Baumaterial der Erde Die Metamorphite

Metamorphose heißt Änderung: reich an Quarz, Tonmineralen Wie wird z.B. aus einem klastischen Sediment ... reich an Glimmer Granat, etc. Ein defomierter Schiefer? BME332(06) BME800(07)

Metamorphose heißt Änderung: Es ist die Anpassung vom Gefüge des Gesteins und von der Mineralvergesellschaftung (= Mineralparagenese) an die sich stetig ändernden Bedingungen, die ein Gestein in der Tiefe erfährt.

Wichtige Erläuterungen: Bei der Metamorphose wird ein Gestein metamorph überprägt, es wird metamorphosiert (NICHT metamorphisiert!!!) Die englische Übersetzung von Metamorphose ist metamorphism und nicht metamorphosis (letzteres widerfährt Schmetterlingen und nicht Gesteinen!!!)

Metamorphose heißt Änderung: Was sind die Ursachen der Metamorphose? Die Änderungen im Gestein kann man vereinfacht und in erster Linie auf Änderungen des Drucks (= Tiefe), der Temperatur und auf die Deformation zurückführen, die das Gestein bei seiner "Reise" erlebt. Druck und Temperatur sind logischerweise in der Tiefe der Erde gekoppelt ... Geotherme!

Bei unserer Besprechung der Magmatite sind wir zunächst vereinfacht von einem typischen Geotherm in der Erde ausgegangen. Das würde ja bedeuten, dass die P-T-Bedingungen immer -- streng gekoppelt -- sich nur entlang der gestrichelten Linie ändern könnten.

Allerdings war uns schon klar, dass z. B Allerdings war uns schon klar, dass z.B. der adiabatische Aufstieg an den M.O.R dort örtlich diesen "typischen" Geotherm beeinflussen muß! abweichender P-T-Gradient direkt unter einem M.O.R. Solidus des Erdmantels

So verwundert es nicht, dass in Gebieten mit hohem Wärmefluß der Geotherm zu höheren Temperaturen hin verschoben werden kann (d.h., bei gleicher Tiefe ist die Temperatur höher). BME805(07)

Es gibt auch Subduktionszonen Es gibt auch Subduktionszonen. Hier wird "kaltes" Material in die Tiefe in den wärmeren Mantel verfrachtet.

200oC 500oC 800oC 1000oC Abtauchende kalte Platte zieht die Isothermen in die Tiefe 1200oC Bei gleicher Tiefe wird der Geotherm zu niedrigeren Temperaturen verschoben .

>>>>>>>>> Plattengrenzen! >>>> Wo in der Erdkruste und im oberen Erdmantel wird viel Energie umgesetzt, um Gesteine metamorph überprägen zu können? >>>>>>>>> Plattengrenzen! >>>> 11

- basic plate boundaries -Kontinent-Kontinent Kollision Hier die Animationen - basic plate boundaries -Kontinent-Kontinent Kollision 12

Die großräumige Regionalmetamorphose Großräumige Kollisionen von Platten führen zu großräumiger Metamorphose der betroffenen Gesteine: Die großräumige Regionalmetamorphose 13

Himalaya, Sikkim, India Height of Plateau ~ 5000 m

P, GPa

P, GPa

P, GPa

P, GPa

P, GPa

P, GPa

P, GPa

P, GPa

P, GPa

P, GPa

P, GPa

TISTA S

Higher Himalayan Crystallines Gneis Lesser Himalayan Rocks Schiefer

zum Beispiel, die Appalachen und Kaledoniden: Die Bildung von Pangaea führte zu vielen Kontinent-Kontinent-Kollisionen und dementsprechend Zonen der Regionalmetamorphose. zum Beispiel, die Appalachen und Kaledoniden: 28

29

Die Regionalmetamorphose Schon vor ca. 100 Jahren hatte BARROW in Schottland erkannt, dass die Regionalmetamorphose durch das systematische Auftreten bestimmter Indexminerale in Metasedimenten beschrieben werden kann. Diese entwickeln sich im Einklang mit dem Gefüge.... 30

Die Barrow-Zonenabfolge für Metasedimente 31

Schieferton (noch Sediment!) Mit zunehmendem Metamorphosegrad kann eine typische Abfolge beobachtet werden. Tonschiefer, Dachschiefer Im Gefüge dieser Metasedimente steckt schon das recht einfache Grundprinzip der Nomenklatur von metamorphen Gesteinen. Phyllit Glimmer-schiefer Gneis BME845(07) 32

