Direkt zum Inhalt

Lexikon der Geowissenschaften: Geothermobarometrie

Geothermobarometrie, Thermobarometrie, wird als Oberbegriff für die Bestimmung der Temperatur- und Druckbedingungen verwendet, unter denen geologische Proben bei ihrer Bildung oder danach gestanden haben. Wenn nur die Temperatur von Interesse oder bestimmbar ist, spricht man von Geothermometrie; bei der Geobarometrie ist der Druck Gegenstand der Betrachtung. In den allermeisten Fällen basieren Geothermometer und Geobarometer auf chemischen (inklusive isotopengeochemischen) Gleichgewichten zwischen festen (Minerale eines Gesteins) und/oder flüssigen Phasen (z.B. Wasser und Minerale). Die theoretische Basis für diese Geothermobarometer liegt in der Temperatur- und Druckabhängigkeit der Gleichgewichtskonstanten K einer Reaktion, die mehrere Phasen des zu untersuchenden Systems miteinander in Beziehung setzt. In einem sich im thermodynamischen Gleichgewicht befindenden System nimmt bei gegebenem Druck und gegebener Temperatur die Gibbssche freie Energie G (freie Enthalpie) den minimalen Wert an. Die Temperatur- und Druckabhängigkeit von K wird beschrieben durch:

ΔG = 0 = -ΔST,PdTVT,PdP+(RT·ln(K))dT+(RT·ln(K))dP,

wobei ΔS für die Änderung der Entropie bei der Reaktion steht, ΔV für die Änderung des Volumens (beides bei P und T der Gleichgewichtseinstellung), R ist die Gaskonstante. Aus dieser Gleichung lassen sich die partiellen Differentiale für konstanten Druck bzw. konstante Temperatur ableiten zu:



(H = Enthalpie der Reaktion, X = chemische Zusammensetzung der Phasen) und



Aus der ersten der beiden Gleichungen läßt sich ablesen, daß Reaktionen mit einer großen Änderung von Entropie oder Enthalpie eine große Temperaturabhängigkeit von K zeigen werden, mithin als Geothermometer geeignet sein sollten. Die letzte Gleichung zeigt, daß Reaktionen, bei denen sich das Volumen stark ändert, eine große Druckabhängigkeit von K zeigen werden und daher potentiell als Geobarometer nutzbar sind.

Metamorphite sind in besonderem Maß Gegenstand geothermometrischer und geobarometrischer Betrachtungen. Die Methodik läßt sich aber auch auf magmatische oder sedimentäre Systeme anwenden. Probleme in der Anwendung von Reaktionen als Geothermometer oder Geobarometer liegen unter anderem darin, daß in die Gleichgewichtskonstante die Aktivitäten der beteiligten Phasen eingehen, wobei die Beziehung zwischen Aktivität und Konzentration nicht immer gut bekannt ist. Außerdem sind zur Kalibrierung oft Experimente bei hoher Temperatur nötig, die bei Anwendung zu niedrigerer Temperatur extrapoliert werden müssen. Die Geschwindigkeit von chemischen und Isotopenaustauschreaktionen ist exponentiell von der Temperatur abhängig. Bei Aufheizung eines Gesteins wird eine Reaktion zu einem bestimmten Zeitpunkt beginnen, bei seiner Abkühlung zu einem bestimmten Zeitpunkt zum Erliegen kommen, und verschiedene Reaktionen werden bei unterschiedlichen Temperaturen einsetzen bzw. einfrieren. In vielen metamorphen Gesteinen geben Minerale wie Granate oder Plagioklase durch chemische Zonierungen Hinweise darauf. Zu den Reaktionen, die für die Geothermometrie und Geobarometrie nutzbar sind, gehören:

a) Austauschreaktionen: Sie sind durch den Austausch sich chemisch ähnlich verhaltender Atome zwischen verschiedenen Phasen (interkristalliner Austausch) oder auch zwischen zwei kristallographisch unterschiedlichen Positionen innerhalb desselben Minerals (intrakristalliner Austausch) gekennzeichnet. Da bei solchen Reaktionen Phasen weder abgebaut werden noch neu entstehen, sind die damit verbundenen Volumenänderungen im Gegensatz zu Änderungen in Entropie und Enthalpie gering. Solche Reaktionen zeigen daher i.d.R. nur eine geringe Druckabhängigkeit, eignen sich aber potentiell als Geothermometer. Die am häufigsten angewandten Geothermometer dieser Art beruhen auf dem Austausch zwischen Mg2+ und Fe2+ zwischen Mineralen wie Granat, Ortho- und Klinopyroxen, Amphibol, Olivin, Biotit, Chlorit, Cordierit und Ilmenit. Strukturell ähnliche Minerale wie Ortho- und Klinopyroxen, Chalkopyrit und Sphalerit oder die Feldspäte Anorthit, Albit und Kalifeldspat zeigen eine starke temperaturabhängige gegenseitige Löslichkeit ineinander, wobei die Mischungslücke mit sinkender Temperatur größer wird. Dies ist die Grundlage für Solvusthermometer. Zur Kategorie der Austauschthermometer gehören auch solche, die auf dem Austausch zweier stabiler Isotope leichter Elemente (insbesondere Sauerstoff, Kohlenstoff, Schwefel) zwischen Phasen beruhen (Isotopenthermometer, Abb. 1 ). Während auf chemischem Austausch basierende Geothermometer und Geobarometer gemäß der ersten Gleichung eine Variation der Gleichgewichtskonstanten mit der reziproken Temperatur zeigen, variiert die Gleichgewichtskonstante (hier als Fraktionierungsfaktor α) bei Isotopenaustauschreaktionen mit 1/T2:

1000·ln(α) = A/T2+B.

A und B sind Konstanten, α = R1/R2, wobei R das Verhältnis des schwereren zum leichteren Isotop eines Elementes ist, z.B. 18O/16O. Die Indizes 1 und 2 stehen für verschiedene Phasen, T für die absolute Temperatur. Beim Austausch der Wasserstoffisotope zwischen Mineralen und wäßrigen Lösungen ist zusätzlich noch eine signifikante Druckabhängigkeit möglich.

b) polymorphe Umwandlungen: Sie vollziehen sich in einem Druck-Temperatur-Diagramm entlang univarianter Reaktionskurven (Gibbssche Phasenregel). Da die Gleichgewichtseinstellung in einem Gestein nur selten exakt auf einer derartigen Kurve eingefroren vorliegt, gestatten in mehreren Modifikationen vorkommende Verbindungen i.d.R. nur eine grobe Festlegung von P und T. Wichtige Mineralgruppen, die in mehreren Modifikationen auftreten, sind die Al2SiO5-Phasen (Andalusit, Sillimanit, Disthen), SiO2 (Tiefquarz, Hochquarz, Tridymit, Cristobalit, Coesit, Stishovit), CaCO3 (Calcit, Aragonit) und C (Graphit, Diamant).

c) Nettotransferreaktionen ( Abb. 2 ): Dies sind Reaktionen, bei denen Minerale abgebaut werden und neue Minerale entstehen. Wenn sie mit signifikanten Volumenänderungen verbunden sind, können sie als Geobarometer geeignet sein. Wenn an der Reaktion Minerale teilhaben, die Mischkristalle bilden, sind die Reaktionen multivariant (Gibbssche Phasenregel), d.h. je nach der chemischen Zusammensetzung kann die Paragenese über einen beträchtlichen Druck-Temperatur-Bereich koexistieren. Nettotransferreaktionen zeigen i.d.R. auch eine erhebliche Temperaturabhängigkeit. Um den Bildungsdruck für ein Gestein zu berechnen, ist es dann nötig, zunächst mit einer anderen Methode die Temperatur zu bestimmen. Die Bildungsbedingungen metamorpher Gesteine werden vorzugsweise durch eine Kombination verschiedener Thermometer und Barometer der Typen a) bis c) ermittelt. Mit intern konsistenten thermodynamischen Datensätzen lassen sich für ein Gestein mit den darin auftretenden Mineralen alle möglichen Gleichgewichte berechnen, deren Schnittpunkt in einem Druck-Temperatur-Diagramm der Gleichgewichtseinstellung des Metamorphits entspricht. Ein oft einfacherer Weg ist der Vergleich der Mineralparagenese mit einem Druck-Temperatur-Diagramm, in das viele univariante Reaktionskurven eingetragen sind, welche Bildung und Zerfall der im Gestein auftretenden Minerale wiedergeben (petrogenetisches Netz).

