Der Aufschluß
Sonderband 28 (Göttingen)
52 - 58
Heidelberg 1978

Über die Alkalirhyolithgänge im Gebiet
des Großen Knollen, Harz

Von Mustafa ERGIN, Göttingen *)

Im Raum nördlich von Bad Lauterberg im Harz befinden sich eine Reihe sog. „Quarzporphyrgänge“ (vgl. Blatt Bad Lauterberg, SCHRIEL 1938). Sie haben außer einer geologischen Bearbeitung (SCHRIEL 1939, 1954) nie eine petrographische Untersuchung erfahren. Eine neue geologische Kartierung des Gebietes findet sich bei VIERECK (1978).

Zwei Gänge von dort wurden petrographisch untersucht. Eine Probe (Nr. 184) entstammt dem großen, neu aufgeschlossenen Porphyrgang, der am Waldweg 170 m südlich des Aussichtsturms des Großen Knollen in 610 m Höhe ansteht, die andere (Nr. 192), einem Porphyrgangvorkommen unterhalb der Knollenstraße in 580 m Höhe, 525 m NW des Aussichtsturms (vgl. Abb. 1). Nach VIERECK (1978) beträgt die maximale Breite der „Porphyr“-Gänge etwa 25-30 m, und ihre maximale Einsprenglinggröße (Feldspäte) mit etwa 15 mm nimmt zum Rande der Gänge hin kontinuierlich ab. Die eigentlichen Randzonen haben ungefähr 0,5-1 Meter Mächtigkeit, wobei sich der Grundmassefarbton von Violettbraun im inneren Teil des Ganges bis zu grünlichen Farben im Kontaktbereich mit dem Nebengestein verändert. Die Gänge sind nach VIERECK (1978) durch postpermische (vermutlich oberkretazische) Bewegungen stellenweise bis maximal 40 m versetzt.

Abb. 1. Schematisches Profil des Gr. Knollen aus VIERECK (1978). Horizontale Schraffen: Alk.-Rhyolith-Decke (Reste); schwarz: Alk.-Rhyolith-Gänge; fein punktiert: Rotliegend-Sedimente; offene Kreise: Tanner Grauwacke; fein gestrichelt, z. T. gefaltet: pelitisch-carbonatisches Devon; kurze wirre Striche: Hangschutt und -gleitschollen. Die Lage des eingezeichneten Schlotes (Pfeil) ergab sich aus Gelände- und vulkanotektonisehen Untersuchungen. Dem linken Porphyrgang entstammt Probe Nr, 192, dem rechten Probe Nr. 184.

Abb. 2. Gesteinsanschliff von Probe Nr. 184 südl. des Gr. Knollen. Einsprenglinge: hell Kalifeldspäte, dunkelgrau bis schwarz Quarz. Maßstab 2,5:1.


Abb. 2 zeigt, wie reich diese grobporphyrischen Ganggesteine an Einsprengungen sind. Ihre Grundmasse ist aber so feinkörnig, daß sie optisch nicht ausgezählt werden kann. In ihr befinden sich bis 3 mm messende Hohlräume.

Die Quarz-Einsprenglinge, meist um 2 mm, aber auch bis 4 mm messend, sind überwiegend xenomorph bis hypidiomorph ausgebildet und zeigen deutliche Korrosionserscheinungen. Fast sämtliche Quarzeinsprenglinge sind durch einen dünnen Chalcedon-Saum umgeben, dessen Dicke um 0,06 mm beträgt. Häufig enthalten die Quarze Einschlüsse von Alkalifeldspat, Biotit, und bei starker Vergrößerung werden winzige Gas- und Flüssigkeitseinschlüsse sichtbar.

Zwei Generationen von Alkalifeldspat-Einsprenglingen - die eine kleiner (1-4 mm), die andere größer (3-12 mm messend) - werden beobachtet (vgl. Abb. 2). Sie sind idiomorph bis hypidiomorph ausgebildet und häufig nach dem Karlsbader Gesetz verzwillingt. Die größeren sind stark korrodiert, wodurch Löcher von 0,05-2,0 mm entstanden, die in einigen Fällen bis 50 Vol.-% des Gesamtkristalls ausmachen können (Abb. 3). Eine solche Erscheinung ist bei den Kalifeldspat-Kleinkörnern selten zu beobachten. Eine weitere bemerkenswerte Beobachtung bei den Kalifeldspat (KF)-Großeinsprenglingen ist, daß sie aus zwei KF-Arten bestehen, wobei sich die eine als primärer, ursprünglicher Kristall, und die andere als spätere, sekundäre Bildung erweist. In den Hohlräumen und Rissen der KF-Einsprenglinge sind oft faserige Quarzin-Ausscheidungen zu beobachten. Die Kalifeldspäte sind z.T., meist die kleineren, autohydrothermal umgewandelt. Als Umwandlungsprodukte entstanden Sericit und auch etwas Chlorit. In manchen Fällen geht die Sericitisierung so weit, daß jetzt nur mehr eine Sericit-Pseudomorphose nach Feldspat vorliegt.

