You can see an interesting rock on this house wall in Edinburgh. It is granite with particularly large single crystals. These are also known as phenocrysts. The phenocrysts are particularly striking in the already coarse-grained granite with visible individual crystals. But how do such large single crystals form?
What are phenocrysts?
Phenocrysts are crystals that are large enough to be visible to the naked eye as inclusions in rock. They are found in igneous rocks. A phenocryst is significantly larger than the rock grains surrounding it in the rock matrix. The term is only used when the crystals are directly observable, i.e. larger than 0.5 to 1 mm. Crystals below this size, but still larger than the matrix crystals, are called microphenocrysts. However, many phenocrysts are several centimetres in size and are then referred to as megaphenocrysts. Some rocks contain both micro- and megaphenocrysts.
Geological formation process of phenocrysts
Phenocrysts form in igneous rocks when some minerals crystallise significantly earlier and more slowly than the rest of the melt during the cooling of the magma. In the process, they form conspicuously large crystals, known as phenocrysts, which are later embedded in a usually much finer-grained or glassy groundmass.
This typically occurs in two phases:
First, the magma slowly cools at depth, giving individual minerals enough time to form large crystals. Then, the semi-crystallised magma rises and erupts, causing the remaining portion to cool very quickly and form a finer-grained groundmass.
The temperature, pressure and water content in the magma influence which minerals grow as phenocrysts and what chemical composition they exhibit. The chemical zoning of the phenocrysts provides important clues about the crystallisation history and the changing conditions in the magma during its ascent.
The phenocrysts in granite
Granite is one of the oldest rocks in the history of the Earth. It was formed deep within the Earth's crust. It is therefore also referred to as plutonic rock and crystalline mass rock because it is composed of an irregularly grained rock mass. Granite consists of feldspar, quartz and mica.
Normally, granite – as plutonic rock – crystallises slowly and fairly evenly, so that most minerals become similar in size.
However, there are specific conditions under which individual minerals can form significantly larger crystals than the other components:
- Early crystallisation of certain minerals: Minerals with a particularly high melting point (e.g. biotite, hornblende) are the first to crystallise from the magma while it is still partially liquid. These minerals therefore have more time to grow than those that crystallise later.
- Locally varying crystallisation conditions: Areas with locally increased concentrations of certain mineral components (e.g. feldspar), locally varying water contents or fluctuations in temperature and pressure can cause individual crystals to grow particularly quickly and for a long time.
- Chemical and thermal instabilities: Crystals that form earlier can enter certain zones of the melt where they can absorb additional nutrients and grow even larger.
- Mixing of differently developed melts: Through magma mixing (e.g. seepage of a new magma pulse), large crystals that are already present can enter a younger, not yet fully crystallised melt, where additional minerals are deposited around the old nuclei.
Such large single crystals, when they significantly exceed the average grain size of the matrix, are called phenocrysts. The remaining rock can still be medium-grained. This situation is found in particular at the edges of large plutons, in transition zones between magma chambers and dikes, or where cooling rates vary within the rock body.
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1. What components of the granite do you think formed phenocrysts here?
2. How large are the largest phenocrysts visible here? Are they megaphenocrysts or not?
3. Do all phenocrysts look the same, or can you see differences, and if so, what are they?
4. Please add a photo of yourself or a personal item on site to your log!
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An dieser Hauswand in Edinburgh könnt ihr ein interessantes Gestein sehen. Es handelt sich um einen Granit mit besonders großen Einzelkristallen. Diese werden auch als Phänokristalle bezeichnet. Im ohnehin schon grobkörnigen Granit mit sichtbaren einzelnen Kristallen fallen die Phänokristalle besonders auf. Aber wie entstehen solche großen Einzelkristalle?
Was sind Phänokristalle?
Phänokistalle sind Kristalle von solcher Größe, dass sie mit bloßem Auge als Einsprenglinge im Gestein sichtbar sind. Man findet sie in magmatischen Gesteinen. Ein Phänokristall ist deutlich größer als die Gesteinskörner die ihn in der Gesteinsgrundmasse umgeben. Der Begriff wird nur verwendet, wenn die Kristalle direkt beobachtbar sind, also ab einer Größe über 0,5 bis 1 mm. Kristalle unter diesem Niveau, die aber immer noch größer sind als die Grundmassenkristalle werden als Mikrophänokristalle bezeichnet. Viele Phänokristalle sind aber auch mehrere Zentimeter groß. und werden dann als Megaphänokristalle bezeichnet. Einige Gesteine enthalten sowohl Mikro- als auch Megaphänokristalle.
Geologischer Entstehungsprozess der Phänokristalle
Phänokristalle entstehen in magmatischen Gesteinen, wenn einige Minerale während der Abkühlung des Magmas deutlich früher und langsamer kristallisieren als die restliche Schmelze. Dabei bilden sie auffällig große Kristalle, sogenannte Einsprenglinge, die später in einer meist viel feinkörnigeren oder glasigen Grundmasse eingebettet werden.
