mini|300px|Sövit vom Kaiserstuhl (Stbr. Orberg) mini|hochkant=1.5|Lava des Ol Doinyo Lengai
Als Karbonatit wird in der Geologie ein selten vorkommendes, stark an Siliciumdioxid untersättigtes magmatisches Gestein bezeichnet, das definitionsgemäß mehr als 50 Volumenprozent Karbonatminerale enthält.
Die zu den ultramafischen Gesteinen zählenden Karbonatite treten vorwiegend intrusiv auf, effusive Äquivalente sind sehr selten.
Geochemisch werden sie durch eine sehr starke Anreicherung inkompatibler Elemente wie Strontium, Barium, Caesium, und Rubidium, sowie des Elements Phosphor und der Leichten Seltenen Erden (engl. LREE) charakterisiert. An HFSE-Elementen (High Field Strength Elements) wie Hafnium, Zirconium und Titan zeigen sie jedoch eine deutliche Abreicherung.
Erstbeschreibung und Typlokalität Karbonatite wurden von Waldemar Christofer Brøgger (deutsch: Brögger) 1920 in der Publikationsreihe Videnskaps Skrifter der Norske Videnskaps-Akademi erstmals wissenschaftlich beschrieben. Dessen Bearbeitung beruht auf den Aufschlüssen des Fengebiets in der südnorwegischen Telemark (Typlokalität).F. J. Loewinson-Lessing, E. A. Struve: Petrografitscheski Slowar. Moskwa 1937, S. 139.W. Brögger: Die Eruptivgesteine des Kristianiagebietes. IV. Das Fengebiet in Telemark, Norwegen. (= Videnskapsselskapets Skrifter I. Mat.-naturvet. Klasse 1920 No. 9). Kristiania 1921.
Definition und Karbonatitvarietäten mini|hochkant=1.25|Magnesiokarbonatit aus dem Verity-Paradise-Karbonatitkomplex in British Columbia, Kanada. Das Handstück ist 7,5 cm breit
Die Definition von Karbonatiten hat als notwendige Bedingung das modale Vorhandensein von mehr als 50 Volumenprozent an Karbonatmineralen.
Anhand des vorherrschenden Modusminerals können bei der Gesteinsgruppe der Karbonatite sodann folgende Varietäten unterschieden werden:
Calcitkarbonatit: Hauptmineral ist Calcit. Grob- bis mittelkörniger Sövit und klein- bis feinkörniger Alvikit mit meist deutlicher Fließtextur Ferrokarbonatit: mit Ankerit oder Siderit als Hauptmineral Natrokarbonatit: Hauptminerale sind Natrium-, Kalium-, Kalzium-Karbonate, z. B. im Oldoinyo-Lengai-Komplex in Tansania Nyerereit und Gregoryit Dolomitkarbonatit: Hauptmineral ist Dolomit. Fein- bis mittelkörniger Beforsit sowie Rauhaugit.
Hierzu parallel wird oft noch eine Klassifizierung mittels des vorherrschenden geochemischen Elements praktiziert: Calciumkarbonatit Magnesiumkarbonatit Eisenkarbonatit Seltene-Erden-Karbonatit
Prozessorientiert können Karbonatite in zwei Gruppen unterteilt werden:
Primäre Karbonatite Carbothermale Residuen
Primäre Karbonatite sind magmatischen Ursprungs und vergesellschaftet mit: Nepheliniten Melilithiten Kimberliten spezifischen, durch partielles Aufschmelzen entstandenen silikatischen Mantelmagmen.
Aus carbothermalen Residuen hervorgegangene Karbonatite entstammen jedoch relativ tieftemperierten, an Kohlendioxid, Wasser und Fluor angereicherten Flüssigkeiten.
Generell liegen die Karbonatgehalte bei Karbonatiten über 50 Volumenprozent und können in seltenen Fällen bis zu 90 Volumenprozent erreichen. Bewegt sich der Karbonatgehalt unterhalb von 50 Volumenprozent bis einschließlich 10 Volumenprozent, so werden die betreffenden Gesteine als karbonatitisch bezeichnet. Karbonatite, bei denen der SiO2-Gehalt größer als 20 Masseprozent ist und gleichzeitig den Karbonatgehalt übertrifft, sind Silicokarbonatite.
mini|hochkant=1.75|Ternäres Klassifikationsdiagramm der Karbonatite (in Masseprozent) mit weniger als 20 Masseprozent SiO2, nach Woolley (1989)
Karbonatite mit einem SiO2-Gehalt < 20 Masseprozent werden wie folgt unterteilt (siehe nebenstehende Abbildung):
Calciokarbonatit erfüllt die Bedingung: CaO / (CaO+MgO+FeO+Fe2O3+MnO) > 0,80 bzw. CaO > 4 ⋅ (MgO+FeO+Fe2O3+MnO). Daraus folgt: CaO: ≥ 80 Masseprozent.
