Concept &
Structure
Institutions &
Team
Research
themes
Publications
Virtual tour
Events &
Meetings
Media
coverage
english | deutsch

Projekt A3: Kaliumreiche Vulkanite und deren Xenolithe südöstlich des Ruwenzori-Gebirges, Uganda

In unmittelbarer Umgebung der Ruwenzori-Gebirge befinden sich Vulkane mit geochemisch und petrologisch sehr außergewöhnlichen Laven. Weltweit findet man sie nur an einigen wenigen Orten und immer nur in geringen Mengen. Das Gebiet in Uganda weist nicht nur die jüngsten Laven (<100 000 Jahre) ihrer Art, sondern auch die zuerst beschriebenen auf und ist somit die "Typlokalität". Holmes & Harwood, die als Erste die Laven in die Literatur einführten, benannten sie nach den Regionen in denen die Gesteine aufgeschlossen sind; nämlich Katungit (von Katunga), Mafurit (aus dem Krater Mafuru) und Ugandit (nach Uganda selbst) (Abb.1). Diese Namen sind heute veraltet; das sich aus den einzelnen Namen zusammensetzende Akronym Kamafugit hat nach wie vor in der Fachliteratur Gültigkeit für ähnliche Gesteine weltweit. Petrographisch, d.h. anhand ihrer Mineralzusammensetzungen gehören sie zu kaliumreichen und olivin- sowie pyroxenführenden Melilithiten, Kalsilititen, Kalsilit-Leucititen und Nepheliniten.

 

 

Abb. 1: östliches Lavafeld, Bunyaruguru, ein Ugandit-Lavaflow sowie seine Tuffbedeckung werden durch den Krater einer jüngeren Vulkaneruption aufgeschlossen. Die Häuser in der Bildecke links oben dienen als Größenvergleich.

 

 

Geochemisch enthalten die Gesteine im Vergleich zu anderen Vulkaniten sehr wenig Silizium relativ viel Kalzium, hohe Magnesium- zu Eisenverhältnisse, sehr hohe Kalium- zu Natriumverhältnisse sowie hohe CO2- und Wassergehalte. Die ungewöhnliche Hauptelementzusammensetzung in ihrer Gesamtheit ist charakteristisch und unterscheidet diese von allen anderen bekannten Vulkaniten. Die Elementverhältnisse spiegeln sich in den gesteinsbildenden Mineralen wider. Typisch sind neben Olivin- und Klinopyroxen-Einsprenglingen die Minerale Kalsilit, Leucit, Phlogopit, Nephelin, Melilith, Spinell und Perowskit (Abb.2). Die Matrix ist überwiegend aus kleinsten Mineralen aufgebaut und enthält nur wenig Glas. Feldspäte treten nicht auf. Die Hauptelemente wie auch Chrom und Nickel deuten an, dass es sich um sehr primitive, das heißt weder durch krustale Magmakammern noch durch Differentiationsprozesse veränderte Laven handelt. Blei- und Strontiumisotope geben keine Hinweise auf Kontamination oder Assimilation mit Krustenmaterial. Die im mafischen System inkompatiblen Spurenelemente sind im Vergleich zu anderen primitiven Laven sehr hoch angereichert. Eigentlich ein Widerspruch zu den primitiven Hauptelementverhältnissen.

 

 

Abb. 2: Melilithit der Typlokalität Katunga, langprismatische Melilithe sowie Olivine in Glasmatrix (10x).

 

 

Wie kann man sich das erklären? Mit dieser Frage setzen wir uns auseinander. Die Antwort gibt uns sehr wertvolle Auskunft über die Beschaffenheit und Mächtigkeit des oberen Erdmantels. Dies ist nicht nur wichtig, um die Entstehung der Ruwenzoris zu erklären. Insbesondere entsteht die einmalige Möglichkeit, Mantelprozesse während eines kontinentalen Grabens im Initialstadium zu studieren. Wir nutzen die Vulkane also als Probensammler des tieferen Untergrunds.

Die Hafnium-, Neodym-, Strontium-, und Osmiumisotopenverhältnisse zeigen Mischungsprozesse in der Quelle der Vulkanite an. Sie können durch die Mischung von partiell geschmolzenem Peridotit (ursprünglicher Mantel) sowie biotit- und klinopyroxenreiche Komponenten erklärt werden. Wichtig ist eine mehrphasige Magmenentwicklung, denn nur so lassen sich die hohen, inkompatiblen Elementkonzentrationen bei zeitgleich primitiven Hauptelementsignaturen erklären. Spurenelemente wie Zirkonium und Hafnium indizieren außerdem, dass extrem kalziumkarbonatreiche Schmelzen entscheidend zur Magmengenese beigetragen haben.

