Anorthosit

AlterBearbeiten

Proterozoische Anorthosite wurden während des Proterozoikums (ca. 2.500-542 Ma) abgelagert, die meisten jedoch zwischen 1.800 und 1.000 Ma.

VorkommenBearbeiten

Proterozoische Anorthosite treten typischerweise als ausgedehnte Lager oder Batholithen auf. Die flächenmäßige Ausdehnung von Anorthosit-Batholithen reicht von relativ klein (Dutzende oder Hunderte von Quadratkilometern) bis zu fast 20.000 km2 (7.700 sq mi), wie im Fall der Nain Plutonic Suite in Nord-Labrador, Kanada.

Große Vorkommen von proterozoischen Anorthositen finden sich im Südwesten der USA, den Appalachen (z. B. im Honeybrook Upland im östlichen Pennsylvania), im östlichen Kanada (z. B. in der Grenville-Provinz), im südlichen Skandinavien und im östlichen Europa. Auf die pangäische Kontinentalkonfiguration jenes Zeitalters übertragen, liegen diese Vorkommen alle in einem einzigen geraden Gürtel und müssen alle intrakratonisch entstanden sein. Die Bedingungen und Zwänge für dieses Entstehungs- und Verteilungsmuster sind nicht klar. Siehe jedoch den Abschnitt „Entstehung“ weiter unten.

Verwandte GesteineBearbeiten

Viele proterozoische Anorthosite treten in räumlicher Verbindung mit anderen hochgradig ausgeprägten, zeitgleichen Gesteinsarten auf: die so genannte „Anorthosit-Suite“ oder der „Anorthosit-Mangerit-Charnockit-Granit-Komplex“ (AMCG).

Diese Gesteinsarten können umfassen:

• Mangerit: ein pyroxenhaltiges monzonitisches intrusives Eruptivgestein
• Charnockit: ein orthopyroxenhaltiges Quarz-Feldspat-Gestein, das früher für ein intrusives Eruptivgestein gehalten wurde, heute aber als metamorphes
• Eisenreiches felsisches Gestein, einschließlich Monzonit und Rapakivi-Granit
• Eisenreicher Diorit, Gabbro, und Norit
• Leukokratische mafische Gesteine wie Leukotroktolith und Leukonorit

Obwohl sie gleichaltrig sind, stellen diese Gesteine wahrscheinlich chemisch unabhängige Magmen dar, die wahrscheinlich durch das Schmelzen von Landgestein entstanden sind, in das die Anorthosite eindrangen.

Wichtig ist, dass große Mengen ultramafischer Gesteine nicht in Verbindung mit proterozoischen Anorthositen gefunden werden.

Physikalische MerkmaleBearbeiten

Da sie hauptsächlich aus Plagioklas-Feldspat bestehen, erscheinen die meisten proterozoischen Anorthosite im Aufschluss grau oder bläulich. Einzelne Plagioklaskristalle können schwarz, weiß, blau oder grau sein und auf frischen Oberflächen ein als Labradoreszenz bekanntes Schillern aufweisen. Die Feldspatvarietät Labradorit ist häufig in Anorthositen vorhanden. Mineralogisch gesehen ist Labradorit eine Bezeichnung für jeden kalziumreichen Plagioklas-Feldspat, der 50-70 Molekularprozent Anorthit (An 50-70) enthält, unabhängig davon, ob er Labradoreszenz zeigt. Das mafische Mineral in Anorthosit aus dem Proterozoikum kann Klinopyroxen, Orthopyroxen, Olivin oder, seltener, Amphibol sein. Oxide wie Magnetit oder Ilmenit sind ebenfalls häufig anzutreffen.

Die meisten Anorthosit-Plutone sind sehr grobkörnig, d. h. die einzelnen Plagioklas-Kristalle und das zugehörige mafische Mineral sind mehr als ein paar Zentimeter lang. Seltener sind die Plagioklaskristalle megakristallin oder größer als ein Meter. Die meisten proterozoischen Anorthosite sind jedoch deformiert, und solch große Plagioklas-Kristalle haben sich zu kleineren Kristallen umkristallisiert, so dass nur die Umrisse der größeren Kristalle zurückgeblieben sind.

Während viele proterozoische Anorthosit-Plutone keine großräumigen reliktischen magmatischen Strukturen aufzuweisen scheinen (sie haben stattdessen Deformationsstrukturen nach der Verlagerung), weisen einige eine magmatische Schichtung auf, die durch die Kristallgröße, den mafischen Gehalt oder chemische Eigenschaften definiert sein kann. Eine solche Schichtung hat eindeutig ihren Ursprung in einem rheologisch flüssigen Magma.