(aufsteigender Metamorphosegrad) Staurolith-Isograde Disthen/Kyanit-Isograde Chlorit-Isograde Biotit-Isograde Sillimanit-Isogr. Granat-Isogr. Tonschiefer Glimmerschiefer Gneis Phyllit Chlorit-Zone Sillimanit-Zone Biotit-Zone Granat-Zone Staurolith-Zone Disthen/Kyanit-Zone Die Barrow-Zonen (aufsteigender Metamorphosegrad) c. 200°C c. 400°C c. 500°C c. 550°C c. 600°C c. 650°C 33

Damit wird ein breiter Druck-Temperatur-Bereich für die Metamorphose zugänglich: Kurve (4) entspricht ungefähr unserem "typischen, unbeeinflußten" Geotherm. (1)-(3): Mobile Zonen der Erde mit erhöhtem Wärmefluß. (5): Subduktionszonen.

Damit wird klar, dass ein genaues Studium der Metamorphosebedingungen von metamorph überprägten Gesteinen Aussagen über die früheren tektonischen Umgebungen liefern kann! (Eine Diskussion der farbig gekennzeichneten Bereiche in der Graphik heben wir uns für später auf!)

Auch wenn wir Druck (Tiefe), Temperatur und Deformation als die wichtigsten Parameter bei der Metamorphose betrachten, dürfen wir die Rolle von heißen wässrigen Lösungen nicht vergessen. Frage: Bleibt denn die Zusammensetzung eines Gesteins bei der Metamorphose konstant?

Wenn ja, dann sagen wir, dass die Metamorphose isochem verläuft. In vielen Fällen können wir tatsächlich eine isocheme Metamorphose voraussetzen (was die Analyse sehr erleichtert!) Dennoch kann es vorkommen, dass heiße wässrige Fluide das Gestein durchströmen und durch ihr hohes Lösungsvermögen erhebliche Verschiebungen in der Gesteinszusammensetzung hervorrufen. Wir sprechen dann von einer begleitenden Metasomatose.

basische Magmatite, vorwiegend Basalte Ist die Metamorphose isochem, dann können wir auch davon ausgehen, dass die meisten Metamorphite die Zusammensetzungen der häufigsten Sedimente und Magmatite widerspiegeln sollten: klastische Sedimentgesteine (Pelit, Sandstein, Silt) Karbonatgesteine basische Magmatite, vorwiegend Basalte saure Magmatite (aber wenig aufschlußreich, da „artenarm“ an auftretenden Mineraltypen)

Auch den Begriff der Deformation wollen wir hier etwas näher erläutern, denn es handelt sich im Detail um sehr komplizierte Vorgänge (s. spätere Vorlesungen und Übungen in der Tektonik). Wir hatten am Anfang des Semesters festgestellt, dass der Druck der Metamorphose in erster Näherung mit dem Überlagerungsdruck der aufliegenden Gesteinssäule (=Tiefe) gleichgesetzt werden kann (lithostatisch). Diese Vereinfachung ist für die Betrachtung der relativen thermodynamischen Stabilitäten von Mineralparagenesen durchaus realistisch, kann aber das vielfältige Gefüge von Metamorphiten nicht erklären.

Zur Erklärung des Gefüges brauchen wir den Begriff des gerichteten Drucks, d.h. der Druck ist nicht in allen Richtungen identisch (auch wenn die tatsächlichen Unterschiede sehr gering sein können). BME815(07)

Die drei Hauptvarianten der Verformung Dehnung, Kompression, Scherung: BME820(07) BME821(07)

BME825(07) Durch diese komplexen Vorgänge entsteht das typisch gerichtete Gefüge der Metamorphite, die Schieferung: BME830(07)

Temperatur 2 5 4 1 Druck 3 Deformation Metasomatose 1) Regionalmetamorphose inkl. Hochdruck-/Subduktionszonen-Metamorphose 2) Kontaktmetamorphose 3) Ozeanbodenmetamorphose 2 5 4) Dynamometamorphose 4 5) Versenkungsmetamorphose 1 3 Metasomatose 44

Obwohl die Mineralparagenese (-vergesellschaftung) meist die vom Gestein erfahrenen Druck- und Temperaturbedingungen am besten widerspiegelt, so ist das Deformationsgefüge doch ganz besonders augenfällig. Die aufsteigende Intensität der Metamorphose kann man sehr gut in einer Abfolge von metamorphosierten klastischen Sedimenten verfolgen ===>

Schieferton (noch Sediment!) Mit zunehmendem Metamorphosegrad kann eine typische Abfolge beobachtet werden. Tonschiefer, Dachschiefer Im Gefüge dieser Metasedimente steckt schon das recht einfache Grundprinzip der Nomenklatur von metamorphen Gesteinen. Phyllit Glimmer-schiefer Gneis BME845(07)

(Einregelung von gut spaltenden Glimmern!) Auffallend bei den Metasedimenten ist die Tendenz, entlang einer (oder auch mehreren) Schieferung zu spalten (wichtig als Baumaterial !). Warum? (Einregelung von gut spaltenden Glimmern!)

