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Quarzporphyre von Åland  

1. Einleitung + Zusammenfassung
2.
Ausführliche Beschreibung
3: Karten, Bildergalerie, Leitgeschiebe?

Auf dieser Seite:
Herkunft der Porphyre
Geologischer Rahmen
Magmatische Korrosion
Magmenmischung

Ein Gestein mit Quarz- und Feldspateinsprenglingen wird in der Geschiebekunde als "Quarzporphyr" bezeichnet, wenn seine Grundmasse dicht oder sehr feinkörnig ist.  Bei erkennbar körniger Grundmasse spricht man von "Granitporphyr".
Diese Trennung wird hier nicht konsequent umgesetzt, da die finnischen Geologen alle hier gezeigten Gesteine als Quarzporphyre bezeichnen. Um Differenzen zu den geologischen Karten und der Literatur zu vermeiden, verwende ich hier durchgehend den Begriff "Quarzporphyr", auch wenn einige Stücke doch eher "Granitporphyre" sind.

Åland-Quarzporphyre sind als Geschiebe schon lange bekannt, allerdings gab es bisher Unklarheiten zur Herkunft.  Sicher war nur, daß die wenigen Vorkommen auf der Hauptinsel von Åland als Ursprungsgebiet für all die aufgefundenen Geschiebe viel zu klein sind.
Der nördliche, unter Wasser liegende Teil des Ålandplutons, scheidet ebenfalls als mögliche Heimat aus. Gäbe es dort Quarzporphyre, müßten diese im Norden der Insel als Nahgeschiebe zu finden sein, denn der Eistransport verlief dort genau von Nord nach Süd. Man findet aber keine Quarzporphyre im Norden Ålands. (Die Bottenseeporphyre ausgenommen, aber das ist ein ganz anderes Thema.)

Wir verdanken es zwei niederländischen Sammlern - Xander de Jong und Piet Thijssen - daß wir seit kurzem mehr wissen. Beide haben in den Jahren 2010, 2011 und 2012 diverse Inseln im Ålandarchipel besucht und dabei auch die Fortsetzung des Porphyrganges von Hammarudda untersucht. Dort, im Süden der Hauptinsel, gibt es auf mehreren Inseln Quarzporphyre und von dort stammt ganz sicher ein Teil unserer Geschiebe. Die Gesteine auf diesen Inseln wurden bisher nicht ausführlich beprobt, obwohl schon Mende 1925 einen Hinweis auf die Schäre "Storbroskär" gab. (MENDE F 1925 Typengesteine kristalliner Diluvialgeschiebe aus Südfinnland und Åland - Zeitschrift für Geschiebeforschung 1 (3): 117-139, 6 Abb., 3 Tab., Berlin.)

Jetzt haben wir Material aus diesem Gebiet und Sie finden hier die ersten Fotos dazu.
Die meisten Ansichten zeigen Schnitte. Das entspricht einer nassen Oberfläche bei einem Geschiebe. Alle Proben stammen aus dem Anstehenden bzw. sind lose Steine vom gleichen Ort.

Quarzporphyr von der Insel Storbroskär, südöstlich von Hammarudda:
hellrötlicher Quarzporphyr von Aland, quartz porphyry from Aland
Diese Ansicht zeigt wesentliche Merkmale vieler
Åland-Quarzporphyre:
Viele große und gerundete Quarze, reichlich Feldspateinsprenglinge und eine feinkörnige Grundmasse. Letztere ist oft rötlich bis rotbraun, es kommen aber auch andere Varianten vor.

Geologischer Rahmen:

Alle diese Porphyre sind Teil des Rapakiwiplutons von Åland. Ihre Entstehung ist untrennbar mit diesem besonderen Granit verknüpft.
Kurz gefaßt entstehen Rapakiwimassive als Folge des Aufstiegs einer großen Menge sehr heißer, mafischer Schmelze aus dem tieferen Erdmantel. (Mafisch = eisen- und magnesiumreich. Daraus bilden sich dunkle Gesteine wie Gabbros/Dolerite bzw. Basalt.)
Diese Mantelschmelze löst durch ihre Wärme in der unteren Erdkruste die Bildung einer zweiten Schmelze mit granitischer Zusammensetzung aus. Diese Granitschmelze steigt dann zusammen mit dem mafischen Magma weiter auf.
Erreichen beide Magmen die Erdoberfläche, kommt es zu Vulkanismus. Bleiben sie stecken, bilden sich ausgedehnte Plutone mit grobkörnigen Gefügen. Die Granitschmelze wird zum Rapakiwi, die mafische Schmelze erstarrt zu Gabbro bzw. Anorthosit (bestehend nur aus Plagioklas). Dieser Vorgang erstreckt sich über geologisch lange Zeit, die Rapakiwimassive wachsen in einer Folge von Magmenschüben zu ihrer endgültigen Größe heran.
Das zeitgleiche Auftreten zweier verschiedener Schmelzen wird als bimodaler Magmatismus bezeichnet. Er ist der Schlüssel zum Verständnis der Rapakiwigranite.