Biotit-Einsprenglinge sind in der Regel bis knapp einen mm groß und finden sich außer in der Grundmasse auch als Einschluß in Quarz- und KF-Einsprenglingen. Nach der Lichtbrechung handelt es sich um einen Lepidomelan mit etwa Fe40Mg60-Zusammensetzung. Ausgehend von Spaltrissen und vom Rand erfolgt eine Opazitisierung durch Haematit

Als Akzessorien treten Zirkon, Apatit und Erz auf. Kleine Bruchstücke von Feldspat-Biotit-Glimmerschiefern aus dem tieferen Untergrund werden als Fremdeinschlüsse beobachtet.

Chemismus der Alkalirhyolith-Gänge
Die Ergebnisse der chemischen Analysen der beiden untersuchten „Porphyrgänge“ sind in Tab. 1 einer Analyse der Rhyolith-Decke des Großen Knollen (SCHNEIDER 1963) gegenübergestellt. In Tab. 2 ist die chemische Zusammensetzung der Grundmasse allein und in Tab. 3 die Durchschnittszusammensetzung der KF-Einsprenglinge aufgeführt. Wie die Analysen der Tab. 1 und 2 zeigen, handelt es sich bei den beiden Ganggesteinen, wie auch der Rhyolith-Decke des Großen Knollen um extrem Natron-arme und sehr Kalium-reiche Gesteine, wie sie so nur selten zu beobachten sind. Sehr interessant ist, daß von Ost nach West der geringe CaO-Gehalt in den Gängen zuzunehmen scheint. Im Gang südlich des Gr. Knollen (Probe Nr. 184) ist kein Plagioklas enthalten. Bei Probe Nr. 192 sind Spuren und noch weiter westlich, an der Pageisburg, eine deutliche Plagioklas-Führung zu beobachten.

Tab. 1. Chemische Analysen der zwei untersuchten „Porphyrgänge“ und der Rhyolith-Decke (SCHNEIDER 1963) des Großen Knollen.




„Porphyrgang“
Probe 184
südl. Gr. Knollen
Gew.-%
„Porphyrgang“
Probe 192
NW Gr. Knollen
Gew.-%
Decke
Gr. Knollen
SCHNEIDER (1963)
Gew.-%




SiO270,1973,4775,22
TiO20,620,300,13
Al2O314,4512,4712,75
Fe2O31,361,271,10
FeO1,061,040,17
MnO0,070,010,02
MgO0,490,570,49
CaO0,090,200,29
Na2O0,520,410,82
K2O10,129,027,53
H2O+n. best.0,800,93
H2O-0,400,570,73
P2O50,040,050,03
C02n. gef.n. gef.n. gef.




Summe99,41100,18100,21

 
Abb. 3. Dünnschliff von Probe Nr. 184, gekreuzte Polarisatoren. Schwammartig korrodierter Sanidin-Großeinsprengling mit Or81Ab18An1 (grau) mit beginnender Umwandlung in Orthoklas mit Or92Ab7An1 (hell). Schwarz: Löcher. Maßstab 35:1.

Tab. 2. Chemismus der Grundmasse der beiden untersuchten „Porphyrgänge“




„Porphyrgang“, Probe 184
südl. Gr. Knollen
Gew.-%
„Porphyrgang“, Probe 192
NW Gr. Knollen
Gew.-%



SiO277,4275,17
TiO20,610,56
Al2O311,4911,96
Fe2O31,601,44
FeO0,280,51
MnOn. gef.n. gef.
MgOn. gef.n. gef.
CaO0,030,04
Na2O0,440,36
K2O9,919,52
H2O+n. gef.n. gef.
H2O-0,130,30
P2O50,050,10
C02n. gef.n. gef.



Summe99,9699,96



Tab. 3. Durchschnittliche Zusammensetzung der Kalifeldspateinsprenglinge der beiden „Porphyr“-Gänge. Aus chemischen Teil-Analysen bestimmt.


