Experimental zircon alteration and baddeleyite formation in silica saturated systems : implications for dating hydrothermal events

Abstract (Swedish)

Populärvetenskaplig sammanfattning: Åldersbestämning av fluidrelaterade händelser.
Zirkon och baddeleyit är mineral som kan användas för att åldersbestämma bergarter genom radiometriska metoder. När mineralen bildas bygger de in uran i sin struktur, men inte bly. Eftersom uran är radioaktivt och sönderfaller till bly över tiden kan en bergarts ålder bestämmas genom att mäta halten av uran och bly. Det är sedan tidigare möjligt att åldersbestämma många processer, såsom bildning eller tryck- och temperaturdriven omvandling (metamorfos) av bergarter. Fluidrelaterad (metamorfa vätskor) omvandling av bergarter har dock ännu inte åldersbestämts med hjälp av uranblygeokronologi. Datering av dessa händelser är intressanta ur ett antal synvinklar. Många förekomster och guldmalmer (och andra malmer) har bildats genom fluidrelaterade processer. Vidare kan det vara av intresse att förstå hur fluider rör sig i jordskorpan vid studier av säkerhet för slutförvaring av uttjänt kärnbränsle.

Zirkon är ett mineral som bildas när det finns överskott på kisel i magman, medan baddeleyit bildas när det är underskott på kisel. Om en kiselomättad bergart i ett senare skede utsätts för kiselmättade förhållanden, t.ex. vid metamorfos, kommer baddeleyite att reagera med det nu tillgängliga kislet för att bilda zirkon. Vice versa bör också zirkon brytas ned till baddeleyit vid kiselomättade förhållanden. Således bör inte baddeleyit kunna existera vid kiselmättade förhållanden. Trots detta har baddeleyit hittats inuti zirkon i kiselmättade bergarter från t.ex. sydvästra Grönland. Detta tros vara till följd av fluidrelaterad omvandling av zirkon.

För att utreda hur omvandling av zirkon till baddeleyit kan ske har en serie experiment utförts. Dessa är utformade att efterlikna en fluidrelaterad händelse genom att det experimentella systemet innehåller vatten och zirkon samt ett reaktionsämne, i detta fall kalciumhydroxid eller kalciumklorid. Experimenten utfördes både som kiselmättade system genom att kiseldioxid tillsattes och kiselomättade system samt vid två olika tryck- och temperaturförhållanden, ett som motsvarar de vid jordskorpans botten och ett som motsvarar de vid mitten av jordskorpan. Samtliga kiselomättade experiment medförde omvandling till baddeleyit, vilket var väntat. Dessutom återfanns att zirkon omvandlats till baddeleyit i några fall där kiselmättade system använts, där baddeleyit teoretiskt sätt inte ska vara stabilt. I de fall baddeleyite påträffas var kalciumhalten i systemet högre än kiselhalten, medan vice versa är gällande i de experiment som inte gav baddeleyit.

Sammanfattningsvis fastslås att baddeleyit görs stabilt genom att mängden fritt och reagerbart kisel i systemet minskas, vilket medför att det från början kiselmättade systemet under experimentets gång blir kiselomättat. Eftersom baddeleyit kan användas för åldersbestämning bör också denna nybildade baddeleyit kunna åldersbestämmas och att denna ålder representerar tidpunkten för den fluidrelaterade händelse som orsakade omvandlingen av zirkon till baddeleyit.

Abstract

Zircon (ZrSiO4) and baddeleyite (ZrO2) are two common zirconium bearing minerals which are important for U-Pb geochronology. Zircon is stable at silica saturated conditions, while baddeleyite should react with the free silica to form zircon under the same conditions. Yet, baddeleyite have been observed as intergrowths within zircon grains in silica saturated rocks, e.g. from southern West Greenland (Lewerentz, A., 2010: On the occurrence of baddeleyite in zircon in silica-saturated rocks. Dissertations in Geology at Lund University, Bachelor’s Thesis No. 261, 54 pp.). This study is focused on replicating this phenomenon and the textures seen in natural zircon with baddeleyite intergrowths, using experimental petrological methods (piston cylinder and hydrothermal autoclave experiments).

Experiments were conducted at 1,000 MPa and 900°C or ~400 MPa and 600°C in a closed system containing natural zircon, H2O and Ca(OH)2 or CaCl2. Both silica saturated and under-saturated systems were used. SEM imaging (cross-section BSE and CL, surface SE and BSE), SEM-EDS analyses and EMP analyses were used to evaluate the experiments. Zircon is known to be perfectly stable at the experimental conditions. Yet, partial alteration of zircon to baddeleyite is observed in most experiments conducted in a silica under-saturated system, but also in a number of experiments conducted in a saturated system.

