Trotz intesiver Untersuchungen an Karbonatiten und assozierten Gesteinen (ultrabasisch, basisch, alkalin) durch verschiedene geologische Untersuchungsmethoden und Disziplinen ist ihre Genese und Evolution immer noch nicht verstanden. Mehr noch, es gibt keinen Konsens, was die kritischen Voraussetzungen und Prozesse sind, die zur Mobilisierung, zur Metall-Anreicherung und Erz-Bildung führen. Hiermit schlagen wir eine Studie vor, die petrologische, geochemische, geochronologische und auch experimentelle Untersuchungen kombiniert, um die frühesten Metallanreicherungs-Prozesse in magmatischen Karbonatiten und assozierten Gesteinen zu verstehen. Der Hauptfokus liegt darin, die Zusammensetzung der primären magmatischen Schmelzen zu untersuchen und ihre Veränderung mit der Zeit zu verstehen. Dies wollen wir erreichen, indem wir mehrere ultrabasisch-basisch-alkaline-karbonatititsche Komplexe (UBAK) der Kola-Halbinsel untersuchen, die eine klassische und gut untersuchte Region dieser Gesteinen darstellt. Insbesondere wollen wir Antwort auf folgende Fragestellungen finden:1) Die Entwicklung mit der Zeit, a) innerhalb der Kola-Halbinsel (gibt es eine zeitabhängige Intrusionsrichtung, durch einen plume ausgelöst?), b) innerhalb ausgewählter Karbonatit-Massive (gibt es einen Altersunterschied zwischen den frühesten und späten Schmelzen?). Wir werden dafür hoch-präzise Datierung an frühen Gesteinen (z.B. durch Datierung von Perovskiten aus Pyroxeniten) und an späten Schmelzen (z.B. Datierung von Baddeleit und Zirkon aus Phoskoriten und Karbonatiten) durchführen.2) Wie war die Zusammensetzung der frühen Schmelzen, die heute nur noch in Einschlüssen von Kumulat-Mineralen vorhanden sind? Untersuchungen an Einschlüssen von sehr früh gebildeten Mineralen (Perowskit, Olivin, Pyroxen) werden uns die chemische Zusammensetzung dieser Schmelzen und deren Bedingungen (P, T, X, fO2) liefern.3) Geochemische Entwicklung der Gesteine und Minerale: welche Minerale (bzw. deren verschiedene Generationen) konzentrieren SEE, Nb und andere potentielle Erz-Elemente? Welche Rolle spielen Kumulate für Fraktionierungs- und Anreicherungs-Prozesse? Wir werden Kathodolumineszenz an Dünnschliffen anwenden, um verschiedene Mineralgenerationen zu erkennen, aber auch Mineralchemie (LA-ICP-MS), Isotopen (Sr, Nd, Pb) für ausgewählte Minerale (z.B. Karbonate, Apatite, Perowskite).Die frühesten Gesteine (Olivinite, Pyroxenite) enthalten häufig Perowskit und werden als Kumulate interpretiert. Das Studium der Schmelzeinschlüsse der Perowskite wird uns die Zusammensetung der Schmelzen liefern, aus denen sie gebildet wurden. Diese Information hilft uns, die an Perowskiten bestimmten Alter diesen Schmelzen zuzuordnen. Andererseits werden geochemische Untersuchungen an früh gebildeten (Olivinite, Pyroxenite) und spät gebildeten Gesteinen (Phoskorite, Karbonatite) die Rolle von Fraktionierungen, Mischungen und Entmischungen für Erzanreicherungs-Prozesse in Schmelzen im Laufe der Zeit aufzeigen.