Chemische und isotopische MerkmaleBearbeiten

Proterozoische Anorthosite bestehen typischerweise zu >90 % aus Plagioklas, und die Plagioklaszusammensetzung liegt gewöhnlich zwischen An40 und An60 (40-60 % Anorthit). Diese Zusammensetzungsspanne liegt im mittleren Bereich und ist eines der Merkmale, die proterozoische Anorthosite von archaischen Anorthositen (die typischerweise >An80 sind) unterscheiden.

Proterozoische Anorthosite haben neben Plagioklas oft auch bedeutende mafische Komponenten. Diese Phasen können Olivin, Pyroxen, Fe-Ti-Oxide und/oder Apatit umfassen. Die mafischen Minerale in proterozoischen Anorthositen weisen eine breite Palette von Zusammensetzungen auf, sind aber im Allgemeinen nicht stark magnesisch.

Die Spurenelementchemie der proterozoischen Anorthosite und der zugehörigen Gesteinsarten wurde von Forschern mit dem Ziel, eine plausible genetische Theorie zu entwickeln, eingehend untersucht. Es besteht jedoch immer noch wenig Einigkeit darüber, was die Ergebnisse für die Entstehung von Anorthositen bedeuten; siehe den Abschnitt „Entstehung“ weiter unten. Eine sehr kurze Liste von Ergebnissen, einschließlich der Ergebnisse für Gesteine, von denen angenommen wird, dass sie mit proterozoischen Anorthositen verwandt sind,

Ein Teil der Forschung hat sich auf Isotopenbestimmungen von Neodym (Nd) und Strontium (Sr) für Anorthosite konzentriert, insbesondere für Anorthosite der Nain Plutonic Suite (NPS). Solche Isotopenbestimmungen sind nützlich, um die Lebensfähigkeit möglicher Quellen für Magmen zu beurteilen, aus denen Anorthosite entstanden sind. Einige Ergebnisse werden nachstehend im Abschnitt „Ursprünge“ näher erläutert.

Orthopyroxen-Megakristalle mit hohem Tonerdegehalt (HAOMs)

Viele Anorthosite aus dem Proterozoikum enthalten große Kristalle aus Orthopyroxen mit charakteristischer Zusammensetzung. Dies sind die so genannten hochtonerdehaltigen Orthopyroxen-Megakristalle (HAOM).

HAOM zeichnen sich dadurch aus, dass sie 1) einen höheren Al-Gehalt aufweisen, als er typischerweise in Orthopyroxenen vorkommt; 2) von zahlreichen dünnen Plagioklas-Lamellen durchzogen sind, die möglicherweise Exsolutionslamellen darstellen; und 3) älter zu sein scheinen als die Anorthosite, in denen sie gefunden werden.

Der Ursprung der HAOMs ist umstritten.

Ein mögliches Modell besagt, dass während der Anorthositbildung eine aus dem Erdmantel stammende Schmelze (oder ein teilkristalliner Brei) in die untere Kruste injiziert wurde und zu kristallisieren begann. Die HAOMs wären in dieser Zeit auskristallisiert, vielleicht schon vor 80-120 Millionen Jahren. Die HAOM-haltige Schmelze könnte dann in die obere Kruste aufgestiegen sein. Dieses Modell wird durch die Tatsache gestützt, dass Aluminium bei hohem Druck besser in Orthopyroxen löslich ist. In diesem Modell stellen die HAOM Kumulationen in der unteren Kruste dar, die mit dem Anorthosit-Quellmagma in Verbindung stehen.

Ein Problem bei diesem Modell ist, dass es voraussetzt, dass das Anorthosit-Quellmagma für eine beträchtliche Zeit in der unteren Kruste liegt. Um dieses Problem zu lösen, schlagen einige Autoren vor, dass sich die HAOMs in der unteren Kruste unabhängig vom Anorthosit-Quellmagma gebildet haben könnten. Später könnte das Anorthosit-Quellmagma auf seinem Weg nach oben Teile der HAOM-haltigen unteren Kruste mitgerissen haben.

Andere Forscher sind der Ansicht, dass die chemische Zusammensetzung der HAOM das Produkt einer raschen Kristallisation bei mäßigem oder niedrigem Druck ist, wodurch die Notwendigkeit eines Ursprungs in der unteren Kruste gänzlich entfällt.

Ursprung der proterozoischen AnorthositeBearbeiten

Der Ursprung der proterozoischen Anorthosite ist seit vielen Jahrzehnten Gegenstand theoretischer Debatten. Eine kurze Zusammenfassung dieses Problems lautet wie folgt:

Das Problem beginnt mit der Entstehung von Magma, dem notwendigen Vorläufer jedes magmatischen Gesteins.

