Definitionen und Klassifikationen

Die heute als Carbonatite bekannten Gesteine wurden ursprünglich von Bose (1884) aus dem unteren indischen Narbada-Tal beschrieben, aber erst die Untersuchungen von Högbohm (1895) in Alnö, Schweden, und von Brøgger (1921) in Fen, Norwegen, dass ein magmatischer Ursprung für die carbonathaltigen Gesteine in diesen alkalischen Gesteinen postuliert wurde komplexe. Nicht jeder stimmte diesem Konzept zu; insbesondere die einflussreichen Petrologen Reginald Daly (1933) und James Shand (1943) bestanden weiterhin darauf, dass diese „magmatischen Kalksteine“ lediglich Megaxenolithen aus Sedimentmaterial waren. Diese petrologische Kluft blieb bis zur bahnbrechenden experimentellen Arbeit von Wyllie & Tuttle (1960) bestehen, der zeigte, dass Calcit als Liquidusphase bei Temperaturen von nur ∼650 ° C bei 0,1 GPA kristallisieren konnte. Diese Studie läutete den Todesstoß der Kalkstein-Syntexis-Hypothese (Shand 1943) für die Entstehung von untersättigten alkalischen Gesteinen ein, und die Arbeit leitete ein Jahrzehnt des erneuten Interesses an Karbonatiten im Allgemeinen ein (Heinrich 1966, Tuttle & Gittins 1966), hervorgehoben durch die Entdeckung der Natrocarbonatitlaven in Oldoinyo Lengai, Tansania (Guest 1956, Dawson 1962).Karbonatite werden im IUGS-Klassifizierungssystem definiert als: „magmatische Gesteine, die zu mehr als 50 Modalprozent aus primärem (d. H. magmatischem) Carbonat (Sensu lato) bestehen und weniger als 20 Gew.-% enthalten.% SiO2“ (Le Maitre 2002).
Abhängig vom vorherrschenden Carbonatmineral wird ein Carbonatit als Calcit-Carbonatit, Dolomit-Carbonatit oder Ferrocarbonatit bezeichnet, wobei das Hauptcarbonat eisenreich ist (Abb.1a). Wenn mehr als ein Carbonatmineral vorhanden ist, werden die Carbonate in der Reihenfolge zunehmender modaler Konzentrationen benannt. Beispielsweise besteht ein Calcit-Dolomit-Karbonatit überwiegend aus Dolomit. Wenn nicht essentielle Mineralien (z. B. Biotit) vorhanden sind, kann dies im Namen als Biotit-Calcit-Carbonatit widergespiegelt werden.
Wenn die Modalklassifikation nicht angewendet werden kann, kann die IUGS-Chemikalienklassifikation verwendet werden (Abb.1 b). Diese Klassifizierung, basierend auf wt.%-Verhältnisse unterteilen Carbonatite in Calciocarbonatite, Magnesiocarbonatite und Ferrocarbonatite. Für Calciocarbonatite ist das Verhältnis von CaO / (CaO + MgO + FeO + Fe2O3 + MnO) größer als 0,8. Die restlichen Karbonatite werden in Magnesiocarbonatit und Ferrocarbonatit unterteilt (Woolley und Kempe 1989; Le Maitre 2002). Wenn der SiO2-Gehalt des Gesteins 20% übersteigt, spricht man von Silicocarbonatit. Ein Natrocarbonatit ist eine spezielle Carbonatitsorte, die hauptsächlich aus Na-K-Ca-Carbonaten wie Nyerereit und Gregoryit besteht und vom Vulkan Ol Doinyo Lengai (Tansania) bekannt ist.

Eine von Gittins und Harmer (1997) vorgeschlagene Verfeinerung der chemischen Klassifikation der IUGS auf der Grundlage der molaren Anteile führt den Begriff eisenhaltige Calciocarbonatite ein (Abb.1 b). Die Grenze, die Calciocarbonatite von Magnesiocarbonatiten und eisenhaltigen Calciocarbonatiten trennt, wird auf 0,75 gesetzt, oberhalb derer Carbonatite mehr als 50% Calcit auf molarer Basis enthalten. Obwohl nicht allgemein akzeptiert, wird die Klassifikation von Gittins und Harmer häufig in Studien zu karbonatithaltigen Erzlagerstätten verwendet (z. B. Trofanenko et al. 2016).

