TAS-Diagramm

Tas-Diagramm der Vulkanite nach Le Bas et al. (1986) bzw. Le Maitre (2002), bearbeitet von Andrea Mazon und Julia Holzmüller

Das TAS-Diagramm (Total Alkali versus Silica) ist das wichtigste Werkzeug zur chemischen Klassifikation von Vulkaniten. Aufgetragen wird die Summe der Alkalien (Na₂O + K₂O) gegen den SiO₂-Gehalt, jeweils in Gew.-% und auf wasserfreier Basis. Es wird immer dann eingesetzt, wenn sich der Modalbestand eines Vulkanits nicht bestimmen lässt (feinkörnige oder glasige Grundmasse), sodass das QAPF-Diagramm nicht anwendbar ist. Die heute von der IUGS empfohlene Version stammt von Le Bas et al. (1986).

Ein Punkt im TAS-Diagramm ist nur so gut wie die Probe und die Analyse dahinter. Dieser Artikel zeigt dir deshalb den ganzen Weg: von der Probennahme über die Analytik bis zur Datenaufbereitung.

Beachte:

Einige Felder werden zusätzlich unterteilt, dafür brauchst du weitere Größen:

Trachybasalt, basaltischer Trachyandesit und Trachyandesit werden über das Na/K-Verhältnis in Na-betonte (Hawaiit, Mugearit, Benmoreit: Na₂O − 2,0 ≥ K₂O) und K-betonte Varietäten (K-Trachybasalt, Shoshonit, Latit) unterteilt.
Tephrit und Basanit unterscheiden sich über den normativen Olivin-Gehalt (Basanit > 10 % normativer Olivin).
Trachyt und Trachydacit werden über den normativen Quarzgehalt getrennt.

Für die beiden letzten Punkte ist eine CIPW-Norm-Berechnung nötig und damit auch eine sinnvolle Aufteilung des Eisens in FeO und Fe₂O₃ (siehe unten).

TAS-Diagramm der Plutonite nach Cox et al. (1979), adaptiert von Wilson (1989), bearbeitet von Woife Stoiber

TAS-Diagramm der Plutonite nach Middlemost (1994), bearbeitet von Woife Stoiber

Das TAS-Prinzip wurde auch auf Plutonite übertragen (Cox et al. 1979 in der Adaption von Wilson 1989; Middlemost 1994). Für Plutonite bleibt aber die modale Klassifikation nach QAPF der IUGS-Standard. Vorsicht bei Kumulaten: Ihre Zusammensetzung entspricht keiner Schmelze, und ein TAS-Name kann dann irreführend sein.

Woher bekomme ich Daten?

Es gibt im Wesentlichen zwei Wege: Du nimmst deine Probe und analysierst si bzw. lässt sie analysieren (siehe folgende Abschnitte). Das ist der sicherste Weg, weil du Probennahme, Aufbereitung und Analytik selbst kontrollierst und dokumentierst. Du kannst Dir aber auch Analysen aus der Literatur oder aus Datenbanken ziehen und diese selbst plotten. Gesamtgesteinsanalysen findest du in den Anhängen bzw. Supplements von Fachartikeln sowie in Datenbanken wie z. B. GEOROC oder EarthChem/PetDB.

Beachte:

Prüfe bei fremden Daten immer:

Welche Methode wurde verwendet (RFA, ICP-OES …)? Liegt eine Angabe zur Qualitätskontrolle vor?
Ist der Glühverlust (LOI) bzw. sind H₂O und CO₂ angegeben?
Wie ist das Eisen angegeben (Fe₂O₃T, FeOT oder FeO und Fe₂O₃ getrennt)?
Handelt es sich um eine Gesamtgesteinsanalyse oder um eine Glasanalyse (z. B. Mikrosonde an Tephra)? Beide sind im TAS plottbar, bedeuten aber Unterschiedliches: Glas entspricht der Restschmelze, das Gesamtgestein enthält auch die Einsprenglinge.
Sind Probenlokalität und Petrographie dokumentiert?

Probennahme

Nimm möglichst frisches, unverwittertes Material. Verwitterungskrusten, Klüfte mit Belägen und Adern solltest du meiden. Auch Blasenhohlräume, die mit Sekundärmineralen gefüllt sind (Mandeln, z. B. mit Zeolithen oder Calcit), verändern die Chemie deutlich. Solche Bereiche solltest du daher ebenfalls meiden oder später heraustrennen. Xenolithe und Fremdgesteinseinschlüsse sollten ebenfalls nicht in das Probenmaterial für die Klassifikation eingetragen werden, bzw. getrennt beprobt werden.

Hilfreiche Tipps und Informationen findest Du im Artikel "Geologische Probenahme".

Beachte:
Die Probenmenge muss repräsentativ sein: Je gröber das Gestein bzw. je größer die Einsprenglinge oder je inhomogener das Material, desto mehr Material brauchst du, damit die Probe repräsentativ ist.