Magnesiokarbonatit ist kein Calciokarbonatit und erfüllt die Bedingung: MgO > FeO+Fe2O3+MnO. Somit haben: MgO: 100 bis ≥ 10 Masseprozent, FeO + Fe2O3 + MnO: 0 bis ≤ 50 Masseprozent und CaO: 0 bis ≤ 80 Masseprozent.
Ferrokarbonatit ist kein Calciokarbonatit und erfüllt die Bedingung: MgO < FeO+Fe2O3+MnO. Somit haben: FeO + Fe2O3 + MnO: 100 bis ≥ 10 Masseprozent, MgO: 0 bis ≤ 50 Masseprozent und CaO: 0 bis ≤ 80 Masseprozent.
Mineralogische Zusammensetzung Im Allgemeinen liegt der Anteil von Karbonatmineralen, die vor allem als Calcium und CO2 in der Summenformel vertreten sind, bei 70 bis 90 Volumenprozent.
Hauptminerale sind die Karbonate: Calcit, Dolomit, Ankerit sowie Siderit und Magnesit, sehr selten auch Bastnäsit, Gregoryit, Fairchildit und Nyerereit.
Daneben können erscheinen: Silicate Olivingruppe (Forsterit), Monticellit, Melilith, Pyroxengruppe (Diopsid, Aegirin, Aegirin-Augit), Wollastonit, Alkali-Amphibole (z. B. Richterit), Phlogopit, Hydrophlogopit, Biotit, Titanit, Zirkon, Ti-Andradit und Schorlomit, Alkalifeldspäte, an SiO2 untersättigte Minerale der Foide (wie beispielsweise Nephelin), sowie Niocalit und Natrolith Oxide Magnetit, Hämatit, Ilmenit, Rutil, Quarz, Perowskite mit Zusammensetzungen zwischen Perowskit, Lueshit, Loparit und Latrappit sowie Pyrochlor, Sulfide Pyrit, Pyrrhotin, Kupfersulfide Sulfate Baryt Halogenide Fluorit Phosphate Apatit, Monazit.
Chemische Zusammensetzung Die folgende Tabelle verschiedener chemischer Analysen soll die Variabilität karbonatitischer Magmen verdeutlichen (Auflistung gemäß Le Bas, 1981):
Masse% Durch-schnitts-karbonatit Karbona-titischeLava Ägirin-Sövit Durch-schnitts-alvikit Dolomit-karbonatitBeforsit Natro-karbo-natit Ferro-karbo-natitSiO2 5,67 12,99 4,86 1,50 6,12 0,58 1,49TiO2 0,50 1,74 0,17 0,07 0,68 0,10 0,22Al2O3 1,77 3,03 0,30 0,18 1,31 0,10 1,11Fe2O3 8,00 12,81 1,71 2,70 7,55 0,29 6,97MnO 0,76 0,40 0,27 0,57 0,75 0,14 1,58MgO 6,10 8,55 0,31 0,58 12,75 1,17 1,62CaO 37,06 35,97 50,45 49,40 29,03 15,54 46,29Na2O 1,09 0,73 1,09 0,13 0,14 29,56 0,34K2O 0,87 0,20 0,17 0,08 0,79 7,14 0,22P2O5 1,73 3,32 1,00 0,66 2,66 0,95 1,63CO2 32,16 14,79 34,84 39,85 37,03 31,72 33,97SO3 0,91 0,88 0,40 0,65 0,89 2,48 0,57F 0,38 0,30 0,09 2,26 0,53Cl 0,31 2,90 BaO 0,45 0,15 0,13 0,54 0,11 1,04 1,93SrO 0,89 0,63 0,26 0,26 0,01 2,09 0,12
Der Chemismus von Karbonatiten wird generell von CaO (bis 50 Masseprozent), bei Natrokarbonatiten auch von Na2O (bis 30 Masseprozent) und CO2 (bis 40 Masseprozent – maximal möglich sind 44 Masseprozent) beherrscht. Sie sind sehr deutlich an SiO2 untersättigt.
Physikalische Eigenschaften Gegenüber assoziierten alkalischen Silikatschmelzen besitzen Karbonatitschmelzen bemerkenswerte physikalische Eigenschaften. So sind beispielsweise ihre Löslichkeiten für Elemente, die in Silikatschmelzen nur selten anwesend sind, sehr hoch. Ihr Aufnahmevermögen für Wasser und andere flüchtige Substanzen wie beispielsweise Halogene sind bei den in der Erdkruste herrschenden Drucken unter allen Schmelzen am höchsten. Karbonatitschmelzen sind überdies sehr effizient im Transport von Kohlenstoff aus dem Erdmantel in die überlagernde Kruste, da sie über weite Temperaturbereiche hinweg flüssig bleiben.