Die Quarzporphyre hier repräsentieren Teile der granitischen Schmelze, die sich nach bereits begonnener Kristallbildung plötzlich abkühlte. Ursache dafür können Vulkanausbrüche sein, die eine schnelle Aufwärtsbewegung des Magmas unter dem Vulkan zur Folge haben. Steigt die kristallhaltige Schmelze weit genug auf, gelangt sie in höhere und kühlere Schichten und wird dort zügig kalt. Das Ergebnis ist ein Porphyr, der, hätte er mehr Zeit gehabt, zu einem grobkörniger Granit geworden wäre.

Magmatische Korrosion:

In allen Åland-Quarzporphyren findet man runde Quarze. Sie sind auf allen Bildern hier zu erkennen und es ist Zeit, sie etwas näher zu betrachten.
Die Quarze sind rundlich und "zerfressen", weil sie nach ihrem Kristallwachstum einer erneuten Schmelzbildung ausgesetzt waren und sich vom Rand her aufzulösen begannen. Dieser Vorgang wird als "magmatische Korrosion" bezeichnet.
Auslöser kann entweder eine Erhöhung der Temperatur in der kristallführenden Schmelze oder eine Druckentlastung bei unveränderter Temperatur sein. In diesen Gesteinen hier war es die Druckentlastung beim Aufstieg der Schmelze.
Wieso nun soll ein Druckabfall so eine Wirkung haben? Das passiert doch in jedem Granitmagma, das in der Erdkruste aufsteigt.

Rapakiwimagmen sind, anders als durchschnittliche Granitschmelzen, ausgesprochen wasserarm  ("trocken") und besonders heiß. Ursache ist die Hitze, die vom begleitenden dunklen Magma ausgeht.
Unter diesen Voraussetzungen kann ein bereits kristallführendes granitisches Magma in die erneute Schmelzbildung geraten, allein dadurch, daß es aufwärts steigt. Ursache ist der Verlauf der Schmelzkurve in trockenen Granitmagmen:
Skizze zur magmatischen Korrosion in trockenen Granitschmelzen
In einem wasserfreien Granitmagma steigt mit dem Druck auch die Temperatur, die zur Schmelzbildung nötig ist (weiße Linie).
Wenn die Kristallisation begonnen hat, befindet sich die heiße Mischung aus Schmelze und Kristallen rechts von der weißen Linie. Steigt dann der Kristallbrei auf, sinkt der Umgebungsdruck. Im Diagramm bewegt sich die Schmelze entlang der blauen Linie nach oben. Bleibt die Temperatur gleich, gerät das Ganze erneut in die Schmelzbildung. Dann werden die bereits gebildeten Feldspäte und Quarze vom Rand her wieder aufgelöst. Das Ergebnis sieht dann so aus:

magmatische Korrosion an Quarzen im Aland-Quarzporphyr
Die dunkelgrauen rundlichen Minerale sind Quarze im Querschnitt.
Sie alle haben einen gebuchteten Rand und Löcher, die ins Innere reichen. Das ist die Wirkung der "magmatischen Korrosion".
Das Anschmelzen beginnt außen, zuerst verschwinden die Kanten der Kristalle. Bald darauf aber bilden sich Kanäle, die ins Innere der Kristalle reichen und sofort von Schmelze gefüllt werden. Diese Kanäle sind im Querschnitt die wurmartigen, roten Gebilde, die in die Quarze hineinreichen.
Quartz with magmatic corrosion
Oberfläche eines angelösten Quarzkorns.

Die Bildung der tiefen Löcher hat mit Fehlern im Kristallgitter zu tun. Dort, wo der Quarz nicht perfekt ist, setzt die Aufschmelzung bevorzugt an und frißt sich weiter. Solche Fehlstellen sind normal, es gibt sie in allen Kristallen.