Wird ein experimentell ermitteltes Schmelzdiagramm des lithosphärischen Mantels hinzugezogen (Abb.3), so ergibt sich folgendes Bild: Zuerst bilden sich sehr geringe Schmelzmengen in größerer Tiefe, vermutlich an der Basis des lithosphärischen Mantels. Sie sollten angereichert an inkompatiblen Elementen sein und dennoch eine primitive Signatur enthalten. Die Schmelzen erreichen nicht die Oberfläche. Vielmehr überschreiten sie bei mehr als 120 km Tiefe den Solidus und kristallisieren noch im Mantel aus. Bei so hohem Druck ist Amphibol nicht stabil. Es können sich unter Anwesenheit von Wasser klinopyroxen- und biotitreiche Kumulate bilden. Reste der "Intramantelmagmatite" lassen sich vermutlich in den für die ugandischen Kamafugite typischen aus Biotit und Pyroxen bestehenden Xenolithen wiederfinden; sie weisen komplexe und mehrphasige Schmelz- und Kristallisationsgefüge auf. Das Fortschreiten des Grabens erzeugt ein Ausdehnen der Lithosphäre; es gelangt heißes Material der Asthenosphäre nach oben und erhöht den thermischen Gradienten der unteren Lithosphäre. Nun ist im Bereich der klinopyroxen- und biotitreichen Kummulate die Temperatur ausreichend, um diese partiell zu schmelzen. Die partiellen Schmelzen sind zum wiederholten Male besonders stark an inkompatiblen Elementen angereichert und haben dennoch eine sehr initiale und primitive Hauptelementsignatur. Da initiale Schmelzen besonders durch Biotit geprägt werden, erklärt sich auch der konstant hohe Kaliumgehalt. Natriumreiche Amphibole fehlen in den Kumulaten und können entsprechend auch kein Natrium an die Schmelze abgeben. Es ist anzunehmen, dass auch diese Schmelzen der zweiten Generation mit ihrem Umgebungsgestein nämlich Peridotit reagieren und Elemente austauschen bevor sie die Erdoberfläche erreichen.          

Eine wichtige Feststellung ist, dass die kaliumreichen Laven eine sehr mächtige Lithosphäre >140km anzeigen. So etwas kennt man überwiegend von Kratonen (sehr alter Kruste). Wenige 100km südlich befinden sich die Virunga-Vulkane. Sie weisen keine Indikatoren für eine hohe Lithosphärenmächtigkeit auf. Daraus ist zu schließen, dass die Wurzel des Kratons zwischen den beiden Vulkanfeldern nach Süden hin endet. Kurioser Weise markieren die Ruwenzoris diesen Bereich. Die an der Oberfläche aufgeschlossenen Gesteine lassen nicht sofort auf einen Kraton im Untergrund schließen, denn sie sind zum größten Teil zu jung. Genauere Untersuchungen legen nahe, dass sie auf den alten Kraton überschoben wurden. Dies wirft eine Frage von überregionaler Bedeutung auf. Können der Kongo- und der Tansania-Kraton überhaupt als zwei unterschiedliche Kratone betrachtet werden? Unter Berücksichtigung unseres momentanen Wissenstands gehen wir von einem großen Kraton aus, der seit mindestens 2,6 Milliarden Jahren die Bereiche des Tansania- und des Kongokratons umfasst. Und es bedeutet auch, dass die nördliche Spitze des westlichen Arms des ostafrikanischen Grabens diesen Kraton spaltet.

 

 

Abb. 3: Schmelzdiagramm der Lithosphäre in Abhängigkeit von Druck und Temperatur unter oxidierenden Bedingungen. Unter ca. 80km sind natriumführende Amphibole nicht mehr stabil. Der rot-grün gestreifte Bereich stellt das P/T-Fenster dar, in dem bei konstantem Geotherm im Mantel Schmelzen partiell kristallisieren können.

 

 

Weiterführende Literatur und zugleich Quellen zum Text:

Foley S. (2008) Rejuvenation and erosion of the cratonic lithosphere. nature geoscience 1, 503-510.

Holmes A. and Harwood H. F. (1932) Petrology of the volcanic fields east and south-east of Ruwenzori, Uganda. Quart. Journal Geol Soc London 88, 370-439.

Link K., Koehn, D. Barth, G.M., Tiberndwa, J.V., Barifaijo, E., Aanyu, K., Foley, S.F. (2009) Continuous cratonic crust between the Congo and Tanzania blocks in western Uganda (in prep.).

Rosenthal A., Foley S. F., Pearson D. G., Nowell G. M., and Tappe S. (2009) Petrogenesis of strongly alkaline primitive volcanic rocks at the propagating tip of the western branch of the East African Rift. Earth and Planetary Science Letters 284(1-2), 236-248.

Tappe S, Foley SF, Pearson DG (2003) The Kamafugites of Uganda: a mineralogical and geochemical comparison with their Italian and Brazilian analogues. Periodico di Mineralogia 72(special issue: Eurocarb), 51-77.