Abb.1 Carbonatitklassifizierungen nach (a) I, bezogen auf Gew.% (Le Maitre 2002) und (b) Gittins und Harmer (1997) bezogen auf molare Anteile. C / CMF ist das Molverhältnis von CaO /; FeO *, ausgedrückt als molares FeO, wenn sowohl FeO als auch Fe2O3 bestimmt werden. Aus Simandl, GJ, & Paradis, S. (2018).

Eine mineralogisch-genetische Klassifizierung von Carbonatiten wurde von Mitchell (2005) vorgeschlagen. Sein Benchmark-Papier weist auf Fallstricke der IUGS-Klassifikation hin und unterteilt Carbonatite in primäre Carbonatite und carbothermische Rückstände. Der Begriff carbohydrothermaler Carbonatit wird von Woolley und Kjarsgaard (2008b) als Carbonatit definiert, der bei Subsolidustemperaturen aus einer gemischten CO2-H2O-Flüssigkeit ausfällt, die entweder CO2-reich (d. H. carbothermal) oder H2O-reich (d. h. hydrothermal) sein kann.

Ursprung von Karbonatiten

Derzeit gibt es drei Haupthypothesen, die den Ursprung von Karbonatitschmelzen erklären:
(1) nicht mischbare Trennung von karbonisierten Silikatmagmen bei Krusten- oder Manteldrücken.
(2) Kristallfraktionierung von parentalen kohlensäurehaltigen Silikatmagmen wie Olivinmelilititen oder Kamafugiten.
(3) niedriggradiges partielles Schmelzen von kohlensäurehaltigem Mantelperidotit unter 70 km Tiefe.Hypothesen, die eine mögliche Ableitung von Karbonatiten aus der Erdkruste oder aus dem Erdmantel mit einem gewissen Krustenbeitrag aufrufen oder unterstützen, wurden ebenfalls vorgeschlagen. Darüber hinaus legt eine aktuelle Studie, die auf Borisotopen von Karbonatiten weltweit basiert, nahe, dass, obwohl die meisten Karbonatite aus dem oberen Mantel stammen können, jüngere Karbonatite (
Unabhängig von ihrer Art der Bildung sind sich die meisten Forscher jedoch einig, dass Alka-lis (Na und K) eine wichtige Rolle bei der Entstehung von Calcit- und Dolomit-Karbon-bonatiten und Ferrocarbonatit-Intrusionen spielen. Die Bedeutung von Alkalien bei der Entstehung von Carbonatiten steht im Einklang mit Studien von Niedertemperatur (2O und K2O, 4,5 Gew.% F, 5,7 Gew.% Cl, ca.15 Gew.-%.% Ca und weniger als 1 Gew.% Mg und Fe kombiniert. Petrographische und geochemische Evidenz aus extrusiven Carbonatiten sowie Hinweise aus intrusiven Carbonatiten deuten darauf hin, dass calcit- und dolomitreiche Carbonatite Rückstände oder Kumulate aus alkalihaltigen (mäßig alkalischen) Schmelzen sind.

Tektonisches Setting

Die meisten Karbonatite und Alkalisch-Karbonatitkomplexe befinden sich in Kontinental (88% kratonisch, 10.5% nicht-kratonische) Einstellungen (Abb.2) in archaischen und proterozoischen Gesteinen oder in phanerozoischen Gesteinen, die von einem präkambrischen Keller unterlegt sind.

Abb.2: Die wichtigsten globalen Vorkommen von Karbonatiten und karbonatitbezogenen REE in der Welt. Von Liu, Y., & Hou, Z. (2017).

