книги / Zu den Beziehungen von Tektonik, Sylvinitbildung und Basaltintrusion im Werra-Kaligebiet (DDR)

4.3.1. A^ter des Vulkanismus

Ober die exakte zeitliche Eingliederung des Rhön-Vulkanismus bzw. seiner einzelnen Phasen besteht noch keine einheitliche Meinung. Folgt man den Angaben von EIGENFELD und FICKE /18/, so ist mit einer zeitlichen Abfolge des Vulkanismus vom Beginn des Miozäns bis weit in das Pliozän hinein zu rechnen.

Bedingt durch die methodische Lösung des Problems der Altersdatierung von Kalisalzen nach der K-Ar-Methode /69/, erschien es möglich, anhand

der in den Umbildungszonen auftretenden Kalisalzminerale (Kainit, Sylvin, Langbeinit und Polyhalit) eine genauere Alterseinstufung der Prozesse vor­ nehmen zu können. Weitere methodische Untersuchungen gerade auch an die­ sen Umbildungssalzen ergaben, daß auf Grund der unterschiedlichen Argon­ erhaltung von nebeneinander auftretenden Kalisalzmineralen lediglich Poly­ halit und Langbeinit zuverlässige Werte ergeben /69/. Die Meßwerte für Polyhalit und Langbeinit ergaben einen Schwerpunkt bei 25 Mio Jahren, al­

so Beginn Miozän, und ließen einige spätere Öffnungsphasen mit dem Schwerpunkt um 18 Mio Jahre erkennen. Damit käme man zu dem wahrschein­

lichen kurzen Zeitraum von etwa 7 Mio Jahren für die Entstehung der un­ tersuchten Umbildungszonen. Altersdatierungen an untertägigen Basalt­ intrusionen führten auf Grund der unter 4.3.2. und 4.3.4. noch zu disku­ tierenden Umbildungserscheinungen in den Vulkaniten zu keinen exakten An­ gaben. Zu den hierbei auftretenden methodischen Fragen erfolgt eine geson­ derte Publikation. Die Datierung eines deutlich kontaktmetamorph entstande­

nen Glimmers (Muskovit) allerdings ergab ebenfalls ein Alter von 19 Mio

Jahren, so daß der Zeitraum des eigentlichen Magmenaufstieges ebenfalls in die angegebene Zeitspanne einzuordnen sein dürfte. In zwei Fällen konnte an Polyhaliten im unmittelbaren Bereich von Störungszonen ein Alter von

4.3.2. Zur Aufnahme von Nebengestein durch die Intrusiva

In Auswertung der petrochemischen Untersuchungen (4.1.) konnte festge­ stellt werden, daß eine wesentliche Assimilation von Nebengesteinsmate­ rial durch die Basalte nicht stattgefunden hat. Dies kann generell durch die Beobachtungen an zahlreichen Basaltgängen unter Tage bestätigt wer­ den. Sowohl nach der Menge deT Relikte als auch dem Grad der Resorption

ist eine Beeinflussung der Magmenzusammensetzung höchstens im engeren

lokalen Bereich zu erwarten. Einschlüsse von Kristallinmaterial (Reste

von Graniten, Gneisen und Quarziten) treten selten auf. Dies trifft auch auf die Sedimente des Rotliegenden zu, doch haben sie in anderer Hinsicht große Bedeutung. Rotliegendrelikte sind in normalen Basaltgängen außer­ ordentlich selten, dagegen aber typisch für Intrusivoder auch Salz-

Bas alt-Brekzien.

Zu den entsprechenden Vorgängen vergleiche unter 4.2.1. und 4.3.3.

Für das Auftreten von Magnesiteinschlüssen bzw. auch teilweise von Kar­ bonatmandeln, deren Anteil quantitativ generell nicht bedeutend ist, dürfte auf Grund der beobachteten Resorptionserscheinungen und der unter 3.5. dargelegten Isotopenverteilung eine Aufnahme von Xenolithen aus dem Zechsteinkalk zutreffen. Allerdings werden bei der Umbildung von Basalt

(4.3.4.) sowohl Mg als auch Ca frei, so daß deren Fixierung im Kontakt­

bereich oder in Mandeln durch die Anwesenheit von CO2 und SO^ (aus der

Zersetzung von Kieserit) möglich ist.

