Fluid-gesteinswechelwirkung

Fluideinschlüsse

Paläofluide (Fluideinschlüsse) spielen als Begleitforschungsthema eine bedeutende Rolle in den Geowissenschaften sowie in der tiefen Geothermie. Es werden Anteile der Fluide unterschiedlicher Genese in verschiedenen Fluideinschlußgenerationen, sowie mögliche Verbindungen mit den freien, (sub)rezenten Fluiden, untersucht. Außerdem können Einsichten in die Fluid-chemische Entwicklung, Veränderungen des geothermischen Gradienten und Hebungsgeschichte gewonnen werden.

Zur Bestimmung von Fluidzusammensetzungen und -Dichten werden Mikrothermometrie (MT), Laser-Raman-Mikrospektroskopie (LRM) und REM/EDX eingesetzt. Mikrothermometrie ist die Grundlage der Paläofluidanalytik. Aufgrund dieser Messungen werden Proben für weiterführende analytische Methoden ausgewählt. Mit Raman-Analysen können die wichtigen Komponenten wie Gase, z. B. CO2, CH4, N2, H2, H2 sowie in Lösung befindliche Anionen, z.B. SO42- und Festkörper, z.B. Graphit, Tochterkristalle analysiert werden. Mittels REM/EDX Analytik werden kondensierte Einschlussinhalte aufgebrochener Einschlüsse bestimmt. So können die grundlegende Daten zur Interpretation der Bildungs-PT und der geochemischen Bedingungen während der Einschlußbildung herbeigeschafft werden.

Fluid-rock-fluid inclusions-Abb1

Abb. 1 : Hochsalinare Fluideinschlüsse (FI) im Karbonatzement (cc). Rotliegend Quarzsandstein.

Mittels Mikrothermometrie werden Phasenübergänge in Fluideinschlüssen unter dem Mikroskop beobachtet und gemessen. So können aus Schmelz- (Tm) und Homogenisierungstemperaturen (Th), Fluidzusammensetzung bzw. Dichte der Einschlüsse ermittelt werden. Der Fluiddruck wird durch Eingabe dieser Daten in eine entsprechende Zustandsgleichung berechnet. Die Korrelation zwischen Einschlußdruck und Temperatur wird durch eine Isochore grafisch dargestellt (Abb. 2). Der Schnittpunkt von Isochore und geothermischem Gradienten definiert die Bildungsbedingungen (Tt, Pt) des Einschlusses.

Fluid-rock-PT-Abb2

Abb 2 (schematisch): Die Stabilitätsfelder der Fest- (S), Flüssig- (L) und Gasphase (V) für ein einfaches H2O-reiches System. Fluideinschlüsse werden nach Einfrieren aufgetaut und zeigen nacheinander das schrittweise Schmelzen von Eis (Tm) und Homogenisierung (Th) der Flüssig- und Gasphasen. In dem Einphasenfeld bewegen Druck- und Temperatur sich entlang der Isochore und schneiden den geothermischen Gradienten (Bildungsbedingungen). Der Gradient kann sowohl lithostatische als auch hydrostatische Bedingungen repräsentieren.

Einsatz der Kathodolumineszenz-Mikroskopie

Mit Hilfe der optischen Kathodolumineszenz-Mikroskopie (O-KL) können genetische Zusammenhänge zwischen Fluideinschlüssen und Wirtskristall visualisiert werden. Einerseits können Quarz- und Karbonatgenerationen mit möglich unterschiedlichem Fluideinschlußbestand differenziert werden. Andererseits können anhand von Mikrostrukturen sekundäre Veränderungen von Fluideinschlüssen sowie Paläo-Fluid-Migrationswegen festgestellt werden. Diese Strukturen entstehen grundsätzlich durch Bildung von authigenem Quarz oder Karbonat während des Upliftspfades. Einsatz der Elektronenmikrosonde (REM-KL) ermöglicht die Visualisierung kleinster Strukturen im KL-Bild, sowie eine kombinierte Analyse der Spurenelemente. In Sedimenten können Zementgenerationen (mit evtl. Fluideinschlüssen) unterschieden werden und damit die Abfolge diagenetischer Prozesse aufgeklärt werden.

KL-Quarz-Abb3

Abb. 3 : Beispiel für Fluid-induzierte Strukturen in Quarz (Bohrung Bad Urach im Kristallin). Das Bild links zeigt der Quarz im polarisiertem Licht; das Bild rechts den gleichen Ausschnitt im Kathodolumineszenz (Bildhöhe ca. 2 mm). Paläo-Fluid-Migrationswege lassen sich durch Bildung sekundärer Quarz, die sich hier ausgehend von offenen Klüften und Mikrorissen entwickelt hat, herkennen.

Weiterführende Literatur:

Van den Kerkhof A.M. and Hein U.F. (2001) Fluid inclusion petrography. Lithos 55, 27-47 Van den Kerkhof A.M. (2003) Advancements of cathodoluminescence microscopy and related techniques with application to the study of fluid-rock interaction. Göttinger Arb. Geol. Paläont., Sb5, 111-120