Karbonatitische Magmen zeichnen sich durch eine sehr niedrige Viskosität aus. Dies dürfte wesentlich dazu beitragen, dass die Interkonnektivität zwischen den Korngrenzen im Mantelgestein aufrechterhalten bleibt und somit metasomatische Anreicherungen im oberen Mantel erfolgen können. Bei Karbonatitschmelzen handelt es sich um ionisierte Flüssigkeiten, die im Unterschied zu silikatischen Flüssigkeiten nur wenig oder gar nicht zur Polymerisation neigen.
Eine weitere bedeutende physikalische Eigenschaft von karbonatischen Schmelzen liegt in ihrer hohen elektrischen Leitfähigkeit, die bis zu drei Größenordnungen die Leitfähigkeit von Silikatschmelzen und bis zu fünf Größenordnungen die Leitfähigkeit hydrierten Mantelmaterials übertrifft. Folgerichtig können Karbonatschmelzen zur Erklärung erhöhter Leitfähigkeitsanomalien im tiefen Asthenosphärenbereich herangezogen werden. Vollkommen ausreichend hierbei sind bereits Schmelzen mit nur 0,1 Volumenprozent Karbonatgehalt. Früher wurden diese Anomalien noch mit Silikatschmelzen oder wasserhaltigem Olivin in Verbindung gebracht.
Ausgetretene karbonatitische Lavaströme sind an der Erdoberfläche instabil und reagieren unter Wasseraufnahme im Kontakt mit der Atmosphäre. Erkennbar ist dies durch eine Farbänderung von dunkelgrau nach weiß.
Petrologie mini|hochkant=1.5|Der Karbonatitstock von Tororo im Südosten Ugandas Erscheinungsbild
Die äußere Erscheinung von Karbonatiten ist aufgrund ihrer chemischen und gefügekundlichen Variabilität großen Schwankungen unterworfen. Ihre Korngrößen bewegen sich zwischen feinkörnig hin zu riesenkörnig (pegmatitartig), und ihr Farbton variiert von hell nach dunkel, abhängig vom Anteil mafischer Minerale. Bei beginnender Alteration werden Karbonate zersetzt. Insbesondere eisenreiche Karbonate können dem Gestein bei ihrem Zerfall eine beige, rot- bis dunkelbraune Färbung verleihen. Die Verwitterung von Karbonatiten führt im subtropischen und tropischen Klima zu Lateritisierung und einer Anreicherung von nichtkarbonatischen Mineralen, die gelegentlich abbauwürdige Lagerstätten darstellen können. In seltenen Fällen sind Karbonatite resistenter als die sie umgebenden Silikatgesteine; ein gutes Beispiel hierfür ist der Karbonatitstock von Tororo in Uganda, der seine Umgebung um fast 300 Meter überragt.
In Karbonatiten können sich unter humiden klimatischen Bedingungen auch Karstphänomene einstellen.
Vergesellschaftung Typisch für Karbonatite ist ihre Vergesellschaftung mit an SiO2-untersättigten Magmatiten. Insgesamt sind rund 80 % der Karbonatite mit alkalischen Silikatgesteinen assoziiert, deren chemische Zusammensetzung ein weites Spektrum von ultramafischen (z. B. Dunit) bis hin zu sauren Magmatiten (wie beispielsweise Syenit) überspannen kann. Von großer Bedeutung ist außerdem ihre enge Verbindung zu Melilithen, Kimberliten, Meimechiten und verwandten Gesteinen, die sich alle durch sehr niedrige SiO2-Gehalte auszeichnen. Insbesondere zu den karbonatitischen Kimberliten bestehen alle Übergänge.
Nur 20 % der Karbonatite treten vollständig unabhängig auf (wie beispielsweise der Karbonatit vom Mount Weld in Australien).
Folgende Assoziationen können unterschieden werden:
miaskitische Alkaligesteinsassoziation (vorherrschend): Aluminiumüberschuss bei gleichzeitiger Verarmung an Alkalioxiden und Zr, jedoch Anreicherung an FeO⋅CaO⋅MgO. agpaitische Alkaligesteinsassoziation: zeichnet sich durch ein Aluminiumdefizit aus, gleichzeitig erfolgt Anreicherung an den Alkalioxiden Na2O und K2O sowie an Fe2O3 und Zr.
Zu den assoziierten Magmatiten gehören: Ijolith, Melteigit, Teschenit, Lamprophyre, Phonolith, Nephelinit, Foyait, Shonkinit, an Kieselsäure untersättigter und foidführender Pyroxenit (Essexit) sowie Nephelinsyenit.
Auftreten mini|hochkant=1.5|Profilschnitt durch eine typisch zylindrische Karbonatitintrusion unterhalb eines Alkaligesteinsvulkans