Dokumentiere Aufschluss, Koordinaten, Foto und Geländebeschreibung im Geländebuch. Weitere Infos und Material fürs Feldbuch zum Ausdrucken findest Du in dem Artikel "Führen eines Feldbuchs" und "Anfertigen einer Aufschlusskizze".

Probenaufbereitung

Bevor deine Probe analysiert werden kann, musst du sie ersteinmal in einen analysierbaren Zustand bringen. Für die geochemische Analytik bedeutet das meist, dass aus dem Gestein ein repräsentatives Probenpulver hergestellt werden muss. Hierbei gibt es einige Punkte zu beachten.

Säubern: Entferne Verwitterungskrusten und Mandeln mittels Trennschleifmaschine (Säge), reinige sie (Obacht! nur Waschbecken mit Sedimentfalle benutzen) und trockne sie.

Vorzerkleinern: Deine Gesteinsprobe passt so als Ganzes in keine Mühle; daher musst du die Probe vorzerkleinern. Das kannst du je nach Probenart und -größe z.B. mittels Hammer, hydraulischer Presse oder Backenbrecher machen.

Achtung:
Hier kann besonders leicht Kontamination durch Gerätematerialien passieren! Schütze daher deine Probe vor direktem Kontakt mit dem Stahl des Hammers oder der hydraulischen Presse. Bei Backenbrechern ist dies nicht möglich. Daher solltest du Backenbrecher mit Stahlbacken für Geochemische Analytik nur mit Bedacht verwenden, da sie Fe, Cr und Mn eintragen.

Teilen: Die Menge an Probenmaterial, die zur Sicherstellung der Repräsentativität benötigt wird, übersteigt meist die Menge des Materials, dass in einen Mahlbehälter passt. Daher muss die Probe vor dem Mahlen repräsentativ geteilt werden. Hierfür eignen sich Probenteiler (z. B. Riffelteiler) oder Zwei-Felder-Probenteilung.

Mahlen: Für die geochemische Analytik muss das Gesteinsmaterial auf eine Analysenfeinheit (< 63 µm) gemahlen werden. Das Material der Mühle bestimmt die mögliche Kontamination:

Achat: geringe SiO₂-Kontamination, für Hauptelemente meist unkritisch
Wolframcarbid: Eintrag von W, Co, Ta – für Spurenelemente problematisch
Stahl: Eintrag von Fe, Cr, Mn

Kontamination zwischen Proben vermeiden: Geräte gründlich reinigen, ggf. mit Quarzsand oder etwas Probenmaterial „vormahlen“.

Analytik

Die klassische Methode zur Bestimmung der Hauptelemente eines Gesamtgesteins (SiO₂, TiO₂, Al₂O₃, Fe₂O₃^T, MnO, MgO, CaO, Na₂O, K₂O, P₂O₅) ist die wellenlängendispersive Röntgenfluoroszenzanalyse WD-RFA. Hierfür wird in dem WD-RFA Labor dein Gesteinspulver geglühlt und anschließend gemeinsam mit einem Flussmittel (Lithiumtetraborat bzw. -metaborat) eine Schmelztablette (Glastablette) hergestellt. Dadurch werden Korngrößen- und Mineraleffekte beseitigt. Die Glastablette wird dann mittels WD-RFA analysiert.

Beachte:
Die RFA unterscheidet nicht zwischen Fe²⁺ und Fe³⁺. Das gesamte Eisen wird als Fe₂O₃T angegeben.

Glühverlust (LOI)

Das Probenpulver wird bei ca. 1000–1050 °C (laborabhängig) geglüht und der Massenverlust bestimmt. Der LOI umfasst v. a. H₂O, CO₂ und S. Gleichzeitig oxidiert beim Glühen FeO zu Fe₂O₃, und die Probe nimmt dabei Sauerstoff auf. Der LOI unterschätzt deshalb den tatsächlichen Gehalt an flüchtigen Bestandteilen; bei FeO-reichen, frischen Gesteinen kann er sogar negativ sein.

Wenn H₂O und CO₂ getrennt benötigt werden (z. B. für die Alterations-Kriterien der IUGS), lassen sie sich z. B. mit einem C/S-Analysator bzw. durch Karl-Fischer-Titration bestimmen.

FeO-Bestimmung durch Titration

FeO wird nasschemisch bestimmt: Die Probe wird unter Luftabschluss mit HF/H₂SO₄ aufgeschlossen, und das Fe²⁺ wird anschließend titriert (z. B. mit KMnO₄ oder K₂Cr₂O₇). Sulfide und organischer Kohlenstoff wirken reduzierend und können das Ergebnis verfälschen.

Den Fe₂O₃-Gehalt berechnest du aus dem Gesamteisen:

Fe₂O₃ = Fe₂O₃^T − 1,1113 · FeO

Der Faktor 1,1113 ergibt sich aus den Molmassen: M(Fe₂O₃) / (2 · M(FeO)) = 159,69 / 143,69.

Qualitätskontrolle

Bevor du die Daten weiter verarbeitest, solltest du die Qualität der Analysen überprüfen.

