Original paper

Die Bedeutung kontinuierlicher und diskontinuierlicher Mineralreaktionen als PT-Indikatoren der Metamorphose im prä-permischen Kristallin Süddeutschlands

[The Significance of Continuous and Discontinuous Reactions as PT-Indicators of Metamorphism in the Pre-Permian Basement of Southern Germany]

Blümel, Peter

Kurzfassung

In niederdruckmetamorphen Metapeliten des nördlichen Bayerischen Waldes sind diskontinuierliche (z. B.: Biotit +Sillimanit+ Quarz = Almandin+ Cordierit + Kalifeldspat+H2O) und kontinuierliche Mineralreaktionen (z. B.: Biotit +Sillimanit+ Quarz = Cordierit+ Kalifeldspat +H2O) festgestellt. Die Zusammensetzung von Mineralen, die an kontinuierlichen Reaktionen teilnehmen, ändert sich mit T, P und aH2O der Metamorphose; ihre Anzahl ist folglich gleich jener der chemischen Komponenten, um diese Phasen zu beschreiben. In der AFM-Projektion erscheinen solche Mineralgleichgewichte als bewegliche Dreiphasenfelder. Die chemische Analyse der Mischkristalle in solchen Paragenesen ermöglicht es also, in scheinbar eintönigen Metamorphitserien Änderungen des Metamorphosegrades zu erkennen. Für die Geothermometrie/-barometrie ist es allerdings notwendig, mit Hilfe einer weiteren kontinuierlichen oder diskontinuierlichen Mineralreaktion einen Kurvenschnittpunkt im PT-Diagramm zu schaffen, und diesen im Gelände aufzufinden. Dies gelingt in der Cordierit-Kalifeldspat-Zone mit ihrem scheinbar eintönigen Gesteinsbestand. Hier sind 2 kontinuierliche Mineralreaktionen durch die Verschiebung der Dreiphasenfelder Cordierit-Sillimanit-Biotit und Almandin-Sillimanit-Biotit im AFM-Diagramm um unterschiedliche Beträge - also mit unterschiedlicher Neigung in PT-Diagramm - analysiert. Weiterhin ergibt der Kurvenschnitt dieser kontinuierlichen Mineralreaktion mit der bereits genannten diskontinuierlichen Reaktion den jeweiligen Metamorphosegrad am Granat-Cordierit-Kalifeldspat-Isograd. Von einer Lokalität an diesem Isograd ist die chemische Zusammensetzung von Cordierit in dem Dreiphasenfeld mit Biotit und Sillimanit (+Kalifeldpat+ Quarz) mit einem MgO/(MgO+FeO0)-Verhältnis (M-Wert) von 42.8 analysiert. Einer experimentellen Arbeit zufolge ist diese Paragenese bei 800° C/4.5 kb (PH2O = Ptot) bzw. bei 670°.8 kb (PH2O = 0.4 Ptot) stabil. Demnach ist der Wasserdruck der Metamorphose in beiden benachbarten Mineralzonen eher als niedriger im Vergleich zum Umschließungsdruck anzusetzen. Die Durchmusterung der Metamorphitserien im Bayerischen Wald, in der Oberpfalz, im Schwarzwald und im Odenwald nach Cordierit oder Almandin-Alumosilikat-Kalifeldspat-Quarz-Paragenesen, und des Spessarts und Fichtelgebirges nach Staurolith oder Almandin oder Cordierit-Alumosilikat-Biotit oder Chlorit-Muscovit-Quarz-Paragenesen, und deren graphische Analyse sollte es ermöglichen, Differenzierungen des Metamorphosegrades zu erkennen, genaue regionale Vergleiche anzustellen, und auf der Grundlage vorhandener experimenteller Arbeiten Angaben über die Temperaturen, Umschließungsdrucke und Wasserdrucke der Metamorphose zu treffen.

Abstract

Assemblages involved in continuous reactions contain a number of mineral phases, which equals the number of components necessary to describe the phases. Such "limiting assemblages" plot in the case of pelitic bulk compositions as 3-phases fields in the appropriate AFM-projection. Continuous reactions occur in the PT-diagram over a divariant field, which is composed of a set of various (sub)parallel univariant curves each of which represents a mineral solid solution of a fixed composition being stable along this curve in the limiting assemblage; the curves for the endmember compositions terminate together with the curves of other reactions the divariant field. The composition of solid solutions in such assemblages depends on the intensive parameters of metamorphism (T, P, etc.) alone. Since limiting assemblages may be observed over a range of temperatures and pressures, they may occur in metamorphic terranes over large areas and pretend at first glance a uniform grade of metamorphism. Although a continuous reaction can be inferred from phase rule considerations changing PT-conditions are evidenced solely by compositional Variation of a solid solution in the limiting assemblage (case A). However in order to determine uniquely the metamorphic conditions, a further mineral reaction is required, the equilibrium curve of which must intersect the other curve(s) of the continuous reaction concerned. The concomitant reaction may be continuous (case B) or discontinuous (case C). An example of a seemingly uniform petrographic unit is the cordierite-gneiss region in the pre-permian basement of southern Germany. In the northern Bavarian Forest it is found to display mainly assemblages with cordierite, but also others without cordierite, or with garnet, which in their entity define the cordierite-K-feldspar zone; this mineral zone emerges from the sillimanite-K-feldspar zone of lower grades and borders against the garnet-cordierite-K-feldspar zone of higher grades. Within the cordierite-K-feldspar zone a shift of the 3-phase field cordierite-sillimanite-biotite toward the FA-edge of the AFM-projection is evidenced. Concomitantly, and also toward the FA-edge of the diagram, the other 3-phase field almandine-sillimanite-biotite is found to move. Since the amount of the shift for the latter is considerably lower, the curves for both continuous reactions will intersect in the PT-diagram (case B). This mobile AFM tie-line configuration is terminated toward the garnet-cordierite-k-feldspar zone by a discontinuous reaction yielding the other 3-phase fields garnet-cordieritebiotite or sillimanite. At this mineral zone boundary the composition of a solid solution in the limiting assemblage uniquely determines the temperature and the pressure of metamorphism. From one locality at this zone boundary cordierite in the limiting assemblage is analysed with a M-value of 42.8 (case C). It indicates 800° C/4.5 kb (PH2O = Ptot) or 670°C/3.8 (PO2H = 0.4 Ptot).

Keywords

Metamorphic rockparagenesis (continuous and discontinuous reactions)phase equilibriumAFM-diagramgrade of metamorphismpressuretemperaturePalaeozoic (pre-Permian) SW-German Massifs (SchwarzwaldOdenwaldSpessart)Bavarian Massif (Bayerische