Unser Projekt zielt auf die Untersuchung der detaillierten Transportmechanismen von Erzmetallen inklusiver ihrer Aufstiegswege und Träger in akalinen porphyrisch-epithermalen Systemen. Die Studie fokussiert sich auf die Ladolam-Lagerstätte auf Lihir (Papua-Neuginea), die eine der größten und repräsentativsten Lagerstätten dieses Typs darstellt. Südlich von Lihir befindet sich ein junges, submarines Vulkanfeld, das als mögliches Analog zu einer Frühphase des Vulkansystems von Ladolam angesehen wird. Nur hier finden sich weniger entwickelte Gesteine und die Eruptionsbedingungen in >1 km Wassertiefe erlauben es den Metalltransport in magmatischen Sytemen zu studieren, die möglichst wenig durch magmatische Differentiation und Entgasung in flachen Krustenstockwerken beeinflusst sind. Epithermale Mineralisationen ähnlich zu Ladolam treten am Conical Seamount auf und Mantel- und Krustenxenolithe, die magmatische Prozesse von der Mantelquelle bis zur Eruption aufzeichnen, sind in den Laven des nahen Tubaf Seamounts häufig. Unser Forschungsprojekt fokussiert sich auf die detaillierte Rekonstruktion der thermobarometrischen Entwicklung während des Aufstiegs der Schmelzen und wie diese sich auf den Oxidationszustand sowie die Fähigkeit Metalle zu transportieren auswirkt. Hierfür planen wir mit einer grundlegenden petrologischen und geochemischen Charakterisierung der Gesteinsproben zu beginnen und diese mit hochauflösender Analyse von Volatilen und Spurenmetallen sowie Mikrothermobarometrie anhand von Fluid- und Glas-(vormals Schmelz-)einschlüssen zu kombinieren. Mit Hilfe dieser Daten wollen wir zu einem verbesserten Verständnis der Steuermechanismen für subvulkanische Intrusionen oder vulkanische Eruptionen in diesem speziellen Setting beitragen. Die Integration unserer Erkenntnisse zu den magmatischen Prozessen im Untergrund mit der Entwicklung der Silizium-untersättigten, hoch alkalinen Magmen, die nachweislich sehr fertil für die Entstehung ökonomisch relevanter porphyrischer Lagerstätten sind, ist daher von bedeutender Relevanz. Darüber hinaus werden unsere Abschätzungen zum lithostatischen Druck der Schmelzstagnation, der Aufstiegsraten, Eruptionsauslösern und möglicherweise zur Tiefe der Entmischung von Fluid und Schmelze als Datengrundlage direkt in das von PD Dr. Philipp Weis geführte Projekt zur Modellierung der physikalischen Bedingungen der Porphyrbildung in Ladolam eingehen. Weitere Anknüpfungspunkte innerhalb des SPP 2238 DOME ergeben sich zum Projekt von Dr. Andreas Audétat, das sich auf petrologische Experimente in Verbindung zu alkalinen Porphyren in kontinentalen Settings fokussiert.
Alkalisilikatische und karbonatitische Schmelzen bilden Intrusionskörper mit ausgeprägter vertikaler Zonierung von magmatischen Gesteinen sowie von Lagerstätten seltener Metalle. Elemente, wie z.B. Nb, Zr, Hf, SEE oder Ti, werden durch magmatische Fraktionierung sowie durch Fluide, die in verschiedenen Intrusionsniveaus ausgeschieden werden, angereichert und vertikal verteilt. Fluide, die Teil eines konvektiven Systems sind, das sich um einen abkühlenden Intrusionskörper ausbildet, überprägen die magmatischen Mineralphasen und haben einen wesentlichen Einfluss auf die post-magmatische Metallverteilung. Ein umfassendes Verständnis für die magmatische und fluidgesteuerte Anreicherung und Bildung von Mineralphasen seltener Metalle erfordert die unmittelbare in-situ-Bestimmung erzbildender seltener Metalle in Schmelz- und Fluideinschlüssen, die die gesamte lithologische Abfolge ultrabasisch-alkalischer sowie karbonatitischer magmatischer Bildungen entlang des Spektrums von Intrusionstiefen repräsentieren, sowie die Betrachung der möglichen Rolle externer Fluide während postmagmatischer Remobilisierungsprozesse. Für dieses Projekt wurden