Wie erwähnt, erschien es günstig, zu überprüfen, inwieweit die aufdrin­ genden Basalte die Möglichkeit zur Assimilation von Salinar (Na + K) hat­ ten. Da diese Variante häufig für das Auftreten extremer Alkaligesteine verantwortlich gemacht wird, müßten sich zumindest im Mikrobereich An­ haltspunkte dafür ergeben. Vorausgeschickt sei, daß zu diesem Problem durch das Studium ähnlicher Aufschlußverhältnisse in der Literatur einige Betrachtungen vorliegen (KÜHN /51/, WIMMENAUER /81/, KÄDING /44/, PAVLOV /27/). Darin wird übereinstimmend festgestellt, daß keinerlei Assimila­ tion von NaCl zu verzeichnen ist. Diese Feststellung wird, sofern unter der Assimilation die vollständige Resorption und Bindung der betreffen­ den Elemente in die feste silikatische Struktur verstanden wird, im Rah­ men dieser Untersuchungen bestätigt. In den vom Untersuchungsgebiet her vergleichbaren Angaben von KÜHN sowie KÄDING wird sogar auf das Fehlen wesentlicher Kontakterscheinungen zum Steinsalz hingewiesen, so daß eine Intrusionstemperatur der Basalte von wenig unter 805 °C (Schmelzpunkt

von NaCl) angenommen wurde.

Gleichzeitig wird immer übereinstimmend auf das Vorhandensein von Halit­ mandeln in den Basalten hingewiesen. Sie werden als sekundäre hydrother­ male Füllungen von echten Mandeln angesehen.

Diesen letzten Schlußfolgerungen kann auf Grund eigener Beobachtungen nicht zugestimmt werden. Die Schwierigkeiten einer sicheren Aussage lie­ gen einmal in dem möglichen Vorhandensein geringer Mengen von Porenlö­ sungen, da durch die damit verbundene Umkristallisation die eigentlichen Strukturen im Kontaktbereich verwischt werden können. Doch fanden sich bei intensiver Verfolgung dieses Problems genügend Beweise für eine Auf­ schmelzung von NaCl. Wie bereits mehrfach dargelegt, steigen als Vor­ phase auf denselben Störungszonen Lösungen auf. Zwischen Lösungsund

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Gängen (mit größerem Wärmeinhalt), so entstehen im weiteren Verlauf des Aufstieges ähnliche Bilder wie in Bild 50 und Bild 51. Die in Bild 50 sichtbare Anreicherung von Halitmandeln ist eine in Saigergängen häufig zu beobachtende Erscheinung; sie geht auf die mehr oder weniger vollstän­ dige Aufschmelzung von mitgerissenen Steinsalzxenolithen, wie sie in

Bild 51 zu beobachten ist, zurück. Mitunter tritt auf, daß derartige Xenolithe neben Halit auch noch Anhydrit führen. Dann ist mit fortschrei­ tender Aufschmelzung die vorwiegende Übernahme von Halit in die Basalt­ schmelze und eine Anreicherung von Anhydrit im Kern zu beobachten. Dabei nimmt die Größe der Halitmandeln vom Einschluß ausgehend systematisch ab, so daß stellenweise der Eindruck vollkommener Assimilation entsteht. Da die Viskosität von schmelzflüssigem Halit /80/ sehr gering ist, dürfte auch die des Basaltes örtlich herabgesetzt sein, so daß die Entstehung geringer, hochmobiler Teilschmelzen im Bereich des Möglichen liegt.

Wenn also die Entstehung der Salzeinschlüsse als Pseudomandelbildung durch vorwiegend thermische Kontaktwirkung erklärt werden kann, ergibt sich die Frage, inwieweit eine Assimilation der Alkalien durch den Ba­ salt selbst stattfindet.

