Einleitung

Die (klassische) Geologie ging und geht teilweise heute noch davon aus, dass sich Karbonate nur im Warmwasser bilden. Spätestens seit der Entdeckung der Glendonite (bzw. der Ikaite, siehe nächstes Kapitel) stellte sich heraus, dass sich ebenso Kaltwasserkarbonate bilden können. Intensive Forschung auf diesem Gebiet zeigt zunehmend die Wichtigkeit dieses geologischen Prozesses.
Aus diesem Grund soll dieser Text einen kleinen Überblick über die Thematik Glendonite/Ikaite geben und den Einen oder Anderen dazu anregen, sich mit den für die Geowissenschaften wichtigen Mineralen näher auseinanderzusetzen. Für ein tiefergehendes Studium der Glendonite sind die unter “Quellenangaben” aufgeführten Literaturangaben und Internetadressen sehr hilfreich.

Mineralogie von Ikait und Glendonit

Wie bereits in der Einleitung erwähnt, wird derzeit davon ausgegangen, dass Ikait (CaCO₃ x 6H₂O) und Glendonit (CaCO₃) in engem Zusammenhang stehen. So begreift die Mehrheit der Glendonit- beziehungsweise Ikait-Forscher den Glendonit als eine Calcit-Pseudomorphose nach Ikait. In älteren mineralogischen Büchern ist unter Umständen noch zu lesen, dass Glendonit eine Calcit-Pseudomorphose nach Glauberit (Na₂Ca[SO₄]₂) sei. Endgültig geklärt ist dieses Problem noch nicht, aber die überwiegende Auffassung lautet, dass es leichter ist, aus Calciumkarbonat mit Wasser im Kristallgitter (also Ikait) Calcit zu bilden, als aus einem Sulfat (Glauberit). SWAINSON und HAMMOND (2001) haben in ihrer Arbeit etliche Forschungsergebnisse publiziert, die es zulassen, Glendonit als eine Calcit-Pseudomorphose nach Ikait anzusehen. Aus diesem Grund wird in diesem Text neben dem Glendonit auch immer das Ausgangsmineral Ikait eine Rolle spielen.

Ikait ist das Hexahydrat des Calciumkarbonates mit der chemischen Formel CaCO₃ x 6H₂O. Das Mineral besitzt etliche Synonyme wie etwa Fundylit, Gennoishi, Gerstenkörner, Jarrowite, Pseudogaylussit, Thinolit oder White Sea hornlets. Teilweise werden die gleichen Synonyme auch für Glendonite verwendet. Dies ist der Fall bei Gennoishi, Jarrowite, Pseudogaylussit, Gerstenkörner und Thinolit.

Nachfolgend werden die wichtigsten Eigenschaften von Ikait aufgeführt:

• Dichte: 1,8 g/cm³
• Farbe: weiß
• Strich: weiß
• Härte: 2
• Kristallsystem: monoklin
• Kristallklasse: 2/m

Ikait wurde 1963 von H. PAULY erstmals entdeckt. Der Fundpunkt liegt im Ikkafjord (Grönland). Der Fjord war dann auch namensgebend für das neue Mineral. Die Substanz mit der Zusammensetzung von Ikait wurde bereits im Jahr 1865 durch PELOUZE im Labor hergestellt, aber erst etwa 100 Jahre später in der Natur entdeckt.

Ikait wurde wohl deshalb solange von der Wissenschaft übersehen, weil er nur in einem kleinen und für Geowissenschaftler eher unangenehmen Temperaturbereich zwischen -1,9 und 7°C stabil ist. Bereits bei Temperaturen über 5°C (DE LURIO und FRAKES 1999) wird das im Kristallgitter gebundene Wasser abgegeben und es findet eine Umwandlung in ein Gemenge von mikrokristallinem Calcit und Wasser in wenigen Minuten statt. Aufgrund des sehr instabilen Verhaltens unter für uns normalen Bedingungen, gibt es nur sehr wenige Exemplare von Ikait-Kristallen, die ohne weiteres angesehen oder fotografiert werden könnten. Allerdings wurden 1982 in einem Tiefseebohrkern große Ikait-Kristalle aus dem Bransfield Straight im Antarktischen Schelf gefunden.

Die Pseudomorphose des Ikaits endet letztlich in der Bildung von Glendoniten oder aber von anderen Calcit-Aggregaten wie zum Beispiel bernsteinfarbenen Calcit-Konkretionen (GREINERT und DERKACHEV 2004).

Glendonit ist chemisch gesehen Calciumkarbonat (CaCO₃) und mineralogisch angesprochen Calcit mit der Kristallform von Ikait.

