Lexikon der Geowissenschaften: Flüssigkeitseinschluß
Flüssigkeitseinschluß, Fluideinschluß, fluid inclusion, Einschluß in natürlichen oder technisch kristallinen Aggregaten, der verschiedene Füllungen aufweisen kann. Flüssigkeitseinschlüsse kommen in Mineralen vor, die durch Wachstum aus fluider Phase entstehen. Die fluide Phase kann dabei sowohl eine Schmelze (silicatisch, carbonatisch etc.) als auch eine pneumatolytische oder hydrothermale Lösung sein. Bei Prozessen des Mineralwachstums können auf verschiedene Weise gewisse Mengen des fluiden Mediums eingeschlossen und als Flüssigkeitseinschluß erhalten werden. Frakturen in Mineralen können ebenfalls durch Kristallisation aus fluiden Phasen verheilen; auch dabei kann es zur Bildung von Flüssigkeitseinschlüssen kommen.
Die Anzahl und Größe von Einschlüssen ist sehr unterschiedlich. Sie besitzen normalerweise einen Durchmesser von 1 μm bis 0,1 mm. Größere Einschlüsse (Enhydros) sind selten, treten aber in Salzen oder in Drusenhohlräumen auf. Als Richtwert gilt, daß in 1 cm3 Mineral durchschnittlich 106-1011 mikroskopisch erkennbare Einschlüsse auftreten. Die Zahl erhöht sich auf 1014, wenn man Einschlüsse in elektronenoptischer Dimension berücksichtigt.
Der Inhalt von Einschlüssen kann bei Raumtemperatur aus festen, flüssigen und gasförmigen Phasen bestehen. Flüssige Phasen bestehen aus wäßrigen Lösungen verschiedener Salze (NaCl, KCl, NaHCO3, CaCl2, MgCl2, u.a.), aus flüssigem CO2, CH4, H2S sowie aus Bitumina. Gasphasen sind H2O, CO2, N2, CH4, Ethan, Propan, H2, O2, H2S, Edelgase und Halogenkohlenwasserstoffverbindungen. Oft besteht die Einschlußfüllung aus einer Flüssigkeit und einer Gasblase, die sich durch Volumenkontraktion der Flüssigkeit beim Abkühlen des Gesteins gebildet haben. Die Flüssigkeit ist häufig eine wäßrige Lösung, in der Na-, K-, Ca-, und Mg-Chloride gelöst sind. Häufig beobachtet werden auch Einschlüsse von reinem CO2 oder CO2-H2O, während CH4-Einschlüsse seltener sind. Tochterminerale kristallisieren in den Einschlüssen aus übersättigten Lösungen. H2O und CO2 sind vollständig mischbar bei Temperaturen über 374°C. Unterhalb dieser Temperatur koexistieren eine H2O-reiche und eine CO2-reiche fluide Phase (Fluid) im Einschluß. Kristalle dagegen, die während der Bildung des Flüssigkeitseinschlusses eingeschlossen wurden, heißen Festeinschlüsse (solid inclusions). Festeinschlüsse können auch Minerale, Gläser, feste Gele und Bitumina sein. Ein Einschluß mit mehreren Phasen wird Mehrphaseneinschluß genannt. Schmelzeinschlüsse kommen in schnell erstarrten magmatischen Gesteinen (Magmatite) vor und beinhalten neben glasig erstarrtem Magma auch eine Gasphase.
Eine Klassifizierung von Einschlüssen erfolgt i.d.R. nach genetischen Aspekten. Dabei werden primäre, sekundäre und pseudosekundäre Einschlüsse unterschieden ( Abb. 1 ). Primäre Einschlüsse sind kogenetisch dem Wirtsmineral, d.h. gleichzeitig mit dessen Wachstum eingeschlossen worden. Demnach repräsentiert ihr Inhalt das mineralisierende Fluid, vorausgesetzt, das Fluid wurde homogen eingeschlossen. Häufig geschieht allerdings eine Einschlußbildung aus einem heterogenen Fluid. Dabei können Silicatschmelze/Gas, wäßrige Lösung/Gas oder wäßrige Lösung/Öl unmischbar nebeneinander vorliegen. Feste Partikel in der flüssigen Phase können ebenfalls eingeschlossen werden. Sekundäre Einschlüsse werden nach der Kristallisation des Wirtsminerals gebildet. Sie sind meistens kleiner als primäre Einschlüsse und treten zahlreich an Bruchflächen im Kristall auf. Derartige Mikrorisse können im Kristall durch thermische und mechanische Beanspruchung entstehen. Chemische Lösung ist ebenfalls eine Bildungsmöglichkeit für Wegsamkeiten fluider Phasen. Bei der Verheilung dieser Wegsamkeiten kann es zur Bildung von sekundären Einschlüssen kommen. Pseudosekundäre Einschlüsse sind Einschlüsse, die während des Kristallwachstums entlang von Bruchflächen im bereits gebildeten Mineral eingeschlossen werden. Sie repräsentieren das mineralisierende Fluid, erscheinen allerdings äußerlich als sekundär. Primäre und pseudosekundäre Flüssigkeitseinschlüsse repräsentieren die physikalisch-chemischen Bedingungen zur Zeit der Entstehung des Wirtminerals. Da sekundäre Einschlüsse erst nach der Kristallisation des Wirtminerals gefangen werden, spiegeln sie spätere Einflüsse auf das Mineral bzw. auf das Gestein wider. Um Aussagen über die Entwicklungsgeschichte eines Minerals treffen zu können, ist deshalb eine Unterscheidung der verschiedenen Einschlußtypen, die oft nebeneinander vorkommen, unerläßlich.
Untersuchungen an Flüssigkeitseinschlüsse umfassen i.d.R. die Bestimmung der Homogenisierungstemperatur, die unter bestimmten Umständen die Einschlußtemperatur der Lösung anzeigt, der Salinität, des Dampfdrucks sowie der Zusammensetzung von gasförmigen Phasen. Mikrothermometrie eines Flüssigkeitseinschlusses wird mit einem Heiz-Kühltisch durchgeführt, um die Druck-Temperatur-Zusammensetzung zu ermitteln. Voraussetzung hierfür sind: a) die stoffliche Homogenität der Flüssigkeit zum Zeitpunkt des Einschließens, b) die Erhaltung des Einschlußinhaltes während der weiteren geologischen Entwicklung und c) ein konstantes Volumen der Flüssigkeitseinschlüsse seit dem Zeitpunkt des Einschließens. Sind die Punkte nicht oder nur teilweise erfüllt, so muß dies bei der Interpretation der P-T-X-Daten berücksichtigt werden. Sind z.B. die Punkte b) und c) nicht oder nur teilweise erfüllt, dann spricht man von Reäquilibrierung der Flüssigkeitseinschlüsse. Ist diese Voraussetzung gegeben, kann man bei bekannter Zusammensetzung eine Isochore in einem P-T-Diagramm konstruieren ( Abb. 2 ). An einem bestimmten P-T-Punkt der Isochore wurde der Einschluß eingefangen. Die Dichte des Einschlusses wird während eines Heizvorganges durch Homogenisierung der verschiedenen Phasen des Einschlusses bestimmt. So homogenisiert die Gasblase eines Zweiphaseneinschlusses, der aus einer Flüssigkeit und einer Gasblase besteht, je nach Dichte entweder in die flüssige oder in die Gasphase. Die Zusammensetzung des Einschlusses wird durch eine kryometrische Messung bestimmt. Die durch den Kühlvorgang ermittelten Gefrierpunktserniedrigungen geben Informationen über den Inhalt des Einschlusses, da unterschiedliche Flüssigkeiten und Gase unterschiedliche Gefrierpunkte besitzen. Für eine genaue Bestimmung des Einschlußgehaltes sind aufwendigere Methoden wie Ultramikroanalyse, Lasermikroanalyse oder Ramanspektroskopie notwendig. Die auf diese Art gewonnenen Erkenntnisse sind nicht oder nur schwer durch andere Untersuchungsmethoden zu erhalten, denn Flüssigkeitseinschlüsse sind oft die einzigen Relikte mineralbildender Lösungen.
Flüssigkeitseinschlüsse stellen einen integralen Bestandteil moderner lagerstättenkundlicher Untersuchungen dar, da sie Rückschlüsse auf Bildungstemperatur und Zusammensetzung der mineralisierenden Fluide zulassen. Auch Edelsteine lassen sich aufgrund der Flüssigkeitseinschlüsse hinsichtlich ihrer Echtheit und Herkunft beurteilen. Flüssigkeitseinschlüsse bestimmter Dichte und Zusammensetzung können unter Umständen als Pfadfinder bei der Mineralprospektion eingesetzt werden; z.B. scheint im frühen Proterozoikum Westafrikas die Unterscheidung von goldführenden und sterilen Quarzgängen anhand des Vorhandenseins oder Fehlens von hochdichten CO2-(N2)-Flüssigkeitseinschlüssen möglich zu sein.
Flüssigkeitseinschluß 1: Anordnung primärer (P), sekundärer (S) und pseudosekundärer (PS) Flüssigkeitseinschlüsse in a) Quarz (Schnitt parallel zur c-Achse) und b) Fluorit (Schnitt parallel zur Würfelfläche). Flüssigkeitseinschluß 1:
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Flüssigkeitseinschluß 2: P-T-Diagramm mit den Isochoren für H2O. Der Aufheizungsvorgang der Einschlüsse A und B wird dargestellt. Obwohl die Einschlüsse dieselbe Homogenisierungstemperatur (TH) besitzen, kommt es aufgrund der unterschiedlichen Dichten zu unterschiedlichen Einschließungstemperaturen (TT), und die Homogenisierung findet sowohl in die flüssige (A) als auch in die gasförmige Phase (B) statt (Dichten in g/cm3, k.P. = kritischer Punkt). Flüssigkeitseinschluß 2:
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