Karbonatite bilden sich in extensionalen tektonischen Umgebungen entlang großer linearer Trends, die auf großflächige Bruchzonen innerhalb der Platte zurückzuführen sind, in Verbindung mit Doming-Merkmalen (Krustengewölbung) oder in Bezug auf Plattenfenster in subduzierenden Platten. Die Verbindung zwischen diesen tektonischen Merkmalen und intensiver magmatischer Aktivität bedeutet, dass viele Karbon-bonatite auch zeitlich und räumlich mit großen magmatischen Provinzen verwandt sind. Karbonatite in orogenen Umgebungen werden manchmal als postkollisional bezeichnet (Chakmouradian et al. 2008). Dies ist ein unglücklicher Begriff, da Karbonatite, die in orogenen Umgebungen vorkommen, möglicherweise vor einem Übergang von dehnungs- zu kompressionstektonischen Regimen oder während einer post-orogenen Ex-Tensionsrelaxation und eines Zusammenbruchs vor einem dynamo-thermischen metamorphen Höhepunkt eingelagert wurden.Karbonatite werden in drei ozeanischen Inselregionen identifiziert: (1) Den kanarischen Inseln; (2) Den Kapverdischen Inseln und (3) den Kerguelen-Inseln; Alle befinden sich auf dem afrikanischen Kontinent. Es ist jedoch möglich, dass diese Inseln von Überresten der kontinentalen Lithosphäre unterlegt sind, die beim Driften der afrikanischen Platte gestrandet sind.

Carbonatit-assoziierte magmatische Gesteine

Fast alle Carbonatite sind mit alkalischen Komplexen assoziiert. Weltweit sind nur 24% der Carbonatitgesteine nicht Teil von Alkalisch-Carbonatit-Komplexen. Es treten eine Reihe unterschiedlicher Karbonatit-Silikat-Gesteinsassoziationen auf, darunter Melilitit-Sövit, Nephelinit-Sövit, Pyroxenit-Sövit und olivinreiche Ultrabasite-dolomitischer Karbonatit. Die Beziehungen zwischen Karbonatiten und ihren assoziierten Silikatgesteinen sind komplex und noch nicht vollständig verstanden. Ob beide Schmelzen aus demselben elterlichen Magma erzeugt wurden oder ob beide unabhängig voneinander erzeugt wurden, bleibt immer noch eines der grundlegenden Probleme bei der Karbonatitpetrogenese.
Phoscorite: Phoscorite sind Magnetit-, Olivin- und Apatitgesteine, die normalerweise mit Carbonatiten (Le Maitre 2002) und ultramafischen Gesteinen von Alkalisch-Carbonatit-Komplexen assoziiert sind. In einigen Fällen gibt es Abstufungen zwischen ultramafischen Gesteinen und Phoscorit. Die von Le Maitre (2002) vorgestellte Definition: „Ein Magnetit-, Olivin-, Apatit-Gestein, das normalerweise mit Carbonatiten assoziiert ist“, ist sehr restriktiv, da Olivin häufig in Pyroxen, Amphibol und Serpentin zurückgeht. Eine viel breitere Definition und Einordnung von Phoskoriten ist in der russischen Literatur verankert (z.B. Jegorow 1993; Krasnova et al. 2004) und schlägt vor, Phoscorit als „plutonisches ultramafisches Gestein, das Magnetit, Apatit und eines der Silikate Forsterit, Diopsid oder Phlogopit“ umfasst, neu zu definieren. Der Begriff Phoscorit ist ein Mnemonikum, das ursprünglich vom Namen der Phosphate Development Corporation abgeleitet ist und sich auf Magnetit-Olivin-Apatit-Gesteine im Loolekop-Carbonatit-Körper des Phalaborwa-Komplexes, Südafrika, bezieht.