Von der Auflösung sind nicht nur die Quarze, sondern auch die Kalifeldspäte betroffen.
Unten: Feldspäte in verschiedenen Stadien der Aufschmelzung.
magmatische Korrosion der Feldspäte im Aland-Quarzporphyr

Ein weitgehend resorbierter Kalifeldspat:
magmatic corrosion alkali felspar

Der eigentliche Auslöser für diesen Prozeß ist die den Granit
begleitende Schmelze aus dem Erdmantel. Sie heizt das Granitmagma zusätzlich auf. Dessen hohe Temperatur und der niedrige Wassergehalt sind die Voraussetzungen für magmatische Korrosion.
(Wassergesättigte Granitmagmen dagegen verhalten sich ganz anders. In ihnen beschleunigt sich teilweise sogar die Erstarrung des Gesteins bei Druckentlastung.)
  

Die Bildung der runden Feldspäte (Ovoide)

Die Kristallisation der Feldspäte beginnt vor der der Quarze und in größerer Tiefe. Deshalb sind die Kalifeldspäte auch viel früher von der Kantenrundung und Auflösung betroffen.
Folgt auf so eine Anschmelzung eine Abkühlungsphase, kann das Kristallwachstum erneut einsetzen und aus dem angelösten Kristall wird wieder ein kantiger, nun aber größerer Feldspat. Das vorhandene Kristallgitter dient als Basis für das weitere Wachstum.
Folgt dann ein weiterer Magmenaufstieg mit Druckverlust, kann sich das Anschmelzen und, bei einer erneuten Unterbrechung, auch nachfolgendes Kristallwachstum wiederholen. Das hängt allein davon ab, wie sich das granitische Magma nach oben bewegt und ob die Temperatur ausreichend hoch bleibt.
Ergibt sich ein mehrfacher Wechsel zwischen Anschmelzung und Wachstum, dann wachsen die Feldspäte zu rundlichen Kristallen heran, den Ovoiden. Auf diese Weise entsteht das Rapakiwigefüge.

Diese Porphyre hier sind alle Teil des Rapakiwiplutons von Åland. Einige von ihnen unterscheiden sich vom typischen Rapakiwigranit nur noch in der Grundmasse. Sie enthalten bereits viele der runden Feldspäte, teilweise auch mit Plagioklassaum.
Hätten diese Porphyre mehr Zeit zum Abkühlen gehabt, wäre aus einigen von ihnen richtiger Åland-Rapakiwi geworden. Dieser hier war schon auf einem guten Weg:

Quarzporphyr von Aland mit Ovoiden, quartz porphyry from Aland with ovoids
Auch bei den Proben von Hammarudda (Karte?) sind ähnliche Gefüge zu beobachten. (In der
Bildergalerie ab Nr. 45)

Warum bildet der Plagioklas erst am Schluß diese Säume?
Die Kristallisationskurve von Plagioklas verläuft steiler als die von Alkalifeldspat und Quarz. Das führt dazu, daß der Plagioklas bis zum Schluß in der Schmelze gelöst bleibt und am Wechsel von Anschmelzung und neuem Wachstum nicht teilnimmt. Er wird erst spät ausgeschieden und bildet deshalb am Ende die Säume um die Einsprenglinge.
(Einzelheiten siehe: Eklund, Shebanov: The origin of rapakivi texture by sub-isothermal decompression. Precambrian Research 95 (1999) Seite 129–146.)

Die Kalifeldspäte sind, egal ob kantig oder rund, meistens Einkristalle. Erkennbar ist das nur auf Bruchflächen. Bei einem Einkristall spiegelt die Spaltfläche des ganzen Ovoids in einem Stück.

Spaltfläche eines Ovoids im Aland-Quarzporphyr. Cleavage face, ovoid in Aland quartz porphyry
Oben: Spaltfläche eines typischen Ovoids, aus einem einzigen Feldspatkristall bestehend.
Die kleinen Körner innerhalb des Feldspats sind Quarze. Sie findet man in vielen Ovoiden eingewachsen.
Unten: Einige der Ovoide sind Karlsbader Zwillinge. Bei ihnen reflektiert immer nur ein Teil des Feldspats. Der braune Saum ist Plagioklas.

Kalsbader Zwilling bei einem Ovoid im Aland-Quarzporphyr

Magmenmischung:

Ein weiteres Merkmal der Rapakiwis hängt wieder mit dem begleitenden mafischen Magma zusammen.
Obwohl die mafische Schmelze wesentlich dünnflüssiger und sehr viel heißer ist als das Granitmagma, kommt es immer wieder zu Vermischungen - mehr oder weniger vollständig. Das hat sichtbare Auswirkungen auf das Gestein. Seine Farbe wird dunkler, es tauchen Minerale wie Magnetit und Pyroxen auf und zusätzlich auch dunkle Fragmente. Einen solchen Xenolith  ("Fremdgestein") zeigt das nächste Bild.
 dunkler Xenolith im Aland-Quarzporphyr
Das silbrige oben rechts ist ein kleiner Magnet. Er zeigt, daß hier in der Grundmasse Magnetit steckt.
mafic xenolith in quarz poprhyry from Aland
Die kräftig braun gefärbte Grundmasse ist ebenfalls ein Ergebnis der Aufnahme von mafischem Material. Rein granitische Porphyre sind heller und meist rot - und sie enthalten keinen Magnetit.

Das folgende Beispiel ist extrem dunkel. Hier ist auch Pyroxen enthalten, allerdings ist der nicht mit bloßem Auge erkennbar, dazu braucht man einen Dünnschliff.
Aber die dunkle Grundmasse, den erhöhten Plagioklasanteil und Magnetit - all das kann jeder mit bloßem Auge und einem Magnet erkennen.
 dunkler Aland-Quarzporphyr von Hammarudda
Die Plagioklase bilden in diesem Quarzporphyr helle Einsprenglinge und Säume um die Alkalifeldspäte. Das Gestein stammt von der Halbinsel Hammarudda.
Unten: Plagioklas als Aggregat kleiner Kristalle im selben Gestein. Die polysynthetischen Verzwillingungen vom Plagioklas sind am unteren Rand gut erkennbar.
Plagioklase in einem Kristallaggregat im dunklen Aland-Quarzporphyr

In manchen Porphyren kommen einzelne, große Plagioklaskristalle vor. Sie stammen ebenfalls aus dem dunklen Begleiter des Granits, haben aber eine besondere Geschichte.  Sehr wahrscheinlich handelt es sich bei ihnen um Reste von Anorthosit.
Anorthosite sind reine Plagioklasgesteine und ihre Entstehung hat mit der Ansammlung von mafischer Schmelze zu tun. In einer Magmakammer kann sich das dunkle Magma im Laufe der Zeit in seine verschiedenen Bestandteile trennen. Die schweren Minerale sinken nach unten, der leichte Plagioklas steigt nach oben und bildet die oberste Schicht, den Anorthosit. Dieser Vorgang wird auch als "gravitative Differenziation" bezeichnet und man darf sich das durchaus im Kilometermaßstab vorstellen.
Wird von nachdrängendem Granitmagma so ein Anorthosit zerbrochen und in die Schmelze aufgenommen, sieht das Resultat so aus: 
 Plagioklas-Xenolith im Aland-Quarzporphyr
Die grünliche Farbe des Plagioklaseinschlusses ist auf Alteration zurückzuführen. Alteration ist der Mineralumbau bei hohen Temperaturen unter Einwirkung von Fluiden (Wasser/CO2).
Alterierter Plagioklas wird oft grünlich, Ursache ist die Bildung von fein verteiltem Epidot.

Einschlüsse von Anorthosit oder einzelnen großen Plagioklasen gaben in der Vergangenheit ziemliche Rätsel auf, denn in einem normalen Granit können sich diese nicht bilden. Erst als man den Mechanismus der Magmenmischung entdeckt hatte, wurde das Gefüge dieser Gesteine verständlich. (Es gibt sie auch in anderen Rapakiwiplutonen, besonders auf Rödö und in Nordingrå.)

Auch dunkle Säume um Quarze (siehe unten) sind ein Hinweis auf mafisches Magma.
Deren dunkle Schmelze enthält neben viel Plagioklas auch Pyroxen. Gerät der Pyroxen ins Granitmagma, reagiert er mit Quarz und bildet Hornblende. Der schwarze Saum um das Quarzkorn im nächsten Bild ist Hornblende und zeigt, daß dieser Granitporphyr Pyroxen aufgenommen hat.
Quarz mit dunklem Saum aus Hornblende = Ringquarzporphyr von Aland
An einigen Stellen auf Åland, besonders nördlich von Mariehamn, treten solche Porphyre mit dunkel gesäumten Quarzen gehäuft auf. In der Geschiebekunde werden sie als "Ringquarzporphyre" bezeichnet. Sofern sie die typische rotbraune Farbe der Ålandgesteine haben, sind sie hervorragende Leitgeschiebe. Mir ist kein weiteres Vorkommen mit flächenhaft auftretenden Gesteinen bekannt, das in großer Menge schwarz gesäumte Quarze enthält.
 

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