hawaii
Scientific Drilling Project (HSDP) die Natur und Entstehung von Intraplattenvulkanismus (”hot
spots”) untersucht (Stolper et al. 1996). In einer ersten Phase erreichte die HSDP-Bohrung im
September 1999 eine Teufe von 3300 m. Eine Vertiefung der Bohrung auf 4500 m ist für das Jahr
2001 geplant. Erste magnetische Bohrlochmessungen wurden im Teufenintervall 600 bis 1820 m
durchgeführt (Institut für Geophysik, Göttingen) und werden für die Beprobung der Bohrkerne für
unsere Untersuchungen als Grundlage herangezogen.
Im Rahmen unseres Forschungsprojektes untersuchen wir unterschiedliche Lavatypen (subaerisch
und submarin) des HSDP-Projektes, und erfassen mit Hilfe von gesteinsmagnetischen und mineralogischen Methoden Veränderungen innerhalb der Ströme sowie an ihren Kontakten, die durch verschiedene Prozesse wie Hochtemperaturoxidation, Subsolidus-Reaktionen, hydrothermale Alteration
und Verwitterung hervorgerufen wurden. Mit Hilfe magnetischer Kenngrößen wie Suszeptibilität,
Temperatur-abhängiges
Verhalten
der
Suszeptibilität,
Entmagnetisierungsund
Aufmagnetisierungsverhalten sowie durch eine petrologische Charakterisierung der Fe-Ti-Oxide
(Licht- und Rasterelektronen-Mikroskopie, Elektronenstrahlmikrosonde) sollen die Träger der
Magnetisierung und ihre Verteilung beschrieben werden. Diese Parameter sind u.a. wichtig für die
Interpretation von Magnetometer-Bohrlochmessungen.
Voruntersuchungen für dieses Projekt wurden an Blocklava-Proben eines ca. 1400 Jahre alten
Lavastroms (Panaewa flow) des Mauna Loa-Vulkans durchgeführt. Dieser Flow ist im Steinbruch, in
dem der Bohransatzpunkt liegt, mit einer Mächtigkeit von 5 – 10 m aufgeschlossen und wurde auch
im oberen Bohrabschnitt der Tiefbohrung und der 2,5 km NE liegenden Vorbohrung (KP-1)
durchteuft. In Bodennähe befand sich ein mächtiger Hohlraum mit einem aufgeschlossenen
Durchmesser von 1,5 m und es bot sich hier die Möglichkeit, Änderungen der Magnetomineralogie
in Bezug zur Abkühlung und Entgasung der Lava zu untersuchen. Während die Lava sonst massig
ausgebildet ist, ist sie am Rande dieses Hohlraums porös. Entnommen wurden 3 Proben; Hilo 1
stammt aus dem an Blasen reichen Hohlraumrand, Hilo 2 wurde im Abstand von ca. 50 cm und Hilo
3 im Abstand von 1,5 m beprobt. Die Suszeptibilitäten des Lavastroms wurden mit einem
Handkappameter bestimmt und betragen 10 - 25 x 10-3 SI Einheiten (24 Messungen).
Ergebnisse
Im folgenden werden erste gesteinsmagnetische und mineralogische Untersuchungen vor-gestellt, die
an diesen Proben durchgeführt wurden.
Tabelle 1 gibt einen Überblick über die Massensuszeptibilität (κm / Gewicht) sowie die
charakteristischen Temperaturen der κ(T)-Kurven. Die Abbildungen 1b und 1d zeigen temperaturabhängige Suszeptibilitätsmessungen im Temperaturbereich –193° - 650°C. Die κ(T)Messungen wurden unter Zugabe von Argon durchgeführt, um Oxidationsprozesse während des
Aufheizvorganges zu reduzieren. Eine Probe (Hilo 3) wurde zusätzlich in Luft aufgeheizt, um
Unterschiede aufgrund experimenteller Bedingungen aufzeigen zu können.
Die Blocklavaproben zeigen zwei unterschiedliche Kurventypen:
69
• Hilo 1 (blasenreiche oberflächennahe Probe; Abb. 1a): Anstieg der Suszeptibilität bis ca. –
155°C, relativ konstanter Verlauf bis ca. 100°C und danach langsamer Anstieg bis kurz vor
Erreichen einer Curietemperatur (Tc) bei 500°C. Eine zweite Curietemperatur tritt bei 560°C auf.
