Читать книгу Ein Leben für die Einschlussforschung – ein Freiberger Mineraloge erzählt - Rainer Thomas - Страница 5

Prolog

Heute schaue ich auf eine Zeit zurück, die nach dem Studium im Wesentlichen durch die Beschäftigung mit der Einschlussforschung geprägt wurde. Nach Kindheit, Lehre und Studium begann mit dessen Ende eine 50 Jahre währende, sehr wechselhafte Zeit der Tätigkeit auf diesem Gebiet. Eine als Hobbyforschung zu bezeichnende Zeit endete im Sommer 1988 mit dem Wechsel zur Akademie der Wissenschaften (AdW). Die Promotion B, erfolgreich verteidigt am 3. Februar 1989, markiert dieses Ende definitiv. Es folgte eine Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter im Zentralinstitut für Physik der Erde (ZIPE) auf dem Telegrafenberg bei Potsdam bis zu dessen einheitsbedingter Abwicklung im Jahre 1992, anschließend eine solche als wissenschaftlicher Angestellter im GeoForschungsZentrum (GFZ) Potsdam auf dem gleichen Gelände bis zur „Verberentung“ Ende August 2007, um ab dieser Zeit wieder als „Hobbyforscher“ tätig zu sein.

Enchbat Dombon, ein mongolischer Doktorand aus der Wendezeit, bemerkte einmal in einem Gespräch vor der Verteidigung seiner Dissertation im Sommer 2007, dass mein Weg grob in Abschnitte von jeweils 10 Jahren gegliedert werden kann: 1969 – Diplom, 1979 – Dissertation A, 1989 – Dissertation B, 1999 – Organisation und Durchführung der 15. Zweijahres-Konferenz zu Problemen der Einschlussforschung (European Current Research On Fluid Inclusions – ECROFI) in Potsdam, und in Ergänzung, wenn man so will, 2009 – zweiter Brasilienaufenthalt (PEG2009BRAZIL) mit anschließend stärkerer Fokussierung auf Probleme der Pegmatitgenese, nun mich offensiver in die internationale Diskussion einbringend. Ein anderes und wichtiges Datum ist die von Uli Recknagel (geb. 23.08.1944) und Hans-Jörg Hunger organisierte feierliche Übergabe der Urkunde des „Goldenen Diploms“3 (50 Jahre Diplom) im Mai 2019 in Freiberg.

Um den in groben Zügen skizzierten persönlichen Weg richtig zu verstehen, setze ich hier den Ausführungen eine knappe Definition sowie eine kleine Geschichte der Einschlussforschung voran. Scherzhafterweise bezeichnet man diesen Zweig der Wissenschaft auch als Bläschenkunde. Ausführlicheres kann man dem ersten deutschsprachigen Lehrbuch „Einschlüsse in Mineralen“ von Leeder, Thomas und Klemm (1987) entnehmen. Dieses kleine Büchlein ist praktisch zur gleichen Zeit in beiden Teilen Deutschlands erschienen.

Die kürzeste Definition lautet in Analogie zu David Hilberts (1862–1943) Definition der Mathematik: Einschlussforschung ist das, was kompetente Leute darunter verstehen.

Die hier im Mittelpunkt meines Lebens stehenden Einschlüsse in Mineralen sind diejenigen Phasen, aus denen das jeweilige Mineral entstanden ist, d. h., es sind Gase, wässrige Lösungen oder ehemalige Schmelzen, die beim Wachstum im Wirt, einem Mineral (Kristall), mit eingeschlossen wurden. Im erweiterten Sinne gehören zu diesen Wachstumsprozessen auch Umbildungs- und Rekristallisationsprozesse.

Tafel 1: Einphasige Lösungseinschlüsse in einem ADP-Kristall

Tafel 1

Einphasige Lösungseinschlüsse in einem ADP-Kristall

Flüssigkeitseinschlüsse in einem Ammoniumdihydrogenphosphat-Kristall (ADP), gezüchtet aus einer gesättigten wässrigen Lösung bei 43° C.

1 Im mikroskopischen Bild sieht man in der ADP-Probe, geschnitten parallel zur (101)-Fläche, zahllose einphasige Flüssigkeitseinschlüsse, die mit der Mutterlösung gefüllt sind.

2 Ein sehr seltener Einschluss, der bei der Bildung eine in der Lösung suspendierte Gas- oder Luftblase mit eingeschlossen hat. Dass es sich tatsächlich um eine Lösung handelt, erkennt man daran, dass sich die Blase beim leichten Kippen der Probe unter dem Mikroskop bewegt – ganz in Analogie zu einer Libelle in einer Wasserwaage.

3 Der gleiche Einschluss mit der durch Kippen der Probe verschobenen Gasblase.

4 Der gleiche Einschluss nach geringfügigem Erwärmen unter dem Mikroskop durch das Licht. Man erkennt deutlich, dass der Einschluss eine mehr rundliche Form eingenommen hat.

5 Im gleichen Einschluss bildet sich unter dem Mikroskop in ganz kurzer Zeit im Randbereich zwischen Einschlusswandung und Blase eine Einbuchtung, die zeigt, dass durch den Dichtekontrast zwischen Lösung und Blase eine Stoffbewegung stattfindet.

Bemerkung: Synthetische ADP-Kristalle werden u. a. für die Herstellung von Polarisationsprismen benutzt. Eine weitere Anwendung finden ADP-Kristalle für die Intensitätsmodulation von Laserstrahlen. ADP gehört zu den Kristallen, bei denen sich durch Anlegen eines elektrischen Feldes die Brechungsindizes richtungsabhängig als Funktion der angelegten Feldstärke ändern. Diesen Effekt nennt man den elektrooptischen Effekt. Beim Pockelseffekt (linearer elektrooptischer Effekt) zeigt die Phasenverschiebung zwischen zwei bestimmten Polarisationskomponenten des hindurchtretenden Lichtes eine lineare Abhängigkeit von der angelegten Spannung.

Tafel 2: Flüssigkeitseinschlüsse in einem Quarzkristall von der Knaumühle, Granulitgebirge/Sachsen

Tafel 2

Flüssigkeitseinschlüsse in einem Quarzkristall von der Knaumühle, Granulitgebirge/Sachsen

Wachstumszone (a) in einem Quarzkristall, dekoriert mit unzähligen Flüssigkeitseinschlüssen. Diese bestehen jeweils aus einer wässrigen Lösung und einer Dampfblase. Im Gegensatz zu den seltenen Zwei-Phaseneinschlüssen der Tafel 1 sind die Dampfblasen der vorliegenden Einschlüsse bei der Abkühlung nach deren Bildung infolge Dichteänderung entstanden. D. h., bei den Bildungsbedingungen wurde die Flüssigkeit einphasig eingeschlossen (höhere Temperatur, höherer Druck) und bei der nachfolgenden Abkühlung entlang einer Isochoren heterogenisierten die Einschlüsse beim Erreichen der Zweiphasenkurve, d. h. es erscheint eine kleine Dampfblase, die beim weiteren Abkühlen größer wird, um bei Raumtemperatur etwa das Maximum zu erreichen.

Das Teilbild b) zeigt die im Teilbild a) markierten beiden Einschlüsse bei höherer Vergrößerung und das Teilbild c) den größeren Einschluss, bestehend aus einer Lösung und einer nahezu kugelförmigen Dampfblase.

Tafel 3: CO2-H2O-Einschluss im Beryll von Orlovka/Transbaikalien/Russland bei Raum-Temperatur

Tafel 3

CO2-H2O-Einschluss im Beryll von Orlovka/Transbaikalien/Russland bei Raum-Temperatur

Der Einschluss in der Beryll-Matrix enthält die folgenden Phasen, die im Einschluss „Dichte-sortiert“ sind:

CO2-Dampfphase – CO2d

CO2-flüssig – CO2f

Wässrige Phase (Lösung) – H2O-Lösung

Gediegen Schwefel – S

Durch geringfügiges Erwärmen der Probe unter dem Mikroskop durch das Mikroskop-Licht wird die dampfförmige CO2-Phase immer kleiner, um bei einer Temperaturerhöhung in der Größenordnung von 0,5° C komplett zu verschwinden.

Tafel 4: Schmelzeinschluss im Topas aus einem Rhyolith vom Thomas Range, Utah/U.S.A.

Tafel 4

Schmelzeinschluss im Topas aus einem Rhyolith vom Thomas Range, Utah/U.S.A.

Die Tafel 4 zeigt einen typischen Schmelzeinschluss im Topas. Bei Raumtemperatur besteht dieser Einschluss aus verschiedenen Kristallen und einer deformierten Dampfblase. Freies Wasser ist nicht nachweisbar. Beim langsamen Erwärmen auf einem Mikroskop-Heiztisch beginnt das erste Schmelzen bei etwa 330° C. Bei 350° C haben sich aus der Schmelz-Matrix neue Kristalle (höherer Brechungsindex) gebildet. Alle Mineral-Phasen schmelzen bis 445° C vollständig, nur eine runde Dampfblase ist in der homogenen Schmelze zu sehen. Diese Dampfblase verringert beim weiteren Aufheizen ihr Volumen, um bei 726° C vollständig zu verschwinden. Man nennt diesen Punkt Homogenisierungstemperatur. Da sich die Dampfblase nahe der Homogenisierungstemperatur rasch bewegt, kann man davon ausgehen, dass die Schmelze eine sehr niedrige Viskosität besitzt. Es handelt sich hier um eine komplexe Salzschmelze. Eine eindeutige Identifizierung der festen Mineralphasen mittels Raman-Spektroskopie war bisher noch nicht möglich, da die Topas-Linien der Matrix sehr intensitätsstark sind. Nachgewiesen wurden bisher Sinjarit CaCl2 + 2H2O und Neighborit NaMgF3. Aber auch Fluoroberyllat-Komplexe der Art Be2F72- konnten mittels Raman-Spektroskopie wahrscheinlich gemacht werde. In Einschlüssen im Quarz des gleichen Gesteins konnten eindeutig Kryolith Na3AlF6 und Kryolithionit Na3Li3Al2F12 identifiziert werden. Allein aus dem Nachweis dieser Mineral-Phasen kann man die Komplexität der primären Schmelze erahnen.

Durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten der eingeschlossenen flüssigen Phasen, Schmelzen oder wässrigen Lösungen zum einschließenden Mineral entsteht im einfachsten Fall eine Art Libelle, wie wir sie zum Beispiel in einer Wasserwaage antreffen. Es ist zu bemerken, dass hier nur eine oberflächliche Analogie vorliegt. Der Einschluss besteht aus einer Dampfblase in einer Flüssigkeit. Im Falle der Libelle handelt es sich um eine künstlich eingebrachte Luftblase. Durch Aufheizen kann man die Dampfblase in einem echten Einschluss wieder zum Verschwinden bringen. Diese Schließtemperatur, auch Homogenisierungstemperatur genannt, stellt dann die minimale Bildungstemperatur dar.

Diese Einschlüsse besitzen eine stabile Phasengrenze gegen den Wirtskristall, wurden im Nachhinein nicht verändert, sind dicht und volumenkonstant geblieben. Die beiden zuletzt genannten Kriterien sind nicht immer erfüllt und gerade um diese Punkte wurde in den letzten einhundert Jahren oft erbittert gerungen. Selbst wenn man diese Schwachpunkte zulässt, bleiben die Einschlüsse für die Rekonstruktion der Bildungsbedingungen von unschätzbarem Wert, liefern sie doch wichtige Anhaltspunkte für die Rekonstruktion der Bildungsbedingungen des jeweiligen Minerals – das sind in erster Linie die Einschlusstemperatur und der Druck, die Dichte sowie die chemische Zusammensetzung des mineralbildenden Mediums. Die Größe der Einschlüsse ist sehr variabel. Sehr große, mit bloßem Auge sichtbare Einschlüsse (auch Enhydros genannt) sind sehr selten, wurden aber bereits im 4. Jahrhundert unserer Zeitrechnung von Claudian erwähnt (Leeder et al. 1987). In der Regel sind Einschlüsse aber sehr klein. Typische Werte für den Durchmesser liegen bei 10 bis 20 µm. Aus dieser geringen Größe ergeben sich auch die Schwierigkeiten für deren Untersuchung. Mikroskopische Betrachtung ist Standard. Die mit dieser Größe verbundene geringe Masse deutet schon auf die erheblichen Probleme bei der quantitativen Analytik der Einschlussphasen hin, hat doch ein sphärischer Einschluss von 10 µm Durchmesser und einer Dichte von 1 g/cm3 nur eine Masse von etwa 10-9 g. Ein kleiner Diamantwürfel mit einer Kantenlänge von 1 µm entspricht bei einer Dichte von 3.5 g/cm3 einer Masse von 3.5 · 10-12g. So eine kleine Menge Kohlenstoff in Form des Diamanten kann mit der Ramanspektroskopie noch eindeutig bestimmt werden.

Die Einschlüsse wurden wissenschaftlich erstmals von Henry Clifton Sorby (1826–1908) im Jahr 1858 untersucht. Er gilt als der eigentliche Vater der Einschlussforschung. Er hat auch die Dünnschlifftechnik in die mikroskopische Petrografie und Metallurgie eingeführt (siehe Dawson 1992). Vereinzelte Arbeiten erschienen dann in loser Folge, immer nur Einzelprobleme beleuchtend, um dann ab etwa 1964 mit der Gründung der COFFI (Commission of Ore-Forming Fluid Inclusions) stetig und rasch zuzunehmen. Dieser Aufschwung ist vor allem den Arbeiten von G. Deicha in Frankreich, Georg G. Lemmlein [auch Laemmlein, Lämmlein] (1901–1962) und Nikolai Porfirievich Ermakov (1913–1993) in Russland – der ehemaligen Sowjetunion – und insbesondere von Edwin (Ed) Roedder (1919–2006) in den U.S.A. zu verdanken.

Diese rasante Entwicklung ist aber stets mit immer wiederkehrenden kritischen Arbeiten konfrontiert worden, die dieser Methode aus Einzelbeobachtungen heraus ablehnend gegenüberstanden. Diesen Skeptikern ist es aber nie gelungen, den einmal beschrittenen Weg ernstlich aufzuhalten. In einem Fall gelang dies doch über einen sehr langen Zeitraum, eigentlich bis heute. Lemmlein, Klija und Ostrovski berichteten 1962 das erste Mal über Schmelzeinschlüsse im Topas der Kammer-Pegmatite von Wolhynien in der Ukraine. Sie führten erstmals auch Homogenisierungen unter Druck durch und waren wohl die ersten, die im Zusammenhang mit den Einschlüssen von einer wasserreichen Schmelze sprachen und diese auch beschrieben. Diese Ergebnisse wurden von den meisten sowjetischen und russischen Einschlussforschern bis heute bezweifelt und vehement bekämpft, wodurch die von Lemmlein bereits geleistete Pionierarbeit aus dem Jahr 1929 in den Hintergrund gedrängt wurde. Lemmlein (ein russischer Jude) als Nachfolger von Schubnikov hat auch auf dem Gebiet der Kristallmorphologie, des Kristallwachstums und der Wachstumskinetik Hervorragendes geleistet. Mit seinen Beschreibungen des Spiralwachstumsmechanismus hat er 1945 bereits 4 Jahre vor der berühmten Publikation von F.C. Frank (1911–1998) auf diesen Mechanismus aufmerksam gemacht. Auch in der Sowjetuinion hatten es die Juden nicht einfach.

Kritikpunkte haben die Einschlussforscher oft selbst geliefert, da sie gelegentlich mit ihren Deutungen weit über das Ziel hinaus spekulierten. Auch die Art und Weise der Forschung ist hier nicht zu vernachlässigen. Der erfolgreiche Abschluss eines Themas auf dem Gebiet der Einschlussforschung bedeutete in der Regel auch meist das Ende der Beschäftigung mit diesem Thema. Eine kontinuierliche Arbeit über Jahrzehnte war nur ganz wenigen vergönnt. Diese wurden oft von ihren Kollegen verlacht, weil sie sich nicht dem Zeitgeist entsprechend verhielten und von einem scheinbar spektakulären Feld zum anderen wechselten, ähnlich einem Kinde im vorpubertären Alter, das die Welt zu entdecken beginnt. Andere, nicht zu unterschätzende Gesichtspunkte sind die scheinbare Einfachheit der Methode und die niedrigen Kosten – so eine Methode kann ja nicht viel wert sein! Dieser Meinung bin ich oft begegnet. Viele junge Wissenschaftler haben die Vorstellung, dass man nur spektakuläre Ergebnisse erzielen kann, wenn man die modernsten und neuesten Methoden einsetzt. Von den Kinderkrankheiten abgesehen, sind diese Methoden auch problembeladen – immer kleinere Probenmengen werden für die Interpretation globaler Prozesse eingesetzt. Dieter Rhede hat häufig seine Skepsis dazu ausgedrückt: „Ein ganzer Berg – oft mehrere Kubikkilometer groß – soll durch einen einzigen Dünnschliff charakterisiert werden?“ Eine ziemliche Anmaßung! Zum „Skalierungsproblem“ siehe weiter unten.

Dass in einer schnelllebigen Zeit eine über Jahrzehnte währende Forschung möglich und notwendig ist, sollen die vorliegenden Zeilen verdeutlichen. Um es vorwegzunehmen, möglich wurde das aber hauptsächlich durch die etwas eigenartige politisch-gesellschaftliche Situation in der nach Anerkennung lechzenden DDR, die offen sein wollte – es aber nicht war. Wenn man sich einen Nutzen versprach, wurde auch Nischenforschung geduldet oder sogar gefördert.

3 Vom Freiberger Alumni Netzwerk organisiert.