Plausibilitätsprüfung: entspricht die Analyse der Erwarung und falls Abweichungen vorhanden sind, sind diese plausibel?
Zertifizierte Referenzmaterialien mitmessen (z. B. USGS-Standards wie BHVO-2 oder AGV-2)
Die Summe aller Oxide einschließlich LOI sollte nahe 100 % liegen.

Datenaufbereitung

Schritt 1: Alteration prüfen

Bevor du plottest, prüfe, ob die Probe überhaupt geeignet ist:

Dünnschliff: Gibt es Sekundärminerale (Chlorit, Serizit, Zeolithe, Karbonat)?
LOI bzw. H₂O⁺ und CO₂: Proben mir hohem LOI sind nur mit Vorsicht zu klassifizieren.^[1]
Bei alterierten Proben: Klassifikation über immobile Elemente statt über TAS (siehe Klassifikation der Vulkanite).

Schritt 2: Wasserfrei auf 100 % normieren

Die Hauptelementoxide werden ohne LOI (bzw. ohne H₂O und CO₂) auf 100 % umgerechnet:

x_normiert = x_gemessen · 100 / Σ(Oxide ohne LOI)

Beachte:
Der gemessene LOI unterschätzt den tatsächlichen Gehalt an flüchtigen Bestandteilen, wenn die Probe Fe²⁺ enthält: Beim Glühen oxidiert FeO zu Fe₂O₃, und die Probe nimmt Sauerstoff auf (gain on ignition, GOI).

Es gilt:

GOI = 0,1113 · FeO (Gew.-%)

Flüchtige_korrigiert = LOI_gemessen + GOI Enthält die Probe nur Fe³⁺, entspricht der gemessene LOI bereits den Flüchtigen. Die Korrektur ist vor allem für die Beurteilung der Alteration wichtig.

Schritt 3: Eisen einheitlich behandeln

Für das TAS-Diagramm selbst spielt die Aufteilung des Eisens nur über die Normierungssumme eine Rolle. Für die CIPW-Norm (Tephrit/Basanit, Trachyt/Trachydacit) ist sie aber entscheidend. Liegt kein gemessenes FeO vor, wird das Fe₂O₃/FeO-Verhältnis nach festen Regeln angenommen, z. B. gesteinsabhängig nach Middlemost (1989). Dokumentiere immer, wie du vorgegangen bist.

Plotten

Für das Plotten von TAS-Diagrammen gibt es verschiedene Programme, z.B. das GDCkit. Das hat den Vorteil, dass die Feldlinien bereits eingezeichnet sind. Aber auch für Python gibt es das Python-Paket pyrolite, das das TAS-Diagramm nach Le Bas et al. (1986) und Middlemost (1994) enthält, sodass auch dort die Feldlinien nicht eingezeichnet werden müssen. Für einen schnellen Überblick kannst Du aber auch das Programm GEOPlottr verwenden, bei dem sehr niedrigschwellig große Mengen an Daten geplottet werden können.

Häufige Fehler

Nicht normierte Daten geplottet (mit LOI in der Summe)
Alterierte Proben mit TAS klassifiziert
Einsprenglingsreiche oder kumulatische Proben als Schmelzzusammensetzung interpretiert
Diagrammversionen verwechselt (Vulkanite vs. Plutonite, alte vs. IUGS-Version)
Keine Angaben zu Methode, Eisen und Normierung gemacht – dann kann niemand deine Einordnung nachvollziehen

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Einzelnachweise

↑ Le Maitre (2002)

Referenzen

Cox, K.G., Bell, J.D. & Pankhurst, R.J. (1979): The Interpretation of Igneous Rocks. George Allen & Unwin, London.

Le Bas, M.J., Le Maitre, R.W., Streckeisen, A. & Zanettin, B. (1986): A chemical classification of volcanic rocks based on the total alkali-silica diagram. Journal of Petrology 27, 745–750.

Le Maitre, R.W. (Hrsg.) (2002): Igneous Rocks – A Classification and Glossary of Terms. 2. Aufl., Cambridge University Press.

Middlemost, E.A.K. (1989): Iron oxidation ratios, norms and the classification of volcanic rocks. Chemical Geology 77, 19–26.

Middlemost, E.A.K. (1994): Naming materials in the magma/igneous rock system. Earth-Science Reviews 37, 215–224.

Wilson, M. (1989): Igneous Petrogenesis – A Global Tectonic Approach. Unwin Hyman, London.

Weiterführende Literatur

Rollinson, H. & Pease, V. (2021): Using Geochemical Data. 2. Aufl., Cambridge University Press.

Potts, P.J. (1987): A Handbook of Silicate Rock Analysis. Blackie, Glasgow.

Lehrveranstaltungen

P1 Materialwissenschaften (Bachelor)

Petrologie I und II (Bachelor)

Dieser Artikel wurde geschrieben und gegengelesen von:

Donjá Aßbichler, Andrea Mazon, Julia Holzmüller

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[1] Le Maitre (2002)

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