Prozesse und Produkte der chemischen Verwitterung an Karbonatitrümpfen - Beispiele aus Uganda und Tansania

Abstract

Ziel dieser Arbeit ist die Erfassung von Prozessen und Produkten chemischer Verwitterung an Karbonatitrümpfen mit Beispielen aus Uganda (Tororo und Sukulu) und Tansania (Panda Hill). Bei fehlendem Drainagenetz und hoher Evaporation wird das Gesteinsgefüge der Karbonatite durch verrinnende und evaporierende meteorische Wässer durch Bildung von Kalk-Mikritkrusten zementiert. Diese Mikrite stellen bei nachfolgenden Regenfällen Lösungspuffer dar. Als Folge wird der Karbonatit als Härtling nahezu gleichmäßig eingerumpft. Petrographische Inhomogenitäten können die Bildung von Karstspalten begünstigen, welche als Sedimentfallen dienen. Diese Sedimente repräsentieren die Erosionsgeschichte des ehemals höher und weiter reichenden karbonatitischen Vulkankomplexes. Hierbei haben auch Sedimentbildungen überdauert, zu deren Bildung ein anderes Milieu und andere Grundwasserbedingungen nötig waren. Pyrochlor als relativ verwitterungsbeständiges Mineral reichert sich in den Sedimenten an, unterliegt aber selber ebenfalls tropischer Verwitterung. Dabei werden deutliche Fehlstellen auf der A-Position toleriert. Es konnten verschiedene Stufen des Überganges von Pyrochlor hin zu Ferrocolumbit (Austausch Ca gegen Fe(II)) und Bariopyrochlor (Ca gegen Ba) dargestellt werden. Verlust und Austausch der Elemente in A-Position markieren den Beginn der Verwitterung. In späteren Phasen fortschreitender Verwitterung werden auch die Elemente der B-Position das Mineral verlassen. Hierbei zeigen sich Ti und Nb deutlich mobiler als Ta. Im Austausch können Fe(III) und eventuell auch Si die frei gewordenen B-Positionen besetzen. Zusammen mit der primärmagmatischen Varianz im Chemismus wird so eine Abgrenzung verschiedener Pyrochlorpopulationen in den relevanten Sedimenten und auch Hinweise auf unterschiedliche Ausgangsgesteine ermöglicht. Das hohe Angebot an gelöstem Karbonat im Karbonatit führt zu einer jahreszeitlich bedingten Übersättigung der Verwitterungslösung. Dadurch wird die Porosität des Gesteins während der Verwitterung nicht, wie bei silikatischen Gesteinen, erweitert. Biotite als silikatische Minerale verdeutlichen das unterschiedliche Verwitterungsverhalten von silikatischen Gesteinen und Karbonatiten. Die Vorgänge spielen sich im vadosen Bereich ab. Es entsteht keine Bleichzone und keine Trennung von Al und Si. Aus diesem Grund können sich kein Kaolin, kein Gibbsit und auch kein sekundärer Quarz bilden. Bei der Verwitterung von Sulfiden wie z.B. Pyrrhotin wird Schwefelsäure frei, zu deren Neutralisation Karbonatminerale gelöst werden. Zusätzlich bilden sich bei der Verwitterung dieser Minerale noch sekundäre Produkte wie Fe-Hydroxide und Gips, die über ihren Kristallisationsdruck zu einer Erweiterung des Porenraumes führen.

This study aims on the processes and products of tropical weathering of carbonatites with emphasis on carbonatites of Uganda (Tororo and Sukulu) and Tanzania (Panda Hill). For both localities, absence of drainage pattern and high evapotranspiration lead to the formation of micritic limestone. As these micrites are easily dissolved and re-precipitated by karstification processes, they serve as a chemical buffer-system for the entire rock. The typical high karst relief explains the scarcity of non-limestone weathering products. Petrographic inhomogeneities promote the formation of karst fissures which may become temporarily filled by sediments representing the erosional history of the former volcanic edifices and may have been formed under completely different depositional conditions and alternating groundwater levels. In tropical weathering processes pyrochlore is a relatively resistant mineral that becomes enriched in derived sediments. The pyrochlore formula reveals the influence of the weathering process. Ferrocolumbite (Ca exchanged against Fe) or bariopyrochlore (Ca against Ba) are typical alteration products. The loss of A-Site cations marks the onset of supergene alteration, which subsequently leads to the exchange of B-Site elements (Ti, Nb). It is demonstrated that under these conditions Ti and Nb are more mobile than Ta. Further exchange reactions include Fe(III) and Si for Ti and Nb. The primary magmatic variance makes pyrochlore a tracer mineral to assign secondary weathering products to their parent rocks. The high supply of dissolved carbonates leads to a seasonal oversaturation of the weathering solution. Thus, the porosity of the rock during weathering will not be enhanced. This is shown by weathering stages of biotite. This silicate mineral clarifies the differences in the response to weathering processes from carbonatites to silicate rocks. Weathering takes place in the vadose zone, no pallid zone is developed, no separation of Si and Al occurs, and no kaolinite, gibbsite or secondary quartz is formed. Weathering of sulphides as pyrrhotite or pyrite leads to the formation of sulphuric acid which consumes carbonates by temporary precipitation of gypsum that is, later on, replaced by third generation carbonate. Additional the precipitation of secondary ferrohydroxides applies crystallization pressure upon the rock fabric, resulting in extension of pore space and weakening the rock against erosion.