d) andere Verfahren: Bei der Diagenese gibt das Reflexionsvermögen von Vitrinit Hinweise auf die Temperatur, denen das Sediment ausgesetzt war. Bei der Diagenese und im unteren Bereich der Metamorphose nimmt die Kristallinität von Illit mit steigender Temperatur zu (Illitkristallinität), quantitativ bestimmbar durch die Breite der Basisreflexe in Röntgenaufnahmen. In paläozoischen bis triadischen Sedimenten kann die Farbe von Conodonten als Indikator der Temperatur von Diagenese und schwacher Metamorphose dienen (Conodont Color Index). Flüssikeitseinschlüsse können in metamorphen Gesteinen Druck und Temperatur ihrer Einschließung aufgezeichnet haben; zumeist entspricht dies Bedingungen der retrograden Metamorphose (Mikrothermometrie). Und schließlich ist es möglich, geothermische Wässer und Formationswässer anhand verschiedener gelöster Ionen bezüglich der Bildungstemperatur zu charakterisieren (hydrochemische Thermometer). [HGS]

Literatur: [1] BUCHER, K. & FREY, M. (1994): Petrogenesis of Metamorphic Rocks. – Berlin. [2] FAURE, G. (1986): Principles of Isotope Geology. – New York. [3] SPEAR, F.S. (1993): Metamorphic Phase Equilibria and Pressure-Temperature-Time Paths. – Washington.


Geothermobarometrie 1: Isotopenaustauschthermometer am Beispiel des Austausches der Sauerstoffisotope zwischen Mineralen. Für experimentell nicht belegte Temperaturbereiche sind die Kurven gestrichelt dargestellt. Das schwere Sauerstoffisotop 18O wird in Bindungen an kleine und hochgeladene Kationen besonders stark angereichert. Die Fraktionierungsfaktoren α sind daher zwischen Quarz und Magnetit oder Plagioklas und Magnetit besonders hoch. Geothermobarometrie 1:

Geothermobarometrie 2: Die Reaktion Almandin + 3 Rutil = 3 Ilmenit + Al2SiO5 + 2 Quarz als Beispiel einer Nettotransferreaktion, die als Geobarometer geeignet ist. Der Granat in Metapeliten, auf die sich dieses Geobarometer anwenden läßt, ist kein reiner Almandin, sondern ein Mischkristall; dies trifft mit Einschränkungen auch auf Ilmenit zu. Die Reaktion ist daher nicht univariant, sondern vollzieht sich über einen Druck-Temperatur-Bereich. Die Zahlen an den gestrichelten Kurven stehen für Werte von 10log(K), a in der Gleichgewichtskonstanten steht für Aktivität. Zusätzlich sind in das Diagramm die Phasengrenzen der polymorphen Al2SiO5-Minerale Andalusit (And), Sillimanit (Sil) und Disthen (Ky)eingetragen. Die Anwesenheit eines dieser drei Minerale erlaubt nur eine grobe Einordnung eines Metapelits bezüglich P und T. Geothermobarometrie 2:
  • Die Autoren
Redaktion

Landscape GmbH
Dipl.-Geogr. Christiane Martin
Nicole Bischof
Dipl.-Geol. Manfred Eiblmaier

