title: Rutile inclusions in garnet
Creators: name: Kohn, Victoria
Publisher: name: :none
Year: 2024

description: Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von (Nano-)einschlüssen von Rutil und Phosphaten in einem pegmatoiden Granat und prüft welche mikrostrukturellen, kristallographischen und kristallchemischen Eigenschaften, als Reaktion auf spezifische Bildungsmechanismen und -bedingungen bei der Einschlussgenese von Bedeutung sind. Um ein umfassendes Bild darüber zu erlangen, welche Mechanismen bei der Einschlussbildung, sowie bei der Kristallisation des Almandin-Spessartin-Granats aus der Böhmischen Masse (Österreich) beteiligt sind, kommen diverse Methoden zum Einsatz, deren Resultate miteinander korreliert werden. Die Studie konzentriert sich dabei insbesondere auf die Zusammenhänge zwischen den Formvorzugsorientierungen von nadelförmigen Rutileinschlüssen und deren kristallographischen Orientierungsbeziehungen mit dem Granatwirtskristall. Die ausgewählte Probe erweist sich für die Untersuchung dieses Wirtskristall-Einschlusssystems als besonders geeignet, da die Granatmikrostrukturen des magmatischen Wachstums ohne signifikante Überprägung erhalten sind. Mineraleinschlüsse in Wirtskristallen können einen wichtigen Beitrag zu petrologischen Untersuchungen leisten, da sie Informationen über die petrogenetischen Bedingungen während ihrer Bildung oder Reäquilibrierung speichern. Für die Ableitung gültiger Interpretationen ist jedoch die Kenntnis der zeitlichen Abfolge der Genese von Wirtskristall und deren Mineraleinschlüssen wichtig, da sich jene vor, während oder nach der Kristallisation ihres Wirts bilden können. In der untersuchten Probe lassen detaillierte mikrostrukturelle Untersuchungen von Rutileinschlüssen (Habitus, Größe, Seitenlängenverhältnis, Häufigkeit und Formvorzugsorientierungen) den Schluss zu, dass sich die nadelförmigen Rutileinschlüsse, im Zuge der magmatischen Kristallisation des Pegmatoids, synchron mit ihrem Wirtskristall gebildet haben. Die Ergebnisse dieser Studie verbessern das Verständnis der Mikrostrukturbildung in Wirt-Einschluss-Systemen erheblich, da sie die Eigenschaften und die Systematik der kristallographischen Orientierungsbeziehungen von Rutil und Granat, sowie dessen Verbindung zu den Formorientierungsbeziehungen von nadelförmigen Rutil in den Zusammenhang mit den petrogenetischen Bedingungen der Einschlussbildung stellen. Der neue Datensatz bestätigt, dass das Vorkommen von orientierten nadelförmigen Rutileinschlüssen in Granat nicht unbedingt auf deren Entmischung aus Ti-haltigem Granat zurückzuführen ist. Stattdessen dienen bestimmte kristallographische Orientierungsbeziehungen (COR-4, 4b, 5 und 5b) möglicherweise als Identifikatoren für ein gemeinsames Wachstum der Rutileinschlüsse mit ihrem Wirtskristall. Es wurden vier Hauptfaktoren identifiziert, die an der Ausbildung von Mikrostrukturen des Wirt-Einschlusssystems im Verlauf der magmatischen Kristallisation beteiligt sind: Erstens ist die Kristallographie der jeweiligen Granatfacette bei der Genese der bevorzugten Einschlussphase maßgeblich beteiligt. Dies zeigt sich daran, dass {110}Grt Wachstumssektoren hauptsächlich Phosphate einschließen, während {112}Grt Wachstumssektoren vornehmlich Rutileinschlüsse beinhalten. Zweitens kann die lokale Wachstumsrichtung von Granat eine selektive Wirkung auf die relative Häufigkeit bestimmter Nadelorientierungen haben, wie aus dem Vergleich der Statistik der bevorzugten Formorientierungen von Rutilnadeln in zwei verschiedenen {112}Grt Sektoren zeigt: Nadeln mit Formorientierungen, die einen kleinen Winkel zur lokalen Wachstumsrichtung des Granats aufweisen, haben eine deutlich höhere Häufigkeit, als unter Berücksichtigung des Schnitteffekts der Proben geschätzt wird, während hingegen Nadeln, die parallel zur Wachstumsfacette des Granats ausgerichtet sind, fehlen oder zumindest extrem unterrepräsentiert sind. Drittens bestimmen die relativen Wachstumsraten von Granat und Rutil und ihr Verhältnis zur Keimbildungsrate von Rutil, die Häufigkeit und den Habitus der Rutileinschlüsse. Dies spiegelt sich in den unterschiedlichen Mikrostrukturen der Einschlüsse in verschiedenen Granatwachstumszonen innerhalb eines {112}Grt Sektors wieder. Viertens begünstigt das Verhältnis der Kristallwachstumsraten zu den Diffusionsraten innerhalb der umgebenden Schmelzphase, sowie im Granat, die Ausbildung und die Eigenschaften von kompositionellen Grenzschichten (zu Englisch, compositional boundary layer). Änderungen in den physikalisch-chemischen Eigenschaften der Schmelze tragen daher in Rückkopplung mit den oben genannten Faktoren zur Bildung von Einschlussmikrostrukturen bei. Darüber hinaus zeigt der neue Datensatz, dass ein Anstieg von Na, OH und Si in der Schmelze mit dem Beginn der Bildung der Rutilnadel-Mikrostruktur und mit einer Änderung der entwickelten CORs einhergeht. Der Vergleich mit Literaturdaten ähnlicher Lithologien aus anderen geologischen Einheiten zeigt, dass die identifizierte Abfolge von mikrostrukturellen, kristallographischen und kristallchemischen Merkmalen charakteristisch für Granat-Wirts-Mineraleinschluss-Systeme ist, die aus der magmatischen fraktionierten Kristallisation von peraluminösen pegmatitischen Gesteinen stammen. Unter solchen Voraussetzungen müssen die erörterten Faktoren berücksichtigt werden, wenn petrogenetische Informationen aus mikrostrukturellen, kristallographischen oder kristallchemischen Eigenschaften aus Wirt-Einschluss-Systemen abgeleitet werden.