Zu diesem Zweck wurde eine Reihe .ausgewählter Proben speziell untersucht /47/. Neben den Alkaligehalten in getrockneter und geglühter Substanz wurden dieselben im wasserlöslichen Auszug und Rückstand bestimmt, so daß unter Einbeziehung entsprechender CI'-Bestimmungen eine exakte Bilanz des silikatisch fest gebundenen und des wasserlöslichen Anteils der Alkalien möglich sein sollte.

Vergleicht man die im wasserlöslichen Auszug und Löserückstand gefundenen Werte, so ergibt sich für alle Proben ein überraschendes Bild. Obwohl teilweise (Mandelzonen) ein hohes Na-Angebot vorhanden ist, wurde kein Natrium durch die silikatische Matrix aufgenommen, sondern vielmehr ein Teil des vorher fest gebundenen Na-Anteils in wasserlösliche Form über­ führt. Der im Löserückstand enthaltene Na20-Anteil entspricht in der Mehrzahl der ausgewählten Proben auf Grund analoger Daten dem von Über­ tagevorkommen nur zu 50 bis 70t. Interessanterweise reicht die gleich­ zeitig im Auszug gefundene Chlormenge zur Bindung des gesamten löslichen Natriums.♦Dieser Vorgang läßt sich in stärkerem oder schwächerem Maße

bei allen untersuchten Proben feststellen. Er ist nach den bisherigen Er­ fahrungen unabhängig vom Gesteinstyp und konnte in Proben von über Tage nie beobachtet werden. Damit dürfte es sich wahrscheinlich um einen Vor­ gang handeln, der erstens eine Umsetzung vornehmlich in der Mesostasis betrifft und zweitens durch die spezifische Einwirkung einer NaCl-halti- gen geringen Lösungsphase bedingt ist. Wie in allen Aufschlüssen unter Tage zu beobachten ist, sind die Intrusiva mit einer Unzahl von feinen Klüften bis Haarrissen durchzogen, die überwiegend mit Halit erfüllt sind. Dies spricht für die postintrusive Einwirkung einer geringen Lö­

sungsphase, die sich meist zwanglos aus der näheren Umgebung ableiten läßt.

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Von den erwähnten Rissen ausgehend, dürfte es nun, je nach Intensität der Einwirkung, zu einer Umbildung, insbesondere des Foidanteils der nephelinitoiden Basis, gekommen sein. Trotz intensiver mikroskopischer und röntgenographisch-phasenanalytischer Durchmusterung des Materials

gelang es nicht, eine bestimmte Mineralphase (Na-haltig und wasserlös­ lich) zu isolieren.

Im Ergebnis der Untersuchungen konnte also eine Assimilation von Na im Sinne einer Fixierung in der silikatischen Matrix nicht nachgewiesen werden. Dafür gelang es jedoch, einen Prozeß der Umbildung von im Basalt silikatisch gebundenem Na in eine wasserlösliche Form zu belegen. Dieser Vorgang ist wahrscheinlich an die weitgehende Zersetzung der nepheli­ nitoiden Basis durch eine NaCl-haltige Lösungsphase gebunden. Demgegen­ über sind die Verhältnisse hinsichtlich einer Resorption von Kalium we­ sentlich klarer. Bereits eine grobe Durchsicht des Analysenmaterials /47/ zeigt den geringeren durchschnittlichen ^O-Gehalt der Obertagevorkonunen.

Vergleicht man die Analysen innerhalb einer ausgewählten Intrusion z. B.

detaillierten Untersuchungen hervorgeht, ist die Bindung des aufgenomme­ nen Kaliums fest, also silikatischer Natur. Eine nähere Auswertung der Analysen ergab, daß die Aufnahme von Kalium durch die Basalte in unmit­ telbarem Zusammenhang mit ihrer Umbildung steht (s. a. 4.3.4.).

Je nach Zufuhr auch von Kalium mit der erwähnten Lösungsphase kommt es vor allem innerhalb der Kaliflöze zum Einbau desselben in Neubildungen von Schichtgittermineralen in der Basis der Basalte (s. a. 4.3.4.).

