Original paper

Use of cathodoluminescence in heavy mineral analytics illustrated by the stable mineral group monazitexenotimezircon from Triassic sandstones of NE-Bavaria

Görgen, Peter; Richter, Detlev K. Götte; Neuser, Rolf D.

Abstract

An appropriate technique to distinguish the stable mineral group monazite-xenotime-zircon by means of cathodoluminescence (CL) investigations is of significance in modern heavy mineral analysis since these minerals are widely distributed in sands and sandstones, even if intrastratal dissolution has eliminated less stable minerals like apatites. Therefore the CL heavy mineral analyses may provide useful information on provenance and history of sedimentary sequences. Compared to the well-known blue and yellow CL colours of zircon, monazite and xenotime differ from this optically very similar mineral by the dark-olive and bottle-green CL colour, respectively. The CL spectra of monazite, xenotime and zircon are all dominated by characteristically narrow bands of rare earth elements: Nd3+ and Sm3+ for monazite and Dy3+, Tb3+ and Sm3+ for xenotime and zircon. High contents of rare earth elements in monazite are causal for quenching effects, resulting in a very weak CL appearance. Due to different crystal lattices of all three minerals, the splitting of the multiplet level of equally available elements - Dy3+ and Sm3+ - is different. The distribution of the heavy mineral types detected in heavy mineral separates from Triassic sandstones (Bunter and Keuper) of NE-Bavaria and characterised by CL support the directions of fluvial transport known by analyses of sedimentary structures and petrography to provenance areas with appropriate crystalline rocks (Bohemian Massif and Scandinavian Shield). The distribution of blue and yellow luminescent zircons of about 53 % to 47 % from the samples of the Bunter indicates source areas with I- to S-I-type granitoids (e.g. Leuchtenberg Granite, east of Weiden). The samples from the Burgsandstein show a distribution of blue and yellow luminescent zircons of about 67 % to 33 %, which points to a stronger influence of the western part of the Fichtelgebirge and the northern Pfalz with their widely distributed S-type granitoids as source areas. In contrast, the zircons from the samples of the Schilfsandstein show a distribution of blue and yellow luminescent zircons of about 45 % to 55 %, which indicates crystalline source areas with I-type dominated granitoids of the Scandinavian Shield and the Russian Plate.

Kurzfassung

Eine geeignete Technik zur Unterscheidung der stabilen Mineralgruppe Monazit-Xenotim-Zirkon mittels Kathodolumineszenz (KL)-Untersuchungen ist in der modernen Schwermineralanalyse von besonderer Bedeutung, da diese Minerale in Sanden und Sandsteinen verbreitet auftreten, auch wenn ,,intrastratal dissolution“ Minerale wie Apatit eliminiert hat. Somit kann die KL-Schwermineralanalytik nützliche Informationen über das Liefergebiet und die Geschichte der sedimentären Sequenzen liefern. Im Vergleich zu den gut bekannten blauen und gelben KL-Farben der Zirkone unterscheiden sich Monazit und Xenotim von dem optisch sehr ähnlichen Mineral durch eine dunkelolivgrüne bzw. flaschengrüne KL-Farbe. Die KL-Spektren von Monazit, Xenotim und Zirkon werden von charakteristischen Schmalbanden der seltenen Erdelemente dominiert: Nd3+ und Sm3+ im Monazit sowie Dy3+, Tb3+ und Sm3+ im Xenotim und Zirkon. Der hohe Gehalt an seltenen Erdelementen im Monazit führt zu ,,Quench“-Effekten, welche das optische KL-Verhalten sehr schwach erscheinen lassen. Wegen der unterschiedlichen Kristallgitter der drei Minerale ist die Aufspaltung der Multipletniveaus der gleichermaßen verfügbaren Elemente Dy3+ and Sm3+ unterschiedlich. In den Schwermineralpräparaten von triassischen Sandsteinen (Buntsandstein und Keuper) aus NE-Bayern zeichnet die Verteilung der Schwermineraltypen über KL-Analytik die aufgrund herkömmlicher Gefügeanalysen bekannten Schüttungsrichtungen mit entsprechenden kristallinen Liefergebieten (Böhmische Masse und Skandinavischer Schild) nach. Die Verteilung von blau und gelb lumineszierenden Zirkonen von ungefähr 53 % zu 47 % in den Proben aus dem Buntsandstein deutet auf Liefergebiete mit I- bis S-I-Typ-Granitoiden hin (u. a. Leuchtenberggranit, östlich Weiden). Die Proben aus dem Burgsandstein zeigen eine Verteilung von blau und gelb lumineszierenden Zirkonen von ungefähr 67 % zu 33 %, was auf einen verstärkten Einfluss vom westlichen Teil des Fichtelgebirges und der nördlichen Pfalz als Liefergebiete mit ihren verbreiteten S-Typ-Granitoiden hinweist. Im Gegensatz dazu zeigen die Zirkone aus den Proben des Schilfsandsteins eine Verteilung von blau und gelb lumineszierenden Zirkonen von ungefähr 45 % zu 55 %, was auf kristalline Liefergebiete mit I-Typ-dominierten Granitoiden des Skandinavischen Schilds und der Russischen Tafel hindeutet.

Keywords

cathodoluminescence spectroscopymonazitexenotimezirconrare earth elementsheavy mineral assemblagetriassic sandstonesne-bavaria