Die Metamorphose: Prozesse, Faktoren und Gesteinstypen

Grundlagen der Metamorphose

Wir gehen von einem Gebiet aus, in dem Sedimente im Laufe der Zeit allmählich absinken (Diagenese) und sich in Sedimentgestein verwandeln. Durch steigenden Druck und höhere Temperaturen schmilzt das Gestein bei weiterem Absinken und erzeugt Magmatismus.

Es handelt sich um einen endogenen Prozess (im Inneren), der unabhängig von der geografischen Lage ist, da er an allen Standorten gleichermaßen auftritt.

Definition und Merkmale

Die Metamorphose ist ein endogener geologischer Prozess, durch den Gesteine eine Reihe von Transformationen (mineralogisch oder in der Textur-Struktur) unterliegen, wobei Druck und Temperatur vom ursprünglichen Zustand abweichen (höher sind).

Metamorphe Prozesse finden im festen Zustand statt (sobald die Schmelze beginnt, setzt der Magmatismus ein).

Ein isochemischer Prozess bedeutet, dass keine Veränderung der allgemeinen chemischen Zusammensetzung zwischen Beginn und Ende stattfindet. Wenn eine kleine Abweichung in der Zusammensetzung durch Flüssigkeiten auftritt, nennt man diesen Prozess Metasomatose (identisch mit der Metamorphose, aber nicht isochemisch).

Die Agenten der Metamorphose

Die Agenten der Metamorphose sind: Druck, Temperatur und zirkulierende, chemisch aktive Flüssigkeiten.

Während der Metamorphose bilden Mineralien stabile Phasen, die als Indikatoren für die neuen Temperatur- und Druckbedingungen dienen. Die Umstellung auf diese Mineralien kann durch polymorphe Veränderungen oder Reaktionen zwischen Mineralien erfolgen.

• Stabile Restmineralien: Diese bleiben unter den neuen Bedingungen von Druck und