Gefügeentwicklung, elektrische Leitfähigkeiten und Graphitbildung graphitführender Marmore des zentralen Damara Belts, Namibia

Graphitführende Marmore treten in krustalen Domstrukturen des zentralen Damara Belts im nord-westlichen Namibia auf. Vorhergehende magnetotellurische Untersuchungen zeigten, dass an diesen graphitführenden Marmoren ausgeprägte Anomalien hoher elektrischer Leitfähigkeiten auftreten. Auf dieser Grundlage geht es in dieser Arbeit um Leitfähigkeitsmessungen an unterschiedlichen Typen des graphitführenden Marmors im Probenmaßstab. Der graphitführende Marmor bildet teilweise auch ausgeprägte Scherzonen entlang der reaktivierten Ränder der Domstrukturen aus. Daher wurden die verschiedenen Typen dieses Marmors anhand ihren Makro- und Mikrogefüge charakterisiert. Die Gefügeuntersuchungen bildeten damit die Grundlage für das Verständnis der entsprechenden Leitfähigkeitspotentiale der verschiedenen Typen des graphitführenden Marmors. Zur Klassifizierung der graphitführenden Marmore wurden verschiedene Methoden wie qualitative optische Mikroskopie, Kathodenlumineszenz Mikroskopie (KL), Rückstreu Elektronenmikroskopie (REM), Global- und Lokaltexturanalyse und die Quantifizierung der Calcit-Graphit Mengenverhältnisse angewandt. Weitere Untersuchungen zum Verständnis der tektono-metamorphen Entwicklung der Gefüge und der Bildung des Graphits wurden mittels Raman Spektroskopie, Energiedispersive Röntgenuntersuchungen (EDX) und Untersuchungen der stabilen Isotopen von Calcit und Graphit durchgeführt.Aus den Gefügeuntersuchungen und der Geländearbeit zeigte sich, dass die graphitführenden Marmore abnormalem Kornwachstum unterlagen. Dieses wird in dieser Arbeit der großräumigen Intrusion granitischer Magmen in die zeitgleich hochmetamorph überprägten Marmore zugeschrieben. Die Daten der Calcit-Graphit Thermometrie zeigen regional maximale Metamorphosetemperaturen von ca. 760° C. Diese grobkörnigen Marmore wurden retrograd entlang der Ränder der Domstrukturen in bruchhaft-duktilen Scherzonen deformiert, in denen sich ein komplexes Gefüge der Marmore ausbildete. Diese Scherzonen bestehen aus einer mylonistischen Kernzone und bruchhaft-duktil deformierten Randzonen. Innerhalb dieser Randzonen kam es auch zu Drucklösungsprozessen, welche in der Ausbildung der graphitischen Styloliten resultierten. Diese Graphitstyloliten bildeten Netzwerkstrukturen mit stark variierenden Netzwerkdichten aus. Diese graphitischen Netzwerkstrukturen zeigen im Probenmaßstab einen Widerstand von 400 bis 540 Ω m. Das deutet darauf hin, dass diese Netzwerkstrukturen für die krustalen Anomalien hoher elektrischer Leitfähigkeiten in den magnetotellurischen Profilen verantwortlich sind. Viele dieser Graphitstyloliten hingegen sind von Mikrogängen durchschlagen. Wahrscheinlich wurden diese als Hydrobrüche oder Zugspannungsrisse, während des kretazischen Zerfalls Gondwanas zwischen Afrika und Südamerika und der anschließenden Hebung innerhalb der Kruste an heutige oberflächennahe Niveaus, gebildet.Der Graphit wurde höchstwahrscheinlich während des abnormalen Kornwachstums des Calcits gebildet. Er ist durchgehend in allen Gefügetypen des graphitführenden Marmors von hoher Kristallinität. Durch die Equilibrierung der Kohlenstoffisotopen zwischen Calcit und Graphit, sind keine Hinweise auf den Ursprung des Graphits erhalten geblieben. Mittels qualitativer optischer Mikroskopie und EDX Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass der Graphit in allen Gefügetypen mit Glimmern epitaktisch verwachsen ist. Die feinkörnigen Graphitstyloliten bildeten sich als Residual der Drucklösung von Calcit. Die Calcit-Graphit Mengenverhältnisse der verschieden Typen des graphitführenden Marmors deuten Drucklösung sowohl von Calcit als auch von Graphit an. Die Calcittexturen entsprechen sog. Tieftemperaturtexturtypen, welche reine Scherung anzeigen. Sie treten in dieser Form sowohl in den mylonitischen Kernzonen als auch in den bruchhaft-duktilen Randbereichen der Scherzonen auf. Die Intensität der Texturen ist dabei generell sehr stark und zeigt eine deutliche Abhängigkeit von der Korngröße der untersuchten Proben. Die mylonitischen Kernzonen zeigen dabei ausgeprägte Unterschiede in Texturdomänen, welche in mikroskopischen Maßstäben nachweisbar sind. Graphit zeigt nur in den mylonitischen Kernzonen eine kristallographische Vorzugsorientierung mit den Basisflächen parallel zur Foliation.Das abnormale Kornwachstum der graphitführenden Marmore ist auf das Zusammenspiel der regionalen mit der Kontaktmetamorphose der granitischen Intrusionen zurück zu führen. Anschließend bildeten sich retrograd die komplexen bruchhaft-duktilen