Hinsichtlich einer Assimilation durch die Intrusiva zeigen K und Na grundsätzlich unterschiedliches Verhalten. Während K durch die Einwir­ kung einer Lösungsphase selbst bei niederen Temperaturen in Form von Schichtgittermineralneubildungen fest fixiert wird, konnte für Na, selbst bei Einschmelzung von Halit, eine Resorption allenfalls durch die Neu­ bildung einer wasserlöslichen Na-haltigen Phase auch in der Mesostasis wahrscheinlich gemacht werden..

4.3.3. Magmenaufstieg und Intrusionsmechanismus

In Zusammenfassung der bisher beschriebenen Erscheinungen und Zusammen­ hänge ergibt sich folgender Ablauf des vulkanischen Geschehens: Die Magmenförderung wird zwar nicht in jeder Störungszone, aber generell durch den Aufstieg einer Intrusivbrekzie gewissermaßen als ein Äquivalent der Tuffphase eingeleitet. Für ihre Entstehung gibt es auf Grund der Beobachtungen zwei Möglichkeiten:

Bei Aufreißen der Störungszonen und der explosionsartigen Förderung von Gasen und gasreichem Magma können diese teilweise ausgeräumt werden, und

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es kommt zur Eruption von Tuffen. Sind diese Spalten ungenügend geöffnet bzw. reicht die Energie nicht zur Erweiterung derselben aus, so führt dies zur Ausbildung von Gängen mit tuffähnlicher Füllung - eben zu den beschriebenen Intrusivbrekzien.

Bei Aufstieg der Magmen bis in das Niveau wasserreicherer Schichten (Se­ dimente mit Porenlösung) bildet sich im Apikalteil der Intrusion eine starke Dampfphase aus, die zur weitgehenden Auflockerung der wasserhal­ tigen Sedimente und dem nachfolgenden weiteren Vordringen des Magmas auch in horizontaler Richtung führt. Dabei wird es an der Stirnfront zu recht intensiver Reaktion mit dem Nebengestein und der Lösungsphase kom­ men. Durch Abschreckung bilden sich randliche Glaszonen, die zerspratzen oder durch Abkühlung weitgehend zergliedert werden bis zur Ausbildung einer Basalt-Glas-Nebengestein-Brekzie. Eine stärkere Durchtränkung mit

H2O (Dampf) führt zu weitgehender Zersetzung der kleinsten Basaltfragmen­ te bis zu toniger Substanz. Die größeren Fragmente zeigen randliche Um­ bildung (s. a. Bild 14).

Bei plötzlicher Druckentlastung (Spaltenöffnung) werden diese ebenfalls tuffähnlichen Intrusivbrekzien explosionsartig die entstandenen Hohl­ räume ausfüllen.

Zwischen den beiden Möglichkeiten, die letztlich als eine im wesentlichen mechanische Zerkleinerung oder Brekziierung durch Reaktionsvorgänge an­ gesehen werden können, gibt es sicher, z. B. in den Apikalteilen der Magmenförderspalten, Übergänge, so daß eine exakte Entscheidung, welcher Typ vorherrscht, schwerfällt.

In der Hauptförderphase stieg ein weitgehend entgastes Magma auf, das die offenen Störungszonen im wesentlichen passiv, gleichsam als hydro­ statische Ausgleichsbewegung, erfüllt. Die Intrusion erfolgte als Kri­ stallbrei von relativ geringer Viskosität, die durch Einschmelzen von Halit noch lokal erniedrigt werden konnte. Dadurch, aber auch durch die randliche Aufschmelzung von Halit, war eine Ausfüllung auch von gering­ mächtigen Klüften möglich. Wie schon mehrfach gezeigt, bestehen zwischen Salinarausbildung und Basaltintrusion charakteristische Beziehungen in Abhängigkeit vom Wassergehalt. Während die Steinsalzschichten von den Gängen glatt durchsetzt werden, kommt es im Niveau der Kaliflöze meist zur Bildung von Apophysen oder gar von Lagergängen. Prinzipiell liegen wasserreiche Horizonte auch bereits in den Liegendschichten (Rotliegend, Salinarbäsis) vor, und es kann auch mit der Ausbildung von Intrusivgängen in diesem Bereich gerechnet werden.

Die weiteren Betrachtungen beziehen sich jedoch nur auf den zugänglichen, beobachtbaren Bereich der Kaliflöze.