Baddeleyite is appearing as blobs concentrated in thin semi-continuous bands or seemingly at random scattered within grains, or as thicker bands of a baddeleyite-Ca silicate intergrowth. I conclude that baddeleyite formation in zircon in a silica saturated system is possible due to fluid induced lowering of the silica activity in the system, making it under-saturated. A conceptual model on how the silica activity may be lowered is also proposed. Furthermore, it is concluded that the natural textures seen in zircon from e.g. southern West Greenland have formed through the process of coupled dissolution-reprecipitation (i.e. metasomatism), and are induced by a Ca bearing fluid. It is assumed that the reacted parts of zircon grains undergo trace element loss and that the U-Pb geochronometer is reset. Newly formed baddeleyite should incorporate U but not Pb. Subsequently, it would be possible to date hydrothermal (metasomatic) events, using U-Pb geochronological techniques on either the baddeleyite itself or on reacted parts of zircon grains.

Abstract (Swedish)

Zirkon (ZrSiO4) och baddeleyit (ZrO2) är två vanliga zirkoniuminnehållande mineral som båda
är viktiga för U-Pb-geokronologi. Zirkon är stabilt under kiselmättade förhållanden medan baddeleyit under kiselmättade
förhållanden torde reagera med det tillgängliga kislet och bilda zirkon. Trots detta har baddeleyit observerats
som interna domäner i zirkon i kiselmättade bergarter från exempelvis sydvästra Grönland (Lewerentz, A.,
2010: On the occurrence of baddeleyite in zircon in silica-saturated rocks. Examensarbeten i geologi vid Lunds
universitet, Kandidatarbete, Nr. 261, 54 pp.). Den här studien är fokuserad på att återskapa detta fenomen och de
texturer som observerats i naturlig zirkon med baddeleyitdomäner. Detta utförs genom att använda två metoder
inom experimentell petrologi, cylinderpressexperiment och hydrotermalautoklavexperiment. Experimenten utfördes
vid 1 000 MPa och 900°C eller ~400 MPa och 600°C i ett slutet system innehållandes naturlig zirkon, H2O
samt Ca(OH)2 eller CaCl2. Såväl kiselmättade som omättade experiment utfördes. För att utvärdera experimenten
användes svepelektronmikroskopi (BSE och CL i tvärsnitt, SE och BSE på kornytor), energidispersiv
röntgenemissionsspektroskopi samt elektronmikrosondanalys. Zirkon ska vara stabilt vid de förhållanden som använts
i experimenten. Trots detta kan partiell omvandling av zirkon till baddeleyit ses i de flesta experiment som
utförts under kiselomättade förhållanden, men också i att antal av de experiment som utförts under kiselmättade
förhållanden. Baddeleyit uppträder som prickar, koncentrerade i tunna band, eller slumpmässigt spridda inom zirkonkornet,
eller som tjockare band bestående av en sammanväxt mellan baddeleyit och ett kalciumsilikat. Av detta
dras slutsatsen att baddeleyitbildning i zirkon under kiselmättade förhållanden är möjligt på grund av fluidorsakad
sänkning av kiselaktiviteten i systemet, dvs. att system går från kiselmättat till kiselomättat. En konceptuell modell
för hur detta sker är föreslagen. Vidare fastslås att de texturer som observerats i zirkon från t.ex. sydvästra Grönland
har bildats genom processen kopplad upplösning-utfällning (metasomatism) och orsakats av kalciuminnehållande
fluider. Det kan antas att de delar av zirkon som reagerar på detta vis också genomgår urlakning av spårämnen
samt att U-Pb-geokronometern återställs. Den baddeleyit som bildas genom omvandling från zirkon bör inkorporera
U men inte Pb. Summerat bör det vara möjligt att datera hydrotermala (metasomatiska) händelser genom att
använda U-Pb-geokronologi, antingen på nybildad baddeleyit eller på reagerade delar av zirkon.

• author: Lewerentz, Alexander
• supervisor: Anders Scherstén; Daniel E. Harlov
• organization: Department of Geology
• alternative title: Experimentell omvandling av zirkon och baddeleyitbildning i kiselmättade system : betydelse för datering av hydrotermala händelser
• year: 2011
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Earth and Environmental Sciences
• keywords: zirkon, baddeleyit, kiselmättat system, hydrotermal omvandling, kopplad upplösning-utfällning, experimentell petrologi, svepelektronmikroskopi, elektronmikrosondanalys, energidispersiv röntgenemissionsspektroskopi, sydvästra Grönland, zircon, baddeleyite, silica saturated system, hydrothermal alteration, coupled dissolutionreprecipitation, experimental petrology, scanning electron microscopy, electron microprobe analysis, energy dispersive x-ray spectroscopy, southern West Greenland
• publication/series: Dissertations in Geology at Lund University
• report number: 293
• language: English
• additional info: Dr. Daniel E. Harlov, German Research Centre for Geosciences (GFZ).
• id: 2371989
• date added to LUP: 2012-03-15 12:31:57
• date last changed: 2014-10-24 03:44:47