Die Bildung von Schieferton (noch kein Metamorphit!): = rein mechanische Einregelung der Tonmineralplättchen

Die Bildung von Tonschiefer (jetzt ein Metamorphit!): BME841(07) BME840(07) Wachstum von eingeregeltenHellglimmern

Dachschiefer (engl. Slate):

(Seidenglanz !!!) Phyllit:

Glimmerschiefer:

Gneis:

teilaufgeschmolzener Gneis (Anatexit, Migmatit):

Die Fazies-Abfolge für Metabasalte nach ESKOLA: Kurve 3 ≈ Barrow-Zonenabfolge für Metasedimente 55

Bei anderen Ausgangsgesteinen entstehen andere typische Metamorphite: Kalkstein wird zu Marmor:

Bei anderen Ausgangsgesteinen entstehen andere typische Metamorphite: Reifer, reiner Sandstein wird zu Quarzit: ehemaliges Konglomerat

Auch die metamorph überprägten Basalte werden zu typischen, gut erkennbaren „Metabasalten“ : Grünschiefer (entspricht dem Phyllit im Metamorphosegrad): … warum grün? Bestehen aus - grünem Aktinolith - grünem Epidot - grünem Chlorit - aber NICHT Olivin

Auch die metamorph überprägten Basalte werden zu typischen, gut erkennbaren Gesteinen: Amphibolit (entspricht Glimmerschiefer bzw. Gneis im Metamorphosegrad): Amphibol ist hier schwarz, also eine Hornblende!!

Auch die metamorph überprägten Basalte werden zu typischen, gut erkennbaren Gesteinen: … die für Subduktionszonen typischen Metabasalte: Blauschiefer, weil Amphibole blau! Eklogit (gr. „der Auserwählte“)

Bereits das Erkennen von Grünschiefer, Amphibolit, Blauschiefer, Eklogit bietet Hinweise auf Druck und Temperatur der Metamorphose! Definition Fazies: BME810(07) 61

Wie „hoch“ geht die Regionalmetamorphose? Ultrahochtemperatur-Metamorphose: bis 1100°C Ultrahochdruck-Metamorphose: bis 60 kbar 62

THE END 63

Auch bei grobkörnigem Ausgangsgestein -- wie z. B Auch bei grobkörnigem Ausgangsgestein -- wie z.B. einem heterogenen Plutonit -- führt die zunehmende Metamorphose i.d.R zu einem geschieferten und gebändert aussehendem Gefüge. BME850(07)

Die Impaktmetamorphose

Klassischerweise sprechen wir von der endogenen Metamorphose, d. h Klassischerweise sprechen wir von der endogenen Metamorphose, d.h. die die innerhalb der Erde abläuft. Es gibt aber auch einen wichtigen Forschungszweig, der sich mit der sog. Schockwellen bzw. Impaktmetamorphose beschäftigt. Dabei geht es um die Prozesse während eines Meteoriteneinschlags. Während die endogene Metamorphose über Tausende bis Millionen Jahre andauert, geht es hier um Sekunden bis höchstens Stunden!

0.5 Sekunden! Schockwellen 1.5 Stunden! Schallwellen BME900(07)

z.B. Nördlinger Ries (25 km Ø, 600m tief: 0.5-1 km Ø Meteorit Die Nachweisbarkeit: - Kataklase (Zerbrechen) (Zone 0-III) -Shatter cones (Strahlenkegel) (dto) - plastische Verformung typisch nur für Stoßwellen (10-15% des Gesteins) (Zone I-III) - Phasenumwandlung (diaplektische Gläser, Coesit/Stishovit, Diamant, etc.: Zone I-III) - Aufschmelzung und Verdampfung von 1-5% des Gesteins (Zone IV-V) (einige 10.000°C; Tektite!!!) BME901(07)

Ein shatter cone (Strahlenkegel) BME905(07)

Die Nachweisbarkeit: - Kataklase (Zerbrechen) (Zone 0-III) -Shatter Cones (Strahlenkegel) (dto) - plastische Verformung typisch nur für Stoßwellen (10-15% des Gesteins) (Zone I-III) - Phasenumwandlung (diaplektische Gläser, Coesit/Stishovit, Diamant, etc.: Zone I-III) - Aufschmelzung und Verdampfung von 1-5% des Gesteins (Zone IV-V) (einige 10.000°C; Tektite!!!) BME901(07)

Planar Deformation Features (PDFs) in Quarz Planar Deformation Features (PDFs) in Quarz. Bildung nur bei Deformation durch Stoßwellen möglich.