Deformationsgefüge in einer seismisch-aseismischen Übergangszone in der zeitgleich bruchhafte, duktile und Drucklösungs-Deformationsprozesse auftraten. Die graphitischen Styloliten, welche in dieser Übergangszone gebildet wurden sind verantwortlich für die krustalen Anomalien hoher elektrischer Leitfähigkeit in den gemessenen magnetotellurischen Profilen.Graphite-bearing marbles occur in crustal-scale dome structures of the central parts of the Damara Belt in north-western Namibia. They have been reported to show significant anomalies of high electrical conductivity in magnetotelluric profiles. This work presents conductivity measurements on a sample scale of different types of these graphite-bearing marbles. As the graphite-bearing marbles also form distinct shear zones along reactivated rims of the dome structures, these different types of graphite-bearing marbles were distinguished by their macro- and microscopic fabric characteristics. The investigation and classification of the different fabrics is the basis for understanding the conductivity potentials of the different types of graphite-bearing marbles. The classification was made using qualitative optical microscopy, cathodoluminescence microscopy (CL), scattered electron microscopy (SEM), bulk and local texture analysis and the quantification of the calcite-graphite ratios. Several studies were made to verify the tectono-metamorphic development of the different fabrics, and to characterise the modes of graphite formation within these marbles. These include Raman spectroscopic measurements, energy dispersive X-ray analysis (EDX) and investigations of the stable isotopes.Fabric investigations and field work show that the graphite-bearing marbles are abnormally coarse- grained. The large grain-size of the marble is according to these investigations related to the regional intrusion of granitic melts into high-grade metamorphic rocks. Calcite-graphite thermometry by carbon isotopes indicates regional peak temperatures of around 760° C. The coarse-grained marbles were subsequently deformed in brittle-ductile shear zones along the reactivated rims of the dome structures, producing complex fabrics. The studied shear zones are composed of a mylonitic core zone and a brittle-ductile deformed boundary zone. Part of the deformation in the shear zones was by pressure solution, which resulted in the formation of graphitic stylolites. The graphitic stylolites form network structures of varying degrees of intensity. On a sample scale, the graphite networks show resistivities of 400 to 540 Ω m. These networks are responsible for the anomalies of high electrical conductivity, measured in the magnetotelluric profiles. Many of the graphitic stylolites are cut by microveins. It is proposed that these veins were generated as tension fractures and hydrofractures during the Cretaceous break-up of Gondwana and the subsequent uplift to surface levels.Graphite was most probably formed during metamorphism, which also lead to the abnormal grain-coarsening of the marbles. The graphite is of uniform high crystallinity across all types of graphite-bearing marbles. Since carbon isotopes of graphite were equilibrated with the calcite marble host rock, no isotopic indications about the origin of the graphite are preserved in the marbles. Qualitative optical microscopy and EDX investigations show, that the graphite is commonly epitaxial-intergrown with mica minerals. The fine-grained graphitic stylolites formed as a residue of pressure solution of calcite. The calcite-graphite ratios indicate, that both calcite and graphite were subject to pressure solution deformation. The calcite textures correspond to so-called 'low-temperature' pure shear textures, both in the mylonitic core zones as well as in the brittle-ductile boundary zones. The intensity of lattice-preferred orientations is generally very high and varies strongly with the grain size of the investigated samples. The mylonitic core zones show a complex pattern of different domains of lattice preferred orientation within microscopic scales. Graphite also shows a strong lattice-preferred orientation in the mylonitic core zones with the basal plains oriented parallel to the foliation.The abnormal grain-coarsening resulted from a combination of regional and contact metamorphism. The complex brittle-ductile deformation fabrics were formed subsequently in a seismic-aseismic transition zone with isochronous brittle, ductile and pressure solution deformation. The graphitic stylolites developed during this deformation, are responsible for crustal anomalies of high electrical conductivity in the measured magnetotelluric profiles