Dies geschieht typischerweise in zwei Phasen:
Zuerst kühlt das Magma langsam in der Tiefe ab, wodurch einzelne Minerale genug Zeit haben, große Kristalle zu bilden. Anschließend steigt das halbkristallisierte Magma auf und eruptiert, wodurch der verbleibende Teil sehr schnell abkühlt und eine feinkörnigere Grundmasse entsteht.
Temperatur, Druck und Wassergehalt im Magma beeinflussen dabei, welche Minerale als Phänokristalle wachsen und welche chemische Zusammensetzung sie zeigen. Die Phänokristalle geben durch ihre chemischen Zonierungen wichtige Hinweise auf die Kristallisationsgeschichte und die sich verändernden Bedingungen im Magma während des Aufstiegs.
Die Phänokristalle im Granit
Granit ist eines der ältesten Gesteine der Erdgeschichte. Es ist in der Tiefe der Erdkruste entstanden. Daher bezeichnet man es auch als Tiefengestein und kristallines Massengestein, weil es sich aus einer unregelmäßig körnigen Gesteinsmasse zusammensetzt.Granit besteht aus Feldspat, Quarz und Glimmer.
Normalerweise kristallisiert Granit – als Plutonit – langsam und recht gleichmäßig aus, sodass die meisten Minerale ähnlich groß werden.
Es gibt jedoch spezifische Bedingungen, unter denen einzelne Minerale deutlich größere Kristalle ausbilden können als die übrigen Bestandteile:
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Frühzeitige Kristallisation bestimmter Minerale: Minerale mit einem besonders hohen Schmelzpunkt (z.B. Biotit, Hornblende) kristallisieren als erste aus dem Magma, solange dieses noch teilweise flüssig ist. Diese Minerale haben dadurch länger Zeit zu wachsen als jene, die erst später auskristallisieren.
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Lokal unterschiedliche Kristallisationsbedingungen: Bereiche mit lokal erhöhter Konzentration bestimmter Mineralbestandteile (z.B. Feldspat), lokal unterschiedlicher Wassergehalte oder Schwankungen in Temperatur und Druck können einzelne Kristalle besonders rasch und lange wachsen lassen.
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Chemische und thermische Instabilitäten: Kristalle, die früher gebildet werden, können in bestimmte Zonen der Schmelze gelangen, wo sie weitere Nährstoffe aufnehmen und noch größer werden können.
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Mischung unterschiedlich entwickelter Schmelzen: Durch Magmenmischung (z.B. Einsickern eines neuen Magmapulses) können bereits vorhandene große Kristalle in eine jüngere, noch nicht vollständig kristallisierte Schmelze gelangen, wo sich um die alten Kerne noch zusätzliche Minerale ablagern.
Solche großen Einzelkristalle werden, wenn sie die mittlere Korngröße der Matrix deutlich übertreffen, als Phänokristalle bezeichnet. Das übrige Gestein kann dennoch mittelkörnig aufgebaut sein. Diese Situation findet sich insbesondere an den Rändern großer Plutone, in Übergangszonen zwischen Magmakammer und Gängen oder bei schwankenden Abkühlungsraten innerhalb des Gesteinskörpers.
Genießt euren Besuch in Edinburg. Schaut euch die Fassade vor Ort genau an und beantwortet dann bitte vor dem Loggen folgende Fragen. Gerne könnt ihr die Antworten und Logs in eurer Muttersprache scheiben. Wenn ihr den EC im Team besucht habt, dann reicht es wenn einer die Antworten für das ganze Team schickt. Schreibt dann nur bitte dazu, wer die Antworten geschickt hat und macht bitte jeder ein eigenes Foto.
1. Was glaubt ihr, welche Bestandteile des Granit hier Phänokristalle gebildet haben?
2. Wie groß sind die größten hier sichtbaren Phänokristalle? Handelt es sich demnach um Megaphänokristalle oder nicht?
3. Sehen alle Phänokristalle gleich aus oder erkennt ihr Unterschiede und wenn ja welche?
4. Bitte fügt ein Foto von euch oder einem persönlichen Gegenstand vor Ort eurem Log bei!
Bitte schickt eure Antworten per Email oder über das Nachrichtencenter an mich! Nach dem Absenden der Antworten könnt ihr gleich loggen. Falls etwas nicht in Ordnung ist, melde ich mich. Ihr braucht nicht die Logfreigabe abwarten! Ich wünsche euch viel Spaß bei dieser geologischen Entdeckungsreise!
Quellen:
https://de.wikipedia.org/wiki/Granit
https://de.geologyscience.com/rocks/granite
https://www.steine-und-minerale.de/gesteine/g/granit.html
https://de.geologyscience.com/geology-branches/magmatic-deposits/
https://de.wikipedia.org/wiki/Einsprengling
https://geoetc.com/episode6/