description: This thesis evaluates the microstructural, crystallographic and compositional expression of particular mechanisms and conditions involved in the formation of rutile and phosphate (nano-)inclusions in a pegmatoid garnet. A multi-methodological approach is pursued to infer the inclusion formation mechanisms at different stages of the growth history of the hosting almandine-spessartine garnet from the Bohemian Massif, Austria. The study especially focuses on the interrelationships between shape preferred orientations of needle-shaped rutile inclusions and their crystallographic orientation relationships with the garnet host crystal. The selected sample is extraordinarily suitable to investigate this host-inclusion system, as it preserved disequilibrium microstructures of magmatic growth, sector zoning and growth banding in garnet in absence of any significant overprinting. Mineral inclusions contained in host crystals can store information about the petrogenetic conditions during their formation or re-equilibration and, therefore, make an important contribution to petrological investigations. However, as mineral inclusions can form before, during or after the crystallisation of their host crystal, it is crucial to determine the correct relative timing relationships of formation, in order to derive valid interpretations. Detailed microstructural investigations of rutile inclusions (habit, size, aspect ratio, abundance and shape preferred orientations) in the same growth zone in two different {112}Grt sectors lead to the conclusion that the needle-shaped rutile inclusions formed synchronously with their host during the magmatic crystallisation of the pegmatoid host rock. The results of this study significantly enhance the understanding of microstructure formation in host-inclusion systems and illuminate the characteristics and systematics of crystallographic orientation relationships (CORs), as well as their connection to shape orientation relationships and to the petrogenetic conditions of inclusion formation. Clearly, the new dataset confirms that the presence of oriented needle-shaped rutile inclusions in garnet is not necessarily diagnostic for inclusion formation by exsolution from Ti-bearing garnet. Instead, certain CORs (COR-4, 4b, 5 and 5b) potentially serve as identifiers of a co-growth origin of rutile inclusions in the garnet host. Four major factors have been identified as being involved in the formation of host-inclusion microstructures during magmatic crystallisation: firstly, the crystallography of the particular garnet facet can determine the preferentially formed inclusion phase, as the comparison of the nature of inclusions in the same growth zone of two different non-equivalent garnet sectors in the garnet core showed that the {110}Grt growth sector predominantly comprises phosphates, whereas the {112}Grt mainly comprises rutile inclusions. Secondly, the local growth direction of garnet can have a selective effect on the relative frequencies of particular needle orientations, as inferred from the comparison of shape-preferred orientation statistics of rutile needles in two different {112}Grt sectors. Needles with elongations at low angle to the local growth direction of the garnet have significantly higher frequency than estimated under consideration of the effect of sample sectioning, while those needles which are oriented parallel to the growth facet of garnet are absent or at least extremely rare. Thirdly, the relative rates of growth of garnet and rutile, and their relation to the nucleation rate of rutile control the abundance and habit of rutile inclusions. This is reflected by the differing inclusion microstructures in different garnet growth zones within a particular {112}Grt sector. Fourthly, the relationships between the rates of crystal growth and the rates of chemical diffusion in garnet and the surrounding melt phase control the nature of any compositional boundary layer(s) during host crystallisation. Changes in the physico-chemical properties of the melt, thus contribute to the formation of inclusion microstructures and crystallographic textures in feedback with the previously stated factors. Finally, the new dataset shows, that an increase of Na, OH and Si in the melt corresponds to the onset of rutile needle microstructure formation, along with a change of the types of CORs developed. Comparison of the new dataset with literature data of similar lithologies from other geological units indicates that the identified sequence of microstructural, crystallographic and compositional features, is characteristic of garnet host – mineral inclusion systems that originate from magmatic fractional crystallisation of pegmatitic rocks. In such an environment, the discussed factors have to be considered when inferring petrogenetic information from host-inclusion microstructures, their crystallographic textures and compositions.