ProbeKlein-Körner
  OrAbAn
Groß-Körner
  OrAbAn



Nr. 184, Gang südlich
des Großen Knollen
95,13,51,4
einheitliche Orthoklas
86,013,01,0
Sanidin und Orthoklas verwachsen



Nr. 192, Gang NW
des Großen Knollen
93,34,32,4
einheitliche Orthoklase
87,012,01,0
Sanidin und Orthoklas verwachsen

Der modale Mineralbestand
Der Gesamt-Mineralbestand der beiden Ganggesteine war wegen der äußersten Feinkörnigkeit der Grundmasse, die bis zu 60 Vol.-% ausmacht, nur aus den chemischen Bauschanalysen zu berechnen. Die Einsprenglinge wurden jedoch an 12 x 12 cm messenden Gesteinsplatten optisch ausgezählt (vgl. Abb. 2). Die Ergebnisse sind in der Tab. 4 zusammengestellt. Dabei wurde zwischen ursprünglichem und jetzigem Mineralbestand unterschieden, da, wie eingangs erwähnt, ein Teil der Kalifeldspäte jetzt sericitisiert vorliegt und der Biotit opazitisiert wurde.

Zur Nomenklatur
Aus dem modalen Mineral bestand der drei hellen Gemengteile - vgl. Tab. 5 - ergibt sich im STRECKEISEN (1967)-Diagramm, daß die beiden Ganggesteine, wie auch die Rhyolith-Decke des Großen Knollen, ins Feld der Alkalirhyolithe fallen. Da in den drei Fällen der Plagioklasgehalt höchstens Spuren ausmacht, liegen die Projektionspunkte im STRECKEISEN'schen Dreiecksdiagramm aller drei Gesteine direkt auf der Verbindungslinie AKF-Q. Da, wie weiter unten noch ausgeführt, in den Gängen ein Teil (Groß-Einsprengl.) und in der Decke alle Alkahfeldspäte noch als Sanidin (SCHNEIDER 1963) vorliegen, sollten diese Gesteine als A l k a l i r h y o l i t h bezeichnet werden.

Tab. 4. Modaler Mineralbestand der beiden Alkalirhyolithgänge und der Alkalirhyolith-Decke des Großen Knollen.


Probe 184
(südl. Gr. Knollen)
Probe 192
(NW Gr. Knollen)
Große Knollen-Decke
(Schneider 1963)

 
 
Quarz (z.T. Einspr.)
Kalifeldspat
(z.T. Einspr.)
v. Orthoklas
Or95Ab04An01und
Sanidin Or81Ab18An01
Muskovit
(pseud. n. KF)
Biotit als Einspr.
Erz (z.T. Haematit),
Zirkon u.Apatit

urspr.jetzt
Gew.-%Gew.-%
21,532,3
73,450,7
 
 
  
  
-11,8
 
4,13,2
1,02,0

urspr.jetzt
Gew.-%Gew.-%
30,638,1
63,449,7
 
 
  
  
-7,4
 
4,93,1
1,11,7

urspr.jetzt
Gew.-%Gew.-%
3141
6543
  
Sanidin
Or81Ab18An02 
  
-12
 
3,53,5
0,50,5




 


Dichte*), gem.
100,0100,0


2,46g • cm-3
100,0100,0


2,45g • cm-3
100,0100,0


-
Dichte, berechnet2,64g • cm-32,63g • cm-3
-




*) Einschl. etwa 4 Vol.-% Hohlräume.

Tab. 5. Mineralbestand (Vol.-%) der hellen Gemengteile (Alkalifeldspat, Plagioklas, Quarz) der drei Gesteine von Tab. 1 für das STRECKEISEN (1967)-Diagramm der Vulkanite.


 Probe Nr. 184
S Gr. Knollen
Probe Nr. 192
NW Gr. Knollen
Decke
Gr. Knollen




Quarz22,831,631,7
Alkalifeldspat77,268,468,3
Plagioklas0,0Sp.Sp.

Die Alkalifeldspäte
Wegen der Bedeutung der Einsprenglingsfeldspäte für die Gesteine wurden diese noch besonders detailliert untersucht. Es wurden dabei optische Bestimmungen, röntgenogr. Pulveraufnahmen, naßchemische Teilanalysen, Mikrosondenanalysen und IR-spektroskopische Methoden angewendet. Die Feldspäte der Grundmasse konnten nur röntgendiffraktometrisch bestimmt werden. Auf die Einzelergebnisse kann hier nicht eingegangen werden, sie finden sich in ERGIN (1978).

Zusammenfassend kann gesagt werden: Die (131)-Reflexe aller Feldspäte sind nicht aufgespalten. Ihre Triklinität Δ beträgt 0,0 (GOLDSMITH & LAVES 1954). Nach dem Drei-Peak-Diagramm (201, 060, 204) von WRIGHT (1968) haben - Einsprenglinge wie Grundmassefeldspäte - alle anomale Zelldimensionen. Die weiteren Daten sind in Tab. 6 zusammengefaßt.