Gesteinsproben von Intrusionskörpern aus verschiedenen Tiefen zusammengestellt, die petrologisch gut voruntersucht sind und die die große lithologische Bandbreite von alkalisilikatischen und karbonatitischen magmatischen Systemen repräsentieren (Lesnaya Varaka, Afrikanda, Ozernaya Varaka, Lueshe, Alnö, Sokli and Kalkfeld). Fluid- und Schmelzzusammensetzungen werden mit Hilfe von Mikrothermometrie, Ramanspektroskopie, Elektronenstrahlmikrosondenanalytik und LA-ICP-MS Einschlussanalytik bestimmt werden. Die gewonnenen Daten zu Metallgehalten in Fluiden und Schmelzen werden durch moderne LA-ICP-MS Halogenanalytik (Cl-Br-I) an Flüssigkeitseinschlüssen sowie SIMS Halogenanalytik ((F-Cl-Br-I und d37Cl) an Apatit ergänzt, um die Herkunft der beteiligten Fluide näher eingrenzen zu können. Das Forschungsvorhaben führt damit zu einem umfassenden Verständnis des Transports und der Anreicherung erzbildender Metalle in komplexen, an alkalimagmatische und karbonatitische Intrusionen gebundene Fluidsystemen, die sich von magmatischen bis hin zu hydrothermalen Temperaturen entwickeln. Die Forschungsergebnisse stellen aber auch die Grundlage für die Entwicklung effektiverer und präziserer Verfahren in der Tiefenexploration, Lagerstättenevaluation und der resourcenschonenden Gewinnung seltener metallischer Rohstoffe von großer gesellschaftlicher Bedeutung.
Alkalimagmatische Systeme sind bekannt für ihr außergewöhnlich hohes Potential zur Fraktionierung und Anreicherung inkompatibler Elemente sowie Bildung von Lagerstätten seltener Metalle. Dabei besteht im Hinblick auf Art und Dynamik der Metallanreicherung Forschungsbedarf zur Rolle magmatischer Faktoren einschließlich der in unterkühlten und volatilienreichen Systemen stattfindenden Prozesse im Vergleich zur Rolle von Schmelz-Fluid-Wechselwirkungen. Bei letzteren haben Ligandenkonzentration und Entwicklung der Fluidzusammensetzung einen wesentlichen Einfluss auf den Magma-Fluid-Metalltransfer und fluidkontrollierten Metalltransport. Im finnischen Iivaara-Komplex, in dem der Dachbereich einer alkalimagmatischen Intrusion sowie die umgebende Fenitaureole aufgeschlossen sind und der in verschiedenen Bereichen eine Ti-dominierte Anreicherung der „high-field-strength-Elemente“ zeigt, ergeben sich optimale Bedingungen zur Untersuchung des Einflusses dieser Prozesse im hochthermalen Übergangsbereich von magmatischen zu hydrothermalen Systemen. Dabei wird die Untersuchung im Wesentlichen auf der unmittelbaren mikrothermometrischen und umfassenden chemischen in-situ-Analyse von Schmelz- und Flüssigkeitseinschlüssen aufbauen, die ein vollständiges Bild aller magmatischer und post-magmatischer Schmelzen und Fluide ergibt. Mit Hilfe nachweisstarker und hoch ortsauflösender Verfahren (Laserablations-ICP-Massenspektrometrie, Raman-Spektroskopie) werden „high-field-strength-Spurenelemente“ sowie ligandenbildende Volatilien (C, O, P, S, Cl, Br, I) erfasst. Chlorisotopensignaturen erlauben eine Differenzierung magmatischer, krustaler oder meteorischer Fluidquellen und werden durch Sekundärionen-Massenspektrometrie an Apatit bestimmt, der in allen Bereichen des Komplexes auftritt und als Produkt magmatischer Prozesse sowie von Fluid-Gesteins-Wechselwirkungen erkannt werden kann. Der hier generierte Datensatz wird genutzt, um die Anreicherung von „high-field-strength-Elementen“ im Dachbereich des als natürliches Labor dienenden Iivaara-Komplexes und damit auch die Rolle von magmatischen und Schmelz-Fluid-, bzw. Fluid-Gesteins-Wechselwirkungsprozessen zu unterscheiden und zu bewerten. Dieses Projekt adressiert damit Schlüsselforschungsfragen in Themenbereich A des SPP DOME und liefert gleichzeitig hilfreiche Rahmendaten für experimentell wie numerisch modellierend ausgerichtete Forschungsvorhaben des SPP.