Alkali-Metasomatismus

Die meisten intrusiven Carbonatite, Alkali-Carbonatit-Komplexe und viele agpaitische und miaskitische alkalische Intrusionen sind von Landgestein umgeben, das von intrusionsbedingtem Metasomatismus betroffen ist. Metasomatismus ist definiert als: „ein Festkörperprozess, durch den die chemische Zusammensetzung eines Gesteins auf durchdringende Weise verändert wird und der die Einführung und / oder Entfernung chemischer Komponenten infolge der Wechselwirkung des Gesteins mit Flüssigkeiten beinhaltet“.Der Alkali-Metasomatismus, der die meisten Carbonatitkomplexe charakterisiert, ist als Fenitisierung oder Fenitisierungstyp-Metasomatismus bekannt. Meta-Somatismus vom Fenitisierungstyp besteht üblicherweise aus Desilikation, begleitet von der Zugabe von Na, K, Fe3 +, ± Ca, ± Al zum Wirtsgestein, das Carbonatite oder Carbonatit-alkalische Komplexe umgibt. Andere Elemente, die durch Metasomatismus vom Fenitisierungstyp in Country Rock eingeführt werden können, sind Ba, Nb, Sr, Sc, Rb, Zn, V und in einigen Fällen REE und Nb. Ein solcher Metasomatismus kann sich durch die Entwicklung von Na- und K-Amphibolen, Aegirin-Augit, K-Feldspat, Albit, Perthit, Mesoperthit, An-Tiperthit, Nephelin und hellbraunem Glimmer sowie Albit manifestieren (Abb.3).

Abb.3: Schematische Darstellung der Wechselwirkung vom bi-metasomatischen Fenitisierungstyp zwischen Karbonatitschmelze und verwandten Fluiden mit Country Rock. Die Migrationsrichtung der Elemente wird durch Pfeile angezeigt. Mineralien, die häufig in Landgestein beobachtet werden, das von Metasomatismus vom Fenitisierungstyp betroffen ist, sind aufgeführt. Aus Simandl, GJ, & Paradis, S. (2018).

Das Ausmaß und die Intensität des Metasomatismus im Zusammenhang mit Karbonatiten und Alkalisch-Karbonatitkomplexen hängt von einer Vielzahl von Parametern ab, darunter (1) Chemische Zusammensetzung, Temperatur und pH-Wert der Flüssigkeiten; (2) Chemische und mineralogische Zusammensetzung des Country Rock (Protolith); (3) Permeabilität und Porosität des Country Rock; (4) Temperaturgradient zwischen der Flüssigkeitsquelle und dem Landgestein, (5) Verhältnis von Flüssigkeit zu Gestein; (6) Dauer der Flüssigkeitsbewegung.

Morphologie und Geometrie von Alkalisch-Karbonatit-Komplexen

Karbonatite können als Vulkane oder Intrusionskörper auftreten. Die Karbonatitphase kommt gewöhnlich spät in einer intrusiven Reihe nach den alkalischen Silikatmagmen. Viele Karbonatite haben jedoch keine Silikatgesteine. Karbonatitkomplexe sind im Allgemeinen 2, und sind zusammengesetzt, mit mehreren Intrusionen sowohl von Silikat- als auch von Karbonatitmagma. Exponierte intrusive Karbonatite umfassen kleine Stopfen, Kegelblätter und gelegentliche Ringdeiche. Planare Deiche oder Deichschwärme aus Silikatgesteinen und Karbonatiten durchschneiden üblicherweise den gesamten Intrusionskomplex.

Das klassische Carbonatit-Modell (Abb.4 a) vorgeschlagen von Garson und Smith (1958) wurde von Heinrich (1980) und Bowden (1985) populär gemacht und wird noch immer verwendet. Dieses Modell passt zu vielen Komplexen aus ostafrikanischen Karbonatitkomplexen und anderswo:
In einer typischen Reihenfolge werden flache frühe Zeolith- und / oder Nephelinsyenitpfropfen von Karbonatiten gefolgt, die den früheren Silikatkomplex schneiden. Calcite (typischerweise mit über 90% Calcit) sind die häufigste Art von Carbonatit in diesen Komplexen und können den einzigen Carbonatit an einem Ort darstellen. Die späteren Manifestationen der magmatischen Aktivität in vielen Komplexen sind die Einlagerung von Deichen oder Kegelblechen aus eisenreichen Carbonatiten, zusammen Ferrocarbonatit genannt. Ein fast universelles Merkmal von Carbonatitkomplexen ist das Vorhandensein einer charakteristischen metaso-matischen Aureole, in der die Wandgesteine (am häufigsten Quartzo-Feldspat-Gneis) in Aegirin-reiche und Alkali-Amphibol-reiche Gesteine und in einigen Fällen in K-Feldspat-reiche Gesteine umgewandelt wurden. Die metasomatischen Gesteine werden allgemein Fenite genannt.