Benannt wurde der Glendonit nach dessen Typlokalität Glendon in New South Wales in Australien. Wie bereits oben erwähnt, existieren für Glendonit zahlreiche Synonymbezeichnungen, die sich aus lokalen Funden entwickelt haben. So werden beispielsweise die Calcit-Pseudomorphosen von Mono Lake (Kalifornien) als Thinolite, Vorkommen um Sangerhausen (Thüringen) wiederum als Gerstenkörner bezeichnet.

Die Beziehung zwischen Ikait und den typisch sternförmigen Pseudomorphosen wurde erst in den 80er Jahren des 20. Jahrhunderts hergestellt. Das Problem ist es, nachzuweisen, dass Ikait das Ausgangsmineral der Calcit-Pseudomorphose ist. Man muss hier mit dem seltenen Phänomen zurecht kommen, dass mehr Pseudomorphosen als Ausgangsminerale aufzufinden sind (was an den aus menschlicher Sicht ungewöhnlichen Stabilitätsbedingungen des Ikaits liegt).

SWAINSON und HAMMOND (2001) begründen die Annahme des Ikaits als Vorläufer von Glendonit durch die ungewöhnliche Kombination von Prismen mit quadratischer Grundfläche und Doppelpyramiden (eine Art Oktaederform…) bei den Pseudomorphosen. Ihre kristallografischen Untersuchungen zwischen dem Kristallbau des Ikaits und der Morphologie der Pseudomorphosen haben die Annahme von Ikait als Vorläufer bestätigt.

Genese von Ikait und Glendonit

Das Ikait-Vorkommen im Ikkafjord (Typlokalität) am Südzipfel Grönlands ist das wohl faszinierendste überhaupt und zugleich weltweit einzigartig. In einem eng begrenzten Bereich von etwa 2 km² wachsen mit etwa 25 – 50 cm pro Jahr (BUCHARDT et al. 2001) über 600 Ikait-Säulen von Fjord-Boden in Richtung Wasseroberfläche. Die Säulen erreichen dabei Längen von 1 Meter bis zu erstaunlichen 18 Metern. Das “Wachstums-Areal” wird auch als “Ikaite Column Garden” (Ikait-Säulen-Garten) bezeichnet.

Generell sind bisher zwei Bildungsmöglichkeiten von Ikait bekannt: zum einen die Bildung großer bis gelegentlich riesiger Kristalle in weichen, an organischem Material reichen Sedimenten und zum anderen durch Mischung bikarbonat- und karbonatreicher Fluide mit calciumreichem Meerwasser (sowohl marin als auch nicht-marin, wie vermutlich im Mono Lake, Kalifornien). Letztere Möglichkeit ist die häufigere und findet laut BUCHARDT et al. (2001) im Ikkafjord statt. Es wird demnach angenommen, dass sich der Ikait durch Materialzufuhr aus Quellen im Fjord-Boden bildet. Zur Überprüfung, ob überhaupt Quellen vorhanden sind, entfernten BUCHARDT und seine Kollegen einige kleinere Säulen und stülpten Plastiktüten über die freigelegten Stellen. Bereits in 2 Tagen waren diese Behälter mit basischem Frischwasser, welches leichter als das Meerwasser ist, gefüllt.

In BUCHARDTs Arbeit wird nun ein Modell vorgestellt, das wie folgt aussieht:
Lokale meteorische Wässer dienen als Lieferanten für das untermeerisch austretende Quellwasser. Es handelt sich dabei also hauptsächlich um Niederschläge, die auf den Gronnedal-Ikka-Magmatit-Komplex fallen und über Grundwasserleiter unter dem Fjord-Boden abtransportiert werden. Wasserstoff- und Sauerstoff-Isotopenanalysen sowie die Zusammensetzung des im Quellwasser enthaltenen Gases stimmen größtenteils mit den meteorische Wässern respektive mit der Atmosphärenzusammensetzung überein, sodass die Herkunft der Quellwässer aus lokalen Niederschlägen und deren Transport durch den Magmatit-Komplex über Risse und Klüfte als wahrscheinlich angenommen werden kann.

Der Ikait bildet sich im Kontaktbereich von Quell- und Meerwasser, bildet also zunächst eine kleinere, im Inneren poröse Anreicherung am Fjordboden. Allmählich baut sich diese Ablagerung immer höher auf, sodass sich letztlich eine im Inneren weiterhin permeable Ikaitsäule bildet, in der das Quellwasser aufsteigt. Am Top der Säule wird dabei fortlaufend Ikait in millimetergroßen Kristallen ausgeschieden.

Ikait bildet sich unter folgenden grundlegenden Voraussetzungen (nach DE LURIO und FRAKES 1999):

• Temperaturen nahe am Gefrierpunkt (0-4°C)
• basisches Milieu (10-fach höhere Alkalinität als in normalem Meerwasser)
• hohe Orthophosphatgehalte (PO₄^3-)
• hoher CO₂-Partialdruck

Die hohe Alkalinität ermöglicht eine für die Ikait-Ausfällung notwendige Übersättigung, wobei die Orthophosphate das Calcit- und Aragonit-Wachstum bei Temperaturen unter 21°C hemmen, aber keinen direkten Einfluss auf die Ikait-Bildung außer auf dessen Stabilisierung haben. Der hohe pH-Wert, hohe Orthophosphat- und ebenso Sulfatgehalte sowie hohe CO₂-Partialdrücke bedingen oftmals, dass eine Umgebung vorhanden ist, die reich an organischem Material ist. Daraus ist auch zu erklären, weshalb sich viele Ikait-Vorkommen in eben solchen Sedimenten bilden. Vorwiegend entsteht Ikait dabei an der Sediment-Wasser-Grenze oder kurz unter der Sedimentoberfläche.

Ikait ist, wie oben schon erwähnt, an der Erdoberfläche instabil und bildet sich um in Calcit, indem das im Kristallgitter enthaltene Wasser entfernt wird. Stabiler Ikait bildet sich nur bei niedrigen Temperaturen und Drücken im kbar-Bereich (es sind etwa 3 mal so hohe Drücke notwendig wie am tiefsten Punkt des Ozeanbodens). Die Stabilität steigt im Gegensatz zu Calcit und Aragonit mit sinkenden Temperaturen.

GREINERT und DERKACHEV (2004) haben herausgefunden, dass die Ikait-Bildung noch gesteigert wird durch aufsteigende, methanreiche Fluide, die die Zersetzung von organischem Material erhöhen. Dies impliziert automatisch höhere Phosphatgehalte und höhere Alkalinität. Dadurch wird die Zone der anaeroben Zersetzung von organischem Material nahezu an die Sedimentoberfläche verschoben, an der nun verstärkt Ikait entstehen kann (immer unter den oben genannten Voraussetzungen – vor allem bei den niedrigen Temperaturen).

Die steigende Alkalinität durch die Zersetzung organischen Materials und die Oxidation von Methan durch Sulfatreduktion stärkt die Karbonatbildung. Ein Absinken der Gehalte an organischem Material verursacht unter anderem eine Senkung der Phosphatgehalte und führt zur Bildung anderer Karbonatphasen, wie beispielsweise Mg-Calcit, dessen Bildung häufig auch durch Methan beeinflusst wird. Die Karbonat- und auch die Ikait-Bildung senken die Alkalinität und destabilisieren damit den Ikait, der dann zu porösem Calcit umgewandelt wird. Auch spätere, aus größeren tiefen aufsteigende Fluide können Phosphate und Sulfate wegführen und damit die Ikait-Calcit-Umwandlung einleiten (GREINERT und DERKACHEV 2004).

Die eigentliche Pseudomorphose zum Glendonit findet bei Temperaturen zwischen 5-10°C statt (GREINERT und DERKACHEV 2004). Der Umwandlungsprozess vollzieht sich vermutlich sehr langsam, da Glendonite wohl definierte Formen aufweisen, die bei schnellen Prozessen vermutlich nicht entstanden wären. Interessant ist, dass die Pseudomorphose unter einer Volumenminderung des Ikaits auf 68,6% (GREINERT und DERKACHEV 2004) des Ausgangsvolumens abläuft, ohne aber den ursprünglichen Ikait-Habitus zu zerstören. Solche wohl geformten Glendonite mit teilweise über einem Meter Länge wurden beispielsweise in Dänemark (Moler-Lagerstätte, Hesselbjerg, Nyköbing, Insel Mors) gefunden (mehr Infos: www.giantcrystals.strahlen.org).

Der primären Calcit-Pseudomorphose folgt oftmals noch ein Überwachsen mit Mg-Calcit. GREINERT und DERKACHEV (2004) führen auch dies auf den Methan-Einfluss zurück, denn die Oxidation von Methan erhöht die Alkalinität und fördert somit die Mg-Calcit-Kristallisation.

Es sind also (vermutlich) oftmals zwei Karbonatphasen im Glendonit vorhanden: die primäre Calcitphase (der Kohlenstoff stammt aus organischem Material und wird für die Ikait-Bildung verwendet) und die sekundäre (Mg-Calcit-) Phase (der Kohlenstoff stammt von Methan, wobei der sich bildende Mg-Calcit den Methan-Kohlenstoff während seiner Kristallisation im porösen Glendonit aufnimmt).

Zwischen der Ikait-Umbildung zu porösem Calcit und der Mg-Calcit-Kristallisation kann es zu Pyrit-Bildungen kommen, die auf H₂S- und methanreiche, bis an die Sedimentoberfläche aufsteigende Fluide sowie in-situ-Bildungen von H₂S durch anaerobe Methan-Oxidation zurückzuführen sind.

Es lässt sich (beruhend auf der Arbeit von GREINERT und DERKACHEV 2004) zusammenfassend sagen, dass Methan dominierte Fluide sowohl die Ikait-Genese als auch die Ikait-Calcit-Transformation beeinflussen. Es ist jedoch keinesfalls so, dass bei jeder Ikait- und/oder Glendonit-Bildung methanreiche Fluide eine Rolle spielen.

Ikaite bzw. Glendonite gewinnen zunehmend Bedeutung bei der Exploration von Methan-Gashydrat-Lagerstätten, wie folgender Auszug aus dem Wochenbericht vom Forschungsschiff SONNE vom 17.08.2004 während der Forschungsfahrt SO-178 im Ochotskischen Meer verdeutlichen soll: “In den Sedimenten auf dem Sachalin-Schelf fanden wir in den Kernen zahlreiche Karbonatkonkretionen. Diese traten nicht nur an den Fluidaustrittsstellen, sondern auch in den nicht durch Gasaustritte gekennzeichneten Gebieten auf. In einem Kern trat sogar Glendonit, die Pseudomorphose nach Ikait, auf. Diese mineralischen Ausfällungen entstehen um den Gefrierpunkt in Anwesenheit erhöhter organischer Substanz im Sediment. Am nördlichen Hang von Sachalin haben wir drei Gebiete genauer untersucht, in denen die Hydroakustik den Aufstieg von Gasblasen durch die Wassersäule anzeigte. In allen drei Gebieten (Obzhirov Flare, Chaos Area and Kitami) konnten wir Sedimentkerne mit massiven Gashydratschichten gewinnen.” (Quelle und Copyright: http://www.bgr.de/fs_sonne/)

Das zeigt, dass bedingt durch den Methan-Einfluss auf die Ikait- und Glendonit-Genese auch von Ikait- oder Glendonitfunden auf etwaige Methan-Gashydrat-Vorkommen geschlossen werden kann. In dieser Hinsicht besteht sicher noch enormer Forschungsbedarf, zumal Methan-Gashydrate als Energieträger der Zukunft gehandelt werden.

Glendonit als Paläothermometer

Die Untersuchung und Erforschung von Glendoniten hatte in den letzten Jahren hauptsächlich das Ziel, ihre Verwendbarkeit als Paläothermometer zu überprüfen.
Die Idee scheint einfach: Ikaite bilden sich augenscheinlich bei Temperaturen um den Gefrierpunkt. Somit müssen in den geologischen Zeiträumen, in deren stratigrafischen Horizonten umgewandelte Ikaite (Glendonite) gefunden werden, Kaltzeit-Klimate geherrscht haben.

Heute werden rezente Glendonite häufig in hohen Breiten der Nord- und Südhalbkugel entdeckt, da dort die Ikait-Bildungsräume liegen (kalte Klimate). Somit wäre ein logischer Umkehrschluss, dass überall dort, wo Glendonite gefunden werden (zum Beispiel Australien), kaltes Klima mit Temperaturen um 0°C geherrscht haben müsste.

Dass diese einfache Überlegung mit einigen Problemen behaftet ist, zeigen die umfangreichen Forschungsarbeiten verschiedener Wissenschaftler. Vollkommen gelöst ist die Nutzung der Glendonite als Paläoklima-Indikatoren auch jetzt noch nicht.

So haben Studien (z.B. BROOKS et al. 1950), bei denen Ikait bei 27°C (!) synthetisch unter Einsatz hoher Orthophosphat-Konzentrationen hergestellt wurde, gezeigt, dass niedrige Temperaturen wohl oft, aber doch nicht mit 100%iger Sicherheit als stärkstes Bildungskriterium für Ikait gelten können. Mit diesen Unsicherheiten in der Verwendung der Glendonite muss sich jeder Geowissenschaftler auseinandersetzen und sich nicht nur auf das Antreffen von Glendoniten als Beweis für Kaltzeiten verlassen.

Generell kann man aber wohl davon ausgehen, dass das Auftreten von Glendoniten meist mit kälteren Klimabedingungen in Verbindung gebracht werden kann. Unter der Annahme, dass die Ikait-Calcit-Umwandlung und die spätere Mg-Calcit-Bildung im Gleichgewicht mit dem umgebenden Wasser (Porenwasser) stattfinden, kann das Sauerstoffisotopenverhältnis (delta-¹⁸O-Werte) von pseudomorphem Calcit (speziell Glendonit) und Mg-Calcit für die Paläotemperatur-Bestimmung genutzt werden.

Forschungen an Ikait und Calcit haben ergeben, dass beide gleiches Verhalten bei der Sauerstoffisotopen-Fraktionierung während ihrer Bildung bei niedrigen Temperaturen zeigen. Damit besteht die Möglichkeit über delta-¹⁸O-Werte des pseudomorphen Calcits auch auf die Bildungstemperatur des Ikaits und damit auf das Paläoklima zu schließen (GREINERT und DERKACHEV 2004).

Danksagung

Ein herzliches Dankeschön geht an Andreas Massanek und Karin Rank von der TU Bergakademie Freiberg für die Bereitstellung des Glendonit-Fotos. Auch Prof. Breitkreuz (TU BA Freiberg) möchte ich danken, da er in seiner Vorlesung “Entwicklung des Systems Erde” auf Glendonite als Paläoklima-Indikatoren hingewiesen hat, jedoch genauso wenig wusste wie ich, was Glendonite eigentlich sind und ich mich dadurch angespornt sah, diese Thematik näher zu betrachten. Ein weiteres Dankeschön möchte ich Ian P. Swainson, Björn Buchardt und Jens Greinert aussprechen, die es mir freundlicherweise gestatteten, Abbildungen aus deren Publikationen (siehe Quellenangaben) zu verwenden und mir zusätzlich noch weitere Informationen zur Verfügung stellten. Bedanken möchte ich mich auch bei Dr. Thomas Krassmann und Christoph Lenz, die den Text Korrektur gelesen haben.

Quellenangaben

Literatur:

BROOKS, R.; CLARK, L. M.; THURSTON, E. F. (1950): Calcium Carbonate and its hydrates. Philisophical Transaction of the Royal Society of London. 243. serial A861, 145-167.

BUCHARDT, B.; ISRAELSON, C.; SEAMAN, P.; STOCKMANN, G. (2001): Ikaite tufa in Ikkafjord, southwest Greenland: Their formation by mixing of seawater and alkaline spring water. Journal of Sedimentary Research 71, 176-189.

DANA, E.S. (1884): A crystallographic study of the thinolite of Lake Lahontan: U.S. Geological Survey Bulletin No 12, 429-450. Washington D. C., U.S. Government Printing Office.

DE LURIO, J. L.; FRAKES, L. A. (1999): Glendonites as a paleoenvironmental tool; implications for early cretaceous high latitude climates in australia. Geochimica et Cosmochimica Acta, 63(7-8), 1039-1048.

GREINERT, J.; DERKACHEV, A. (2004): Glendonites and methane-derived mg-calcites in the sea of okhotsk, eastern siberia; implications of a venting-related ikaite/glendonite formation. Marine Geology, 204 (1-2), 129-144.

SWAINSON, I. P.; HAMMOND, R. P. (2001): Ikaite, CaCO₃ x 6H₂O; cold comfort for glendonites as paleothermometers. American Mineralogist, 86(11-12), 1530-1533.

Internetadressen:

http://www.bgr.de/fs_sonne/aktuelles/wochenberichte/
wochenbericht-geom_17_08_2004.html
http://www.dpc.dk/ikka/Start.html
http://www.geocities.com/RainForest/Vines/1486/
http://giantcrystals.strahlen.org/america/ikafjord.htm
http://giantcrystals.strahlen.org/europe/moler.htm
http://geology.geoscienceworld.org/cgi/content/full/33/1/9
http://members.lycos.co.uk/scubaholic/story.html
http://www.mindat.org/min-2007.html
http://www.mineralnamenarchiv.de.vu

(Dieser Text ist am 16.03.2005 auf der alten Version von geoberg.de erschienen und wurde übernommen.)

Tags: Calcitpseudomorphose, Glendonit, Ikait, Pseudomorphose

Dieser Eintrag wurde am Samstag, 12. Juni 2010 um 10:16 Uhr in der Kategorie Mineralogie veröffentlicht. Mit dem RSS 2.0 Feed kannst du den Antworten zu diesem Artikel folgen. Beides, Kommentare und Pings sind zurzeit geschlossen.