• Hilo 2 und 3 (massige Proben; Abb. 1b): Nach einem Anstieg der Suszeptibilität bis ca. –170°C
fällt die Suszeptibilität bis ca. 0°C ab und zeigt eine Curietemperatur zwischen –100 und –75°C. In
der Aufheizkurve steigt die Suszeptibilität bis kurz vor Erreichen von Tc allmählich an und ein
deutlicher Hopkinson-Peak ist sichtbar. Die Aufheizkurve zeigt bei Messungen in Argon nur eine
Curietemperatur (460°C), bei Messungen in Luft hingegen wurden zwei Curietemperaturen (580°C
und 628°C) bei deutlich höheren Temperaturen beobachtet.
Tabelle 1:
Massensuszeptibilität und charakteristische Temperaturen der ? (T)-Kurven (s. Abb. 1; Tv: VerweyUmwandlung, Tc : Curie-Temperatur).
Proben
Mauna Loa
Hilo1
Hilo2-1
Hilo2-2
Hilo3
Massensuszeptibilität
(1/g x 10-6)*
Tieftemperatur (°C)
Hochtemperatur (°C),
alles Tc
-155 (Tv?)
500, 560
-177 (peak)
515
-100 (Tc )
580
715
-170 (peak)
Ar: 460
-75 (Tc )
Luft: 580, 628
*da die Proben z.T sehr blasenreich sind, wurde statt der Volumensuszeptibilität hier die Massensuszeptibilität angegeben
Abb. 1:
1438
576
Thermomagnetische Kurven aus (a) vesikelreichen, oberflächennahen Probe mit zwei Curietemperaturen und (b) massigem Bereich eines subaerischen Lavastroms. Aufheizkurven in Argon (Ar)
und Luft zeigen deutliche Unterschiede. (c) Feinkörnige Fe-Ti-Oxide in Grundmassse und Chromspinelleinschlüsse in Olivin, Auflicht, Luft. (d) Fe-Ti-Oxidkorn mit Titanomagnetit- und Hämo-IlmenitLamellen aus massigem Bereich, Auflicht, Ölimmersion.
Mikroskopische Untersuchungen mit einem Polarisationsmikroskop zeigen ebenfalls deutliche
Unterschiede. Probe Hilo 1 ist durch mm-große Olivin- und Pyroxen-Einsprenglinge in einer sehr
feinkörnigen Matrix aus Plagioklasleisten und Pyroxen gekennzeichnet. In Olivin treten isometrische,
70
bis ca. 20 µm große Chromspinell-Einschlüsse auf (Abb. 1c). In der Grundmasse sind eine Vielzahl
von Oxiden mit einer Korngröße von ca. <1-5 µm disseminiert verteilt, bei denen es sich nach
Mikrosondenuntersuchungen überwiegend um Ilmeno-Hämatit und Titanomagnetit (Tabelle 2)
handelt. Eine Belegung des polierten Schliffes mit Ferrofluid zeigt, dass der Anteil von Ti-haltigem
Hämatit größer ist als der Anteil von Titanomagnetit.
Probe Hilo 3 ist insgesamt gröber kristallin ausgebildet. Die Fe-Ti-Oxide bilden xenomorphe bis
hypidiomorphe, teilweise auch skelettförmige Körner mit Korngrößen bis ca. 100 µm, die meist
polyphas zusammengesetzt sind. Zum einen wurden zweiphasige Titanomagnetit- Hämo-IlmenitKörner beobachtet, die lamellenartig miteinander verwachsen sind (Abb. 1d). Zum anderen kommen
Oxidaggregate vor, die nach Mikrosondenuntersuchungen aus Fe-haltigem Ilmenit, Ti-haltigem
Hämatit, Rutil und Pseudobrookit bestehen (Tabelle 2).
Repräsentative chemische Analysen der verschiedenen Phasen sind in Tabelle 2 zusammengestellt.