Abb.4: Morphologie von Carbonatitkomplexen wie vorgeschlagen von: (a) Garson und Smith (1958); (b) Le Bas (1987); und (c) Leicht modifiziert von Sage und Wat-kinson (1991), um die konvexe und konkave Natur von Ringdeichen bzw. Aus Simandl, GJ, & Paradis, S. (2018).

Neuere Modelle (Abb.4 b-c) wurden von Le Bas (1977, 1987) und Sage und Watkinson (1991) vorgeschlagen. Das Modell von Le Bas (1987) zeigt gut die Altersbeziehungen zwischen lithologischen Einheiten und hebt Fenitisationstyp-Überdrucke hervor. Das von Sage und Watkinson (1991) hergestellte Modell zeigt eine begrenzte Anzahl von relativ zum Modell von Garson und Smith (1958); es zeigt jedoch besser die Beziehung zwischen dem vulkanischen Gebäude und den Kraterfazies. Kein Modell zeigt alle möglichen Gesteinsassoziationen, die in alkalischen Carbonatitkomplexen vorkommen, oder ist universell anwendbar. Bei tiefen Erosionsniveaus, Karbonatite sind häufig räumlich mit ultramafischen Gesteinen verbunden. Auf moderaten Ebenen sind sie räumlich mit Pyroxeniten und Jacupirangiten und mit Zeolithen und Nephelinsyeniten auf zunehmend flacheren Ebenen assoziiert (Garson und Smith 1958).

Ferrocarbonatite (calcite, ankerite, siderite, iron oxides and iron silicates) from the Ice River Complex of British Columbia. From James St. John

Calciocarbonatite (sövite) from Hot Spring County, central Arkansas, USA. From James St. John

Calciocarbonatite dikes from Firesand River Carbonatite Complex, Wawa Lake East roadcut, Ontario, Canada. From James St. John

Calciocarbonatit (Sövit), dominiert vom Mineral Calcit (weißlich bis sehr hellgrau) und dunklem Magnetit. Magnet Cove Karbonatit, Arkansas, USA. Von James St. John

Calcit-Carbonatit (sövit) aus der Typlokalität. Søve, Fen-Komplex, Norwegen. Aus Sandatlas

Phoscorit mit Magnetit (schwarz) und Albit (weiß). kovdor, Russland. Aus École des Mines de Saint-Étienne

Bibliographie

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• Krasnova, N. I., Petrov, T. G., Balaganskaya, E. G., Garcia, D., Moute, J., Zai-tsev, A. N., & Wand, F. (2004). Einführung in Phoscorite: Vorkommen, Zusammensetzung, Nomenklatur und Petrogenese. In Phoscoriten und Carbonatiten vom Mantel bis zur Mine: das Schlüsselbeispiel der alkalischen Provinz Kola (Vol. 10, S. 45-74). Mineralogische Gesellschaft London.
* Liu, Y., & Hou, Z. (2017). Eine Synthese von Mineralisierungsstilen mit einem integrierten genetischen Modell von Karbonatit-Syenit-gehosteten REE-Lagerstätten im metallogenen Gürtel des Känozoikums Mian-ning-Dechang REE, das östliche tibetische Plateau, Südwestchina. Zeitschrift für asiatische Geowissenschaften, 137, 35-79.Mitchell, R. H. (2005). Carbonatite und Carbonatite und Carbonatite. Der Ca-nadianische Mineraloge, 43(6), 2049-2068.