Entsprechend dem jeweiligen vorhergehenden Lösungsaufstieg können die Magmen die Kaliflöze in Normalausbildung - verfestigt mit strukturell gebundenem H20-Anteil oder in Umbildung - mehr oder weniger unverfestigt mit wechselnden Anteilen von Lösungen antreffen (s. a. 4.2.)« Damit sind

unterschiedliche Reaktionspartner vorgegeben und, in Abhängigkeit von der Migrationsweite der Lösungen, auch unterschiedliche Intrusionsbahnen vorgezeichnet. Damit wird sich auch nicht ein bestimmter Exokontakttyp herausbilden, sondern die Erscheinungen im äußeren Kontaktbereich der Basaltgänge werden wesentlich vom Edukt bestimmt. Es klingt in den bis­ herigen Arbeiten immer an, daß es doch erstaunlich sei, keine Generali­ sierung der salinaren Kontakterscheinungen im Kaliflözbereich vornehmen zu können. Solche Verallgemeinerungen sind auch schwer möglich, da die wesentliche Ursache für die unterschiedliche Ausbildung der Exokontakte nicht so sehr in der Wirkung der Basalte, sondern vielmehr im präbasal­

tischen Lösungsaufstieg zu suchen ist. Was die Kontakte mit dem Kaliflöz

in Normalausbildung betrifft, so ergibt sich, daß sie denen in lösungsmetamorpher Umgebung etwa wie Miniaturausgaben gleichen. Wie bereits unter 4.2.2. erläutert werden konnte, wird durch das inkongruente Schmel­ zen von Carnallit und Kieserit im Kontaktbereich ebenfalls eine, wenn auch geringe Lösungsphase freigesetzt (Bild 52), so daß ein ähnlicher Umbildungmechanismus w i e bei vorherigem Lösungsaufstieg zu beobachten ist. Unter diesen Aspekten ist auch die flächenhafte Intrusion von Lager­ gängen in die Kaliflöze zu betrachten. Sofern die geschilderten Umbil­ dungszonen mit salzbreiartiger Konsistenz Vorlagen, läßt sich das Ein­ dringen der Magmen allein schon aus dem ihnen innewohnenden hydrosta­ tischen Förderdruck ableiten. Ihre Intrusionsweite würde dann wesent­ lich von der Ausdehnung der vorgegebenen Umbildungszone, dem hydrosta­ tischen Oberlagerungsdruck und der Erstarrungsgeschwindigkeit abhängen. Hinzu kommen aber noch einige Effekte, die insbesondere durch die grund­ legenden Arbeiten zur Entstehung und Intrusion von Geosynklinalmagmatiten von RÖSLER /65/, /66/ herausgearbeitet wurden.

Auf Grund der starken Entwicklung von Wasserdampf bildet sich an der Stirnfront der Intrusion eine Gashaube (LEIDENFROSTsches Phänomen). Sie hat im speziellen Fall zweierlei Bedeutung. Einmal wird, der Basaltin­ trusion vorauseilend, ständig eine Umlösung und damit Platzschaffung innerhalb der Kaliflöze erfolgen. Zum anderen aber wird nach dem bekann­ ten Effekt die Abkühlungsgeschwindigkeit herabgesetzt. Während die Rand­ zonen mehr oder weniger abgeschreckt ti'erden, kann sich die Intrusion an der Stirnfront, z. T. selbsttätig Platz schaffend, fortbewegen. Die In­ trusionsweite hängt wesentlich vom Förderdruck ab, der lediglich zur Überwindung der Reibung notwendig ist. Als thermodynamisch am günstigsten ist für die Flüssigkeiten die Kugelform allgemein bekannt. Bei nachlas­ sender Horizontalbewegung in den Lagergängen wird sich die Stirnfront in einzelne kugelförmige Gebilde (Pillows) zergliedern. Diese Pillows kön­ nen sich ihrerseits wiederum in einem wasserreichen Medium mit einer MGashüllevl umgeben und sich isoliert, z. T. der Schwerkraft folgend, weiterbewegen. Im gesamten Intrusionsverlauf wird das Magma den jeweils energetisch günstigsten Zustand anstreben.

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