Die Frage nach den Mechanismen der chemischen Differentiation der Erde spielt eine große Rolle in den Geowissenschaften.
Wichtige Prozesse, die zu dieser Differentiation der Erde geführt haben sind die Neubildung von ozeanischer Kruste, die
Bildung von kontinentaler Kruste und das Recycling von ozeanischer und kontinentaler Kruste durch Subduktion. Subduktion und der
damit verbundene Vulkanismus ist ein wesentliches Merkmal der modernen Plattentektonik. Den Geowissenschaftler interessieren die
mit der Subduktion verbundenen Prozesse und Ausbildung des Vulkanismus abhängig von der Subduktionsumgebung und den
Subduktionsparametern. So spielt es keine unerhebliche Rolle, ob z.B. ozeanische Kruste unter ozeanische oder kontinentale
Kruste subduziert wird, mit welcher Geschwindigkeit dies geschieht und in welchem Winkel die subduzierte Platte abtaucht. Will
man die Auswirkungen solcher Unterschiede verstehen, muss man versuchen die Prozesse die bei der Subduktion ablaufen, zu erkennen
und zu verstehen. Leider ist es aber nicht möglich die Prozesse in einer Subduktionszone direkt zu studieren und ist daher
auf indirekte Methoden angewiesen. Zu diesen indirekten Methoden zählt auch die Untersuchung des subduktionsbedingten
Vulkanismus hinsichtlich seiner Geochemie.
Neben der Hauptelementgeochemie spielt vor allem die Geochemie der Spuren- und Ultraspurenelemente eine
gewichtige Rolle, da sie sehr sensitiv auf bestimmte Prozesse reagiert. Vor allem anhand der Spurenelemente möchte man
klären, inwieweit es zur Aufschmelzung der subduzierten Platte kommt, wieviel Sediment subduziert wird, ob und wie es zur
Anreicherung verschiedener mobiler Elemente durch Fluidtransport von der subduzierten Platte in den darüberliegenden
Mantelkeil kommt. Zur Klärung dieser Fragen bediente man sich bisher meist der HFS-Elemente (inkompatible Elemente mit
großem Ladungs-Ionenradius-Verhältnis), der LIL-Elemente (inkompatible, großionige lithophile Elemente), der
Seltenerdelemente (SEE = La und Lanthanide) und der radioaktiven und radiogenen Isotopensysteme (z.B. Sm-Nd-System oder
Pb-Pb-System). Die Untersuchungen dieser Elemente bzw. geochemischen Charakteristika gehören mittlerweile zu den
Standardverfahren und haben Modelle der Prozesse bei der Subduktion stark erweitert und verfeinert. Eine vollständige und
eindeutige Klärung der Subduktionsprozesse ist damit bisher jedoch nicht gelungen. Deshalb richtet man gerade in den letzten
Jahren das Augenmerk vermehrt auf bisher wenig genutzte Elemente und Isotopensysteme. Möglich wurden solche Untersuchungen
auch oftmals erst durch verfeinerte Analysemethoden und -möglichkeiten. Zu den in den letzten Jahren vermehrt untersuchten
Elementen und Isotopensystemen zählen die chalkophilen Elemente und das Be-Isotopensystem (z.B.
Tera et al. 1986,
Morris et al. 1990,
Woodhead et al. 1985).
Da diese Elemente bisher sehr wenig und unzureichend untersucht wurden, fehlen oftmals wichtige Daten über
diese Elemente, z.B. die Verteilungskoeffizienten eines Elementes zwischen Mineral und Schmelze bzw. Mineral und Fluid oder die
Konzentrationen in verschiedenen Gesteinstypen, und eine geeignete Analytik. Besondere Bedeutung bekommen daher in diesen
Bereichen die Arbeiten von Jochum et al. (1993, 1996, 1997), Noll et
al. (1986), Ryan et al.
(1995) und Leeman
(1996). Diese Veröffentlichungen stellen eine wichtige Grundlage dieser Arbeit dar.
Jochum et
al. (1997) stellten Untersuchungen über das Verhalten von Sb bei der Differentiation der frühen Erde an und
lieferten Daten zur relativen Inkompatibilität dieses Elementes. Dazu bestimmten sie die Konzentration von Sb, Pb und
verschiedenen SEE mittels SSMS (spark source mass spectrometry) in MORB, OIB, Xenolithen, kohligen Chondriten und anderen sowohl
präkambrischen als auch rezenten magmatischen Gesteinen. Sie konnten zeigen, dass das Sb im untersuchten System eine dem Pr
ähnliche Inkompatibilität besitzt, und dass das Sb bei der Differentiation der Erde aufgrund seiner chemischen und
geochemischen Eigenschaften stark fraktioniert wurde. In einer anderen Arbeit (1993) wurden ähnliche Untersuchungen zu Sn angestellt.
Das Sn besitzt nach dieser Arbeit eine mit dem Sm vergleichbare Inkompatibilität. In einer weiteren Arbeit (
1996) untersuchten Jochum
et al. alterierten MOR-Basalt hinsichtlich der Konzentration verschiedener chalkophiler Elemente. Es wurden sehr starke
Anreicherungen verschiedener Elemente gegenüber frischem MOR-Basalt festgestellt. Die größte Anreicherung weist Sb
auf, das um einen Faktor ∼2.000 im alterierten MORB gegenüber frischen MORB-Gestein angereichert ist.
Noll et al. (1986)
präsentierten in ihrer Arbeit erstmals einen größeren Datensatz zu Gehalten chalkophiler Elemente in verschiedenen
Subduktionsmagmatiten verschiedener Lokalitäten. Die Bestimmungen der Elemente wurden dabei größtenteils mittels
ICPMS durchgeführt. Ryan et
al. (1995) konnten geochemische Variationen in Gehalten verschiedener Elemente in Traversen der Kurilen als Funktion der
Tiefe der subduzierten Platte zeigen. Leeman (1996) zeigte, dass für die Stärke der Anreicherung von fluidmobilen Elementen abhängig
von der Menge subduzierten hydratisierten Materials ist, und dass ein Zusammenhang der Effizienz der Anreicherung von den
physikalischen Subduktionsparametern gesteuert wird.
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