Tab. 6. Zusammensetzung und optische Daten der untersuchten Kalifeldspäte.


Kali-FeldspatProbe 184
südl. des Gr. Knollen
Probe 192
NW des Gr. Knollen
Klein-Einsprenglinge
1. Generation, einheitliche Orthoklase
Or95Ab4An1
2 Vx 53° AE⊥(010)
Or94Ab4An2
2Vx 55° AE⊥(010)
Groß-Einsprenglinge
2. Generation, Verwachsung zweier
    Feldspäte
Sanidin (Tief-), primär
Orthoklas (Hoch-), sekundär

 

Or81Ab18An1
2 Vx 37° AE⊥(010)
Or92Ab7An1
2 Vx 51°AE⊥(010)


 

Or81Ab18An1
2 Vx 34° AE⊥(010)
Or92Ab7An1
2Vx 50° AE⊥(010)

Grundmasse-FeldspatOr95 (Ab + An)5
Opt. Daten
nicht bestimmbar
Or95 (Ab + An)5
Opt. Daten
nicht bestimmbar

Zur Genese der Gesteine
Die Alkalirhyolith-Decken und -Gänge gehören genetisch sicher zusammen, wie ihr Chemismus zeigt. Nach VIERECK (1978) wurde auch bei der neuen Kartierung keine direkte Verbindung eines Ganges mit einer Decke gefunden, jedoch konnte der östliche Gang (vgl. Abb. 1) bis in die Rotliegendsedimente, ca. 5 m unterhalb der Alkalirhyolithdecke des Großen Knollen verfolgt werden. Der Gang zeigt dabei bis oben hin keine textureilen und mineralbestandsmäßigen Änderungen. Er unterscheidet sich damit stark von der darüberliegenden Alkalirhyolithdecke, die nur Sanidin als Einsprenglinge hat.

Aus experimentellen Untersuchungen im Granit-System (TUTTLE & BOWEN 1958, LUTH et al. 1964, JAMES & HAMILTON 1969, WINKLER 1976 und WINKLER et al. 1975) geht hervor, daß Schmelzen von der Zusammensetzung, wie sie diese Alkalirhyolithe haben, nicht als Differentiationsprodukt, z. B. vom Brockengranit-Magma, ableitbar sind. Sie können nur anatektisch aus K-reichen und sehr Na-armen Ursprungsgesteinen (Arkosen, Biotit-reiche Schiefer usw.) abgeleitet werden, wie es SIGHINOLFI & CONÇECAO (1975) für ihre ähnlich Na-armen Alkalirhyolithe von West-Bahia, Brasilien, angenommen haben.

Die Anatexis zur Bildung solcher K-reicher Schmelzen benötigt, wie aus dem Granit-System ersichtlich, aber merklich höhere Temperaturen, als sie sonst für eine normale Granit-Bildung ausreichen. Auch für den Erguß einer granitischen Schmelze an der Oberfläche als Rhyolith werden höhere Ausgangstemperaturen der Schmelze als sie bei normalen Graniten vorhanden sind, verlangt (WINKLER 1962). Daß solche höheren Temperaturen tatsächlich im tiefen Untergrund des Harzes generell geherrscht haben müssen zeigt, daß wir es beim Brocken-Granit mit einem Hochpluton zu tun haben (DAHLGRÜN 1950, WINKLER d. H. S. 38).

Die Kristallisations-Verhältnisse der Alkalirhyolith-Gänge lassen sich aus dem Granit-System gut verstehen. Auf sie kann aber im Einzelnen im Rahmen dieser Arbeit nicht eingegangen werden. Siehe dazu ERGIN (1978).

Es wird dort folgender Ablauf abgeleitet: Bei etwa 940°C und etwa 250 Bar Druck (etwa 1 km Tiefe) haben sich die KF-Klein-Einsprenglinge mit Or95 auszuscheiden begonnen, zu denen nach Erreichen der kotektischen Linie Quarz-Einsprenglinge hinzukamen. Beim endgültigen Aufdringen in die heutige Lage und Druckentlastung - die Probeentnahmestellen liegen etwa 100 m unterhalb der ehemaligen Landoberfläche, was Drücken von rund 26 Bar entspricht - werden Quarz und KF-Klein-Einsprenglinge instabil und besonders der Quarz stark korrodiert. Dann kristallisiert weiterer Kalifeldspat, nun offensichtlich unter neuer Keimbildung mit Or81 (Groß-Einsprenglinge, Tief-Sanidin) aus. Sie sind jünger als die Klein-Einsprenglinge, die oft als Einschlüsse in ihnen auftreten.