Magma, das durch partielles Aufschmelzen des Erdmantels in geringen Mengen entsteht, hat im Allgemeinen eine basaltische Zusammensetzung. Unter normalen Bedingungen erfordert die Zusammensetzung von basaltischem Magma, dass es zu 50 bis 70 % aus Plagioklas kristallisiert, wobei der Großteil des restlichen Magmas als mafische Minerale kristallisiert. Anorthosite zeichnen sich jedoch durch einen hohen Plagioklasgehalt (90-100 % Plagioklas) aus und kommen nicht in Verbindung mit gleichzeitigem ultramafischem Gestein vor. Dies ist heute als „Anorthosit-Problem“ bekannt. Die Lösungsvorschläge für das Anorthosit-Problem sind vielfältig, wobei sich viele der Vorschläge auf verschiedene geologische Teildisziplinen stützen.

Früh in der Geschichte der Anorthosit-Debatte wurde vorgeschlagen, dass eine besondere Art von Magma, anorthositisches Magma, in der Tiefe erzeugt und in die Kruste eingelagert wurde. Der Solidus eines anorthositischen Magmas ist jedoch zu hoch, als dass es bei normalen Umgebungstemperaturen in der Kruste lange flüssig bleiben könnte, so dass dies unwahrscheinlich ist. Es hat sich gezeigt, dass das Vorhandensein von Wasserdampf die Solidustemperatur von anorthositischem Magma auf vernünftigere Werte senkt, aber die meisten Anorthosite sind relativ trocken. Man könnte also annehmen, dass der Wasserdampf durch die anschließende Metamorphose des Anorthosits ausgetrieben wird, aber einige Anorthosite sind nicht deformiert, was diese Annahme entkräftet.

Die Entdeckung von anorthositischen Gängen in der Nain Plutonic Suite in den späten 1970er Jahren legte nahe, dass die Möglichkeit, dass anorthositische Magmen bei Krustentemperaturen existieren, erneut untersucht werden muss. Später stellte sich jedoch heraus, dass die Dykes komplexer sind als ursprünglich angenommen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass in einigen Anorthosit-Plutonen zwar eindeutig Prozesse im flüssigen Zustand ablaufen, die Plutone aber wahrscheinlich nicht aus anorthositischen Magmen stammen.

Viele Forscher haben argumentiert, dass Anorthosite die Produkte basaltischer Magmen sind und dass mafische Mineralien mechanisch entfernt wurden. Da die mafischen Minerale nicht mit den Anorthositen gefunden werden, müssen diese Minerale entweder in einer tieferen Ebene oder an der Basis der Kruste zurückgeblieben sein. Eine typische Theorie lautet wie folgt: Durch teilweises Aufschmelzen des Mantels entsteht ein basaltisches Magma, das nicht sofort in die Kruste aufsteigt. Stattdessen bildet das basaltische Magma eine große Magmakammer an der Basis der Kruste und fraktioniert große Mengen an mafischen Mineralen, die auf den Boden der Kammer sinken. Die mitkristallisierenden Plagioklaskristalle schwimmen und werden schließlich als Anorthosit-Plutone in die Kruste eingelagert. Die meisten der absinkenden mafischen Minerale bilden ultramafische Kumule, die an der Basis der Kruste verbleiben.

Diese Theorie hat viele ansprechende Merkmale, von denen eines die Fähigkeit ist, die chemische Zusammensetzung von Orthopyroxen-Megakristallen mit hohem Tonerdegehalt (HAOM) zu erklären. Dies wird weiter unten in dem Abschnitt über HAOM näher erläutert. Diese Hypothese allein kann jedoch die Entstehung von Anorthositen nicht schlüssig erklären, da sie u. a. nicht mit einigen wichtigen Isotopenmessungen übereinstimmt, die an anorthositischen Gesteinen in der Nain Plutonic Suite durchgeführt wurden. Die Nd- und Sr-Isotopendaten zeigen, dass das Magma, aus dem die Anorthosite entstanden sind, nicht nur aus dem Erdmantel stammen kann. Stattdessen muss das Magma, aus dem die Anorthosite der Nain Plutonic Suite entstanden sind, eine bedeutende Krustenkomponente enthalten haben. Diese Entdeckung führte zu einer etwas komplizierteren Version der früheren Hypothese: Große Mengen basaltischen Magmas bilden eine Magmakammer an der Basis der Kruste und assimilieren während der Kristallisation große Mengen an Kruste.

Dieser kleine Nachtrag erklärt sowohl die isotopischen Eigenschaften als auch einige andere chemische Feinheiten der proterozoischen Anorthosite. Mindestens ein Forscher hat jedoch auf der Grundlage geochemischer Daten überzeugend argumentiert, dass die Rolle des Mantels bei der Bildung von Anorthositen tatsächlich sehr begrenzt sein muss: Der Mantel liefert nur den Anstoß (Wärme) für das Schmelzen der Kruste und eine geringe Menge an Teilschmelze in Form von basaltischem Magma. Die Anorthosite stammen demnach fast ausschließlich aus Schmelzen der unteren Kruste.