Fachberater

Allgemeine Geologie
Prof. Dr. V. Jacobshagen, Berlin

Angewandte Geologie
Prof. Dr. H. Hötzl, Karlsruhe

Bodenkunde
Prof. Dr. H.-R. Bork, Potsdam

Fernerkundung
Prof. Dr. phil. M. Buchroithner, Dresden

Geochemie
Prof. Dr. W. Altermann, München

Geodäsie
Prof. Dr. K.-H. Ilk, Bonn

Geomorphologie
Prof. Dr. W. Andres, Frankfurt / Main

Geophysik
Prof. Dr. P. Giese, Berlin

Historische Geologie
Prof. Dr. H.-G. Herbig, Köln

Hydrologie
Prof. Dr. H.-J. Liebscher, Koblenz

Kartographie
Prof. Dr. W.G. Koch, Dresden

Klimatologie
Prof. Dr. Ch.-D. Schönwiese, Frankfurt / Main

Kristallographie
Prof. Dr. K. Hümmer, Karlsruhe

Landschaftsökologie
Dr. D. Schaub, Aarau, Schweiz

Meteorologie
Prof. Dr. G. Groß, Hannover

Mineralogie
Prof. Dr. G. Strübel, Gießen

Ozeanographie
Prof. Dr. J. Meincke, Hamburg

Petrologie
Dr. R. Hollerbach, Köln

Autoren

Allgemeine Geologie
Dipl.-Geol. D. Adelmann, Berlin
Dr. Ch. Breitkreuz, Berlin
Prof. Dr. M. Durand Delga, Avon, Frankreich
Dipl.-Geol. K. Fiedler, Berlin
Prof. Dr. V. Jacobshagen, Berlin
Dr. W. Jaritz, Burgwedel
Prof. Dr. H. Kallenbach, Berlin
Dr. J. Kley, Karlsruhe
Prof. Dr. M. Lemoine, Marli-le-Roi, Frankreich
Prof. Dr. J. Liedholz, Berlin
Prof. Dr. B. Meißner, Berlin
Dr. D. Mertmann, Berlin
Dipl.-Geol. J. Müller, Berlin
Prof. Dr. C.-D. Reuther, Hamburg
Prof. Dr. K.-J. Reutter, Berlin
Dr. E. Scheuber, Berlin
Prof. Dr. E. Wallbrecher, Graz
Dr. Gernold Zulauf, Frankfurt

Angewandte Geologie
Dr. A. Bohleber, Karlsruhe
Dipl.-Geol. W. Breh, Karlsruhe
Prof. Dr. K. Czurda, Karlsruhe
Dr. M. Eiswirth, Karlsruhe
Dipl.-Geol. T. Fauser, Karlsruhe
Prof. Dr.-Ing. E. Fecker, Karlsruhe
Prof. Dr. H. Hötzl, Karlsruhe
Dipl.-Geol. W. Kassebeer, Karlsruhe
Dipl.-Geol. A. Kienzle, Karlsruhe
Dipl.-Geol. B. Krauthausen, Berg / Pfalz
Dipl.-Geol. T. Liesch, Karlsruhe
R. Ohlenbusch, Karlsruhe
Dr. K. E. Roehl, Karlsruhe
Dipl.-Geol. S. Rogge, Karlsruhe
Dr. J. Rohn, Karlsruhe
Dipl.-Geol. E. Ruckert, Karlsruhe
Dr. C. Schnatmeyer, Trier
Dipl.-Geol. N. Umlauf, Karlsruhe
Dr. A. Wefer-Roehl, Karlsruhe
K. Witthüser, Karlsruhe
Dipl.-Geol. R. Zorn, Karlsruhe

Bodenkunde
Dr. J. Augustin, Müncheberg
Dr. A. Behrendt, Müncheberg
Dipl.-Ing. agr. U. Behrendt, Müncheberg
Prof. Dr. Dr. H.-P. Blume, Kiel
Prof. Dr. H.-R. Bork, Potsdam
Dr. C. Dalchow, Müncheberg
Dr. D. Deumlich, Müncheberg
Dipl.-Geoök. M. Dotterweich, Potsdam
Dr. R. Ellerbrock, Müncheberg
Prof. Dr. M. Frielinghaus, Müncheberg
Dr. R. Funk, Müncheberg
Dipl.-Ing. K. Geldmacher, Potsdam
Dr. H. Gerke, Müncheberg
Dr. K. Helming, Müncheberg
Dr. W. Hierold, Müncheberg
Dr. A. Höhn, Müncheberg
Dr. M. Joschko, Müncheberg
Dr. K.-Ch. Kersebaum
Dr. S. Koszinski, Müncheberg
Dr. P. Lentzsch, Müncheberg
Dr. L. Müller, Müncheberg
Dr. M. Müller, Müncheberg
Dr. T. Müller, Müncheberg
Dr. B. Münzenberger, Müncheberg
Dr. H.-P. Pior, Müncheberg
Dr. H. Rogasik, Müncheberg
Dr. U. Schindler, Müncheberg
Dipl.-Geoök. G. Schmittchen, Potsdam
Dr. W. Seyfarth, Müncheberg
Dr. M. Tauschke, Müncheberg
Dr. A. Ulrich, Müncheberg
Dr. O. Wendroth, Müncheberg
Dr. St. Wirth, Müncheberg