Die 1. Generation (Klein-Einsprenglinge) hat hohen Or-Gehalt (Or95) und fällt in den Bereich, bei dem selbst bei niederen Temperaturen keine Entmischung auftritt. Die Groß-Einsprenglinge mit Or81Ab18An1 konnten sich wegen der schnellen Abkühlung nicht entmischen. Bemerkenswert bei den Groß-Einsprenglingen (Tief-Sanidin) ist ihre Korrosion zu schwammartigen Gebilden und die teilweise Umwandlung derselben längs Spaltrissen und den Löcher-Grenzen in einen Or-reichen (Or92) Orthoklas (siehe Abb. 3). Diese Erscheinung kann verschieden gedeutet werden. Sie wird hier einer K-Metasomatose K-reicher autohydrothermaler Lösungen zugeschrieben.

Herrn Prof. KORITNIG sei für die Anregung zu dieser Arbeit und wertvolle Diskussionen gedankt. Herrn Dipl.-Min. MIELKE für die Unterstützung bei den chemischen Analysen.

Schriftenverzeichnis

DAHLGRÜN, F. (1950): Die zonale Verbreitung der Gangformationen des Brockenplutons im Harz. Z. Erzbergbau, Metallhüttenw., 3, H. 4.

ERGIN, M. (1978): Mineralogisch-petrologische Untersuchungen der sog. „Quarzporphyrgänge“ des Südharzer Rotliegenden aus der Umgebung des Großen Knollen. Unveröffentl. Dipl.-Arbeit, Univ. Göttingen.

GOLDSMITH, J. R. & LAVES, F. (1954): The microcline-sanidin stability relations. Geochim. Cosmochim. Acta 5,1-19.

JAMES, R. S. & HAMILTON, D. L. (1969): Phase relations in the System NaAlSi3O8—KAlSi3O8— CaAl2Si2O8—SiO2 at 1 kb water vapour pressure. Contr. Miner. Petrol. 21, 111-141.

LUTH, W. C , JAHNS, R. H. & TUTTLE, O. F (1964): The granite System at pressures of 4 to 10 kb. J. Geophys. Research 69, 759-773.

SCHNEIDER, A. (1963): Rhyolithischer Vulkanismus des Südharzer Rotliegenden. Beitr. Miner. Petrogr. 9,148-174.

SCHRIEL, W. (1938): Geol. Karte von Preußen 1:25000 Blatt Bad Lauterberg Nr. 4328.

SCHRIEL, W. (1939): Erläuterungen zur geologischen Karte von Preußen und benachbarten deutschen Ländern 1:25000 Blatt Bad Lauterberg Nr. 4328 Berlin.

SCHRIEL, W. (1954): Die Geologie des Harzes. Wirtschaftswiss. Ges. z. Studium Niedersachsens E.V., Hannover.

SIGHINOLFI, G. P. & CONCEÇAO, T. M. L. (1975): Petrology and Chemistry of Precambrian Alkaline Rhyolites from Western Bahia (Brazil). Tschermaks Min. Petr. Mitt. 22, 218-235.

STRECKEISEN, A. (1967): Classification and nomenclature of igneous rocks. N. Jb. Miner. Abh. 107, 144-240.

TUTTLE, O. F. & BOWEN, N. L. (1958): Origin of granite in the light of experimental studies in the System NaAlSi3O8—KAlSi3O8—SiO2—H2O. Geol. Soc. Amer. Mem. 74.

VIERECK, L. (1978): Geologische Untersuchungen im Gebiet des Gr. Knollen mit besonderer Berücksichtigung der Rotliegend-Vulkanite. Unveröffentl. Dipl.-Arbeit, Univ. Göttingen.

WINKLER, H. G. F. (1962): Viel Basalt wenig Gabbro - wenig Rhyolith und viel Granit. Beitr. Miner. Petrogr. 8, 222-231.

WINKLER, H. G. F. (1976): Petrogenesis of Metamorphic Rocks. Springer-Verlag New York-Heidelberg-Berlin.

WINKLER, H. G. F., BOESE, M. & MARCOPOULOS, T. (1975): Low temperature granitic melts. N. Jb. Miner. Mh. 245-268.

WRIGHT, T. L. (1968): X-ray and optical study of alkalifeldspar; II. Amer. Miner. 53, 88-104.



*) Anschrift des Verfassers: Dipl.-Min. Mustafa ERGIN, Mineralog.-Petrolog. Inst. der Univ. Göttingen, Goldschmidt-Str. 1, D-3400 Göttingen.