Die Nachweisbarkeit: - Kataklase (Zerbrechen) (Zone 0-III) -Shatter cones - plastische Verformung typisch nur für Stoßwellen (10-15% des Gesteins) (Zone I-III) - Phasenumwandlung (diaplektische Gläser, Coesit/Stishovit, Diamant, etc.: Zone I-III) - Aufschmelzung und Verdampfung von 1-5% des Gesteins (Zone IV-V) (einige 10.000°C; Tektite!!!) BME901(07)

Diaplektisches Glas mit Coesit (die Hochdruckmodifikation von Quarz) BME907(07)

Die Nachweisbarkeit: - Kataklase (Zerbrechen) (Zone 0-III) -Shatter cones (20-100 kbar Stoßwelle) - plastische Verformung typisch nur für Stoßwellen (10-15% des Gesteins) (Zone I-III) - Phasenumwandlung (diaplektische Gläser, Coesit/Stishovit, Diamant, etc.: Zone I-III) - Aufschmelzung und Verdampfung von 1-5% des Gesteins (Zone IV-V) (einige 10.000°C; Tektite!!!) BME901(07)

Aufgeschmolzenes Gestein (Farm Otavi, Vredefort Dom, RSA): Abgerundete Gesteinsblöcke schwimmen in ehemaliger Impaktschmelze. 1 Meter

Die klassische Endogene Metamorphose

(hier die Animation „foliation“) Die steuernden Parameter für die Regionalmetamorphose sind ganz offensichtlich Druck, Temperatur und – natürlich -- Deformation (damit die typische Schieferung entstehen kann) (hier die Animation „foliation“)

Temperatur 1 Druck Deformation 1) Regionalmetamorphose (inkl. Hochdruck-/Subduktionszonen-Metamorphose) 1

Die Kontaktmetamorphose

81

Knotenschiefer Hornfels

bei Eschwege/Kassel

(hier die Animation „vocanic neck“)

bei Eschwege/Kassel

Typischer Buntsandstein ohne Kontakteinwirkung Gebleichte Kontaktzone mit Hornfels und sogar Buchit (verglaster Sandstein) Typischer Buntsandstein ohne Kontakteinwirkung © E. Hock

Buchite

Temperatur 2 1 Druck Deformation Metasomatose 1) Regionalmetamorphose inkl. Hochdruck-/Subduktionszonen-Metamorphose 2) Kontaktmetamorphose 2 1 Metasomatose

Die Ozeanbodenmetamorphose (hier die Animation „formation of oceanic crust)

Austritt 1-5 Meter pro Sekunde Wachstum 30 cm/Tag

Schlotwand aus Anhydrit mit Sulfiderz

... Und hier findet die Ozeanbodenmetamorphose statt!

Aus den Basalten entsteht ein Gestein mit dem Gefüge eines Vulkanits, aber der Mineralogie eines niedrig-gradigen Metamorphits (Zeolithe, Chlorit, Epidot, Aktinolith) >>> Spilit 98

Temperatur Druck Deformation 2 1 3 Metasomatose 1) Regionalmetamorphose inkl. Hochdruck-/Subduktionszonen-Metamorphose 2) Kontaktmetamorphose 3) Ozeanbodenmetamorphose 2 1 3 Metasomatose

Die Dynamo-metamorphose

Die Dynamometamorphose ... führt zu typischen Gesteinen wie Mylonit (Mahlstein) 101

Temperatur 2 4 1 Druck 3 Deformation Metasomatose 1) Regionalmetamorphose inkl. Hochdruck-/Subduktionszonen-Metamorphose 2) Kontaktmetamorphose 3) Ozeanbodenmetamorphose 2 4) Dynamometamorphose 4 1 3 Metasomatose

Die Versenkungsmetamorphose

Die Versenkungsmetamorphose: Die einzige Metamorphoseart, die – statisch und passiv – hauptsächlich im Platteninneren und weg von aktiven Plattengrenzen stattfindet Mississippi Delta 104

Temperatur 2 5 4 1 Druck 3 Deformation Metasomatose 1) Regionalmetamorphose inkl. Hochdruck-/Subduktionszonen-Metamorphose 2) Kontaktmetamorphose 3) Ozeanbodenmetamorphose 2 5 4) Dynamometamorphose 4 5) Versenkungsmetamorphose 1 3 Metasomatose

THE END