Tabelle 2: Repräsentative mineralchemische Analysen von Chromspinell (csp), Titanomagnetit (tm), IlmenoHämatit (ilhm), Hämo-Ilmenit (hmil), Pseudobrookit (psb) und Rutil (rt). Xhm ist die Hämatit-Komponente
in ilhm und hmil, Xmt ist die Magnetitkomponente in tm. TC (ber) ist die aus der chemischen
Zusammensetzung berechnete Curietemperatur unter der Annahme einer linearen Beziehung zwischen
der Curietemperatur und den Xmt- sowie Xhm -Anteilen der Titanomagnetit- und Ilmeno-HämatitMischkristalle.
Probe
Mineral
SiO2
TiO2
Al2O3
Cr2O3
Fe2O3
FeO
MnO
MgO
CaO
Summe
Si
Ti
Al
Cr
Fe3+
Fe2+
Mn
Mg
Ca
Sumox
Xhm
Xmt
TC(ber.)
Hilo1
csp
Hilo3
tm
ilhm
tm
hmil
psb
rt
0.08
1.79
2.05
0.11
0.12
0.03
1.03
8.51
9.04
18.64
6.30
42.24
13.14
2.83
0.68
2.11
3.23
0.04
49.77
0.00
0.04
0.10
0.05
0.03
5.75
45.14
78.18
29.90
86.55
21.29
18.79
38.30
5.67
45.60
3.55
32.57
0.09
0.35
0.46
0.27
0.24
0.50
10.21
1.26
0.93
1.49
1.04
2.76
0.14
0.40
0.52
0.14
0.09
0.01
99.03
98.66
98.11
98.38
101.18
99.48
Formeln berechnet für stöchiometrische Zusammensetzungen
0.00
0.07
0.05
0.00
0.00
0.00
0.03
0.24
0.18
0.53
0.12
0.80
0.51
0.12
0.02
0.09
0.10
0.00
1.29
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.14
1.27
1.54
0.84
1.66
0.40
0.52
1.20
0.12
1.43
0.08
0.68
0.00
0.01
0.01
0.01
0.01
0.01
0.50
0.07
0.04
0.08
0.00
0.10
0.01
0.02
0.01
0.01
0.04
0.00
4
4
3
4
3
3
0.06
50.85
0.31
0.03
31.18
11.28
0.18
2.26
0.14
96.32
0.06
97.67
0.00
0.07
1.75
0.00
0.00
0.03
0.16
99.77
0.00
1.52
0.01
0.00
0.93
0.38
0.01
0.13
0.01
5
0.00
0.98
0.00
0.00
0.02
0.00
0.00
0.00
0.00
2
0.77
0.07
0.63
420
470
0.42
240
ilhm
0.83
0.20
530
-35
Da die Titanomagnetit- und Ilmeno-Hämatitkörner der Hilo 1-Probe sehr klein sind, sind die
quantitativen Analysen kritisch zu betrachten. Geringe Anteile an SiO 2, MgO und CaO können auf
die umgebenden Silikate zurückzuführen sein. Während die Ilmeno-Hämatite aus beiden Proben
relativ ähnliche chemische Zusammensetzungen aufweisen, sind die Titanomagnetite deutlich
unterschiedlich zusammengesetzt.
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Die Abmagnetisierung der natürlich remanenten Magnetisierung zeigt für Probe Hilo 1 und Hilo 3
einen ähnlichen Verlauf mit einem MDF-Wert von 31 bzw. 38 mT, wobei die Hilo 3-Probe
geringfügig härter magnetisch ist. Diese Beobachtung ist ein Hinweis darauf, dass die magnetische
Domänengröße in beiden Proben ähnlich ist. Der Verlauf des Abmagnetisierungsverhaltens der
beiden Proben im Zijderfelddiagramm (hier nicht gezeigt) entspricht den von Holt et al. (1996)
beschriebenen Kurven mit einer sehr stabilen charakteristischen Komponente.
1
0.8
0.6
Hilo 3
0.4
Hilo1
0.2
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Feldstärke (mT)
Abb. 2:
Wechselfeldabmagnetisierung der natürlich remanenten Magnetisierung (NRM).
Zusammenfassung und Diskussion der Ergebnisse
An einer oberflächennahen, vesikelreichen und einer massigen Blocklavaprobe des Mauna LoaVulkans auf Hawaii wurden gesteinsmagnetische und mineralogische Untersuchungen durchgeführt.
Ziel dieser Untersuchungen ist es Informationen über die Träger der Magnetisierung zu erhalten.In
der Hilo 1-Probe sind Ilmeno-Hämatit der Zusammensetzung il23hm77 und Titanomagnetit mit einer
Magnetit-Komponente (Xmt) von ca. 0.6 pro Formeleinheit disseminiert in der Grundmasse verteilt.
Nach den mineralogischen Untersuchungen würde man in der thermomagnetischen Kurve zwei
Curietemperaturen (ca. 420° und 470°C) erwarten. Die Messung der temperaturabhängigen
Suszeptibilität im Temperaturintervall von –193 – 650°C zeigt drei charakteristische Temperaturen (155, 500, 560°C), wobei die erste als Verwey-Umwandlung interpretiert werden kann, wobei
jedoch nicht der scharfe, für reinen Magnetit typische Suszeptibilitätssprung auftritt, sondern ein
Anstieg, der typisch ist für Titanomagnetit mit geringen Ti-Gehalten (Moskowitz et al. 1998). Die
beiden anderen Suszeptibilitätssprünge entsprechen Curietemperaturen. Auffällig ist, dass keine Tc
auftritt, die der chemischen Zusammensetzung des Titanomagnetits zugeordnet werden kann. Diese
Beobachtung könnte darauf hindeuten, dass der gemessene Titanomagnetit aus magnetischen
Domänen besteht, die eine Magnetit-nahe Zusammensetzung aufweisen und die durch
paramagnetische Phasen (Ilmenit) getrennt sind. Die Domänengröße sollte allerdings eine gewisse
Größe aufweisen, da sonst keine Verwey-Umwandlung zu erwarten wäre. Diese Vermutung kann
jedoch nur mit hochauflösenden Methoden wie TEM geklärt werden, da sie durch die Mikrosonde
nicht auflösbar sind.
Die Hilo 3-Probe zeigt ein deutlich grobkörnigeres vulkanisches Gefüge mit zwei Typen von Fe-TiOxidaggregaten. Typ 1 besteht aus Titanomagnetit mit einer Xmt von ca. 0.4 pro Formeleinheit und
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Hämo-Ilmenit der Zusammensetzung hm17il83. Typ 2 ist aus einem Mineralgemenge aus HämoIlmenit, Ilmeno-Hämatit und wenig Rutil und Pseudobrookit zusammengesetzt, was möglicherweise
auf eine Hochtemperaturoxidation hinweist. Die thermomagnetische Kurve zeigt eine Tc bei –75°C
und eine bei 460°C, die nach mineralogischem Befund der Néel-Temperatur von Hämo-Ilmenit und
der Curietemperatur von Titanomagnetit zugeordnet werden kann. Allerdings treten widerum
deutliche Abweichungen zwischen der aus der chemischen Zusammensetzung abgeleiteten und der
gemessenen Curietemperaturen auf. Auch in dieser Probe könnte die Abweichung der berechneten
und gemessenen Curietemperaturen auf submikroskopische Mikrostrukturen, die das magnetische
Verhalten kontrollieren, hinweisen. Suszeptibilitätsmessungen während des Aufheizprozesses, die in
Luft durchgeführt wurden, zeigen eine deutliche Verschiebung der Tc zu höheren Temperaturen
(580°C) und zusätzlich eine zweite Tc bei 630°C. Diese Beobachtung zeigt, dass sich während des
Aufheizvorgangs in Luft die magnetischen Phasen verändern.
Literatur
Holt, J.W., Kirschvink, J.L. & Garnier, F., Geomagnetic filed inclinations for the past 400 kyr from the
1-km core of the Hawaii Scientific Drilling Project, J.Geophys.Res., 101, B5, 11.655-11.663,
1993.
Moskowitz, B.M., Jackson, M., and Kissel, C., Low-temperature magnetic behaviour of
titanomagnetites, Earth Planet. Sci. Let., 157, 141-149, 1998.
Stolper, E.M., D.J. DePaolo & D.M. Thomas, Introduction to special section: Hawaii Scientific Drilling
Project, J. Geophys. Res., Vol. 101, No. B5, 11.593-11.598, 1996.
Danksagung
Die hier präsentierte Arbeit ist Teil des DFG-Projektes KO1514/1-1. Für die Förderung möchten wir
uns recht herzlich bedanken. Die Elektronenstrahlmikrosonden-Messungen wurden freundlicherweise
von C. Dietl durchgeführt.
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