Fernerkundung
Prof. Dr. phil. M. Buchroithner, Dresden
Prof. Dr. E. Csaplovics, Dresden
Prof. Dr. C. Gläßer, Halle
Dr. G. Meinel, Dresden
Dr. M. Netzband, Dresden
Prof. Dr. H. Will, Halle

Geochemie
Prof. Dr. A. Altenbach, München
Prof. Dr. W. Altermann, München
Dr. St. Becker, Wiesbaden
Dr. A. Hehn-Wohnlich, Ottobrunn
P.D. Dr. St. Höltzl, München
Dr. M. Kölbl-Ebert, München
Dr. Th. Kunzmann, München
Prof. Dr. W. Loske, München
Dipl.-Geol. A. Murr, München
Dr. T. Rüde, München

Geodäsie
Dr.-Ing. G. Boedecker, München
Dr. W. Bosch, München
Dr. E. Buschmann, Potsdam
Prof. Dr. H. Drewes, München
Dr. D. Egger, München
Prof. Dr. B. Heck, Karlsruhe
Prof. Dr. K.-H. Ilk, Bonn
Dr. J. Müller, München
Dr. A. Nothnagel, Bonn
Prof. Dr. D. Reinhard, Dresden
Dr. Mirko Scheinert, Dresden
Dr. W. Schlüter, Wetzell
Dr. H. Schuh, München
Prof. Dr. G. Seeber, Hannover
Prof. Dr. M. H. Soffel, Dresden

Geomorphologie
Dipl. Geogr. K.D. Albert, Frankfurt / Main
Prof. Dr. W. Andres, Frankfurt / Main
Dipl. Geogr. P. Houben, Frankfurt / Main
Dr. K.-M. Moldenhauer, Frankfurt / Main
Dr. P. Müller-Haude, Frankfurt / Main
Dipl. Geogr. S. Nolte, Frankfurt / Main
Dr. H. Riedel, Wetter
Dr. J. B. Ries, Frankfurt / Main

Geophysik
Dr. G. Bock, Potsdam
Dr. H. Brasse, Berlin
Prof. Dr. P. Giese, Berlin
Prof. Dr. V. Haak, Potsdam
Prof. Dr. E. Hurtig, Potsdam
Prof. Dr. R. Meißner, Kiel
Prof. Dr. K. Millahn, Leoben, Österreich
Dr. F. R. Schilling, Potsdam
Prof. Dr. H. C. Soffel, München
Dr. W. Webers, Potsdam
Prof. Dr. J. Wohlenberg, Aachen

Geowissenschaft
Prof. Dr. J. Negendank, Potsdam

Historische Geologie / Paläontologie
Prof. Dr. W. Altermann, München
Dr. R. Becker-Haumann, Köln
Dr. R. Below, Köln
Dr. M. Bernecker, Erlangen
Dr. M. Bertling, Münster
Prof. Dr. W. Boenigk, Köln
Dr. A. Clausing, Halle
Dr. M. Grigo, Köln
Dr. K. Grimm, Mainz
Prof. Dr. Gursky, Clausthal-Zellerfeld
Dipl.-Geol. E. Haaß, Köln
Prof. Dr. H.-G. Herbig, Köln
Dr. I. Hinz-Schallreuther, Berlin
Dr. D. Kalthoff, Bonn
Prof. Dr. W. von Königswald, Bonn
Dr. habil R. Kohring, Berlin
E. Minwegen, Köln
Dr. F. Neuweiler, Göttingen
Dr. S. Noé, Köln
Dr. S Nöth, Köln
Prof. Dr. K. Oekentorp, Münster
Dr. S. Pohler, Köln
Dr. B. Reicherbacher, Karlsruhe
Dr. H. Tragelehn, Köln
Dr. S. Voigt, Köln
Dr. H. Wopfner, Köln

Hydrologie
Dr. H. Bergmann, Koblenz
Prof. Dr. K. Hofius, Boppard
Prof. Dr. H.-J. Liebscher, Koblenz
Dr. E. Wildenhahn, Vallendar
Dr. M. Wunderlich, Brey

Kartographie
Prof. Dr. J. Bollmann, Trier
Dipl. Geogr. T. Bräuninger, Trier
Prof. Dr. phil. M. Buchroithner, Dresden
Dr. G. Buziek, Hannover
Prof. Dr. W. Denk, Karlsruhe
Dr. D. Dransch, Berlin
Dipl. Geogr. H. Faby, Trier
Dr. K. Großer, Leipzig
Dipl. Geogr. F. Heidmann, Trier
Prof. Dr. K.-H. Klein, Wuppertal
Prof. Dr. W. Koch, Dresden
Prof. Dr. S. Meier, Dresden
Dipl. Geogr. A. Müller, Trier
Prof. Dr. J. Neumann, Karlsruhe
Prof. Dr. K. Regensburger, Dresden
Dipl.-Ing. Ch. Rülke, Dresden
Dr. W. Stams, Dresden
Prof. Dr. K.-G. Steinert, Dresden
Dr. P. Tainz, Trier
Dr. A.-D. Uthe, Berlin
Dipl. Geogr. W. Weber, Trier
Prof. Dr. I. Wilfert, Dresden
Dipl.-Ing. D. Wolff, Wuppertal

Kristallographie
Dr. K. Eichhorn, Karlsruhe
Prof. Dr. K. Hümmer, Karlsruhe
Prof. Dr. W. E. Klee, Karlsruhe
Dr. G. Müller-Vogt, Karlsruhe
Dr. E. Weckert, Karlsruhe
Prof. Dr. H.W. Zimmermann, Erlangen

Lagerstättenkunde
Dr. W. Hirdes, D-53113 Bonn
Prof. Dr. H. Flick, Marktoberdorf
Dr. T. Kirnbauer, Wiesbaden
Prof. Dr. W. Proschaska, Leoben, Österreich
Prof. Dr. E. F. Stumpfl, Leoben, Österreich
Prof. Dr. Thalhammer, Leoben, Österreich

Landschaftsökologie
Dipl. Geogr. St. Meier-Zielinski, Basel, Schweiz
Dipl. Geogr. S. Rolli, Basel, Schweiz
Dr. D. Rüetschi, Basel, Schweiz
Dr. D. Schaub, Frick, Schweiz
Dipl. Geogr. M. Schmid, Basel, Schweiz

Meteorologie und Klimatologie
Dipl. Met. K. Balzer, Potsdam
Dipl.-Met. W. Benesch, Offenbach
Prof. Dr. D. Etling, Hannover
Dr. U. Finke, Hannover
Prof. Dr. H. Fischer, Karlsruhe
Prof. Dr. M. Geb, Berlin
Prof. Dr. G. Groß, Hannover
Prof. Dr. Th. Hauf, Hannover
Dr. habil. D. Heimann,
Oberpfaffenhofen / Weßling
Dr. C. Lüdecke, München
Dipl. Met. H. Neumeister, Potsdam
Prof. Dr. H. Quenzel, München
Prof. Dr. U. Schmidt, Frankfurt / Main
Prof. Dr. Ch.-D. Schönwiese, Frankfurt / Main
Prof. Dr. W. Wehry, Berlin

Mineralogie
Prof. Dr. G. Strübel, Gießen

Ozeanographie
Prof. Dr. W. Alpers, Hamburg
Dr. H. Eicken, Fairbanks, Alaska, USA
Dr. H.-H. Essen, Hamburg
Dr. E. Fahrbach, Bremerhaven
Dr. K. Kremling, Kiel
Prof. Dr. J. Meincke, Hamburg
Dr. Th. Pohlmann, Hamburg
Prof. Dr. W. Zahel, Hamburg

Petrologie
Dr. T. Gayk, Köln
Dr. R. Hollerbach, Köln
Dr. R. Kleinschrodt, Köln
Dr. R. Klemd, Bremen
Dr. M. Schliestedt, Hannover
Prof. Dr. H.-G. Stosch, Karlsruhe

Schreiben Sie uns!

Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.

Partnerinhalte

Bitte erlauben Sie Javascript, um die volle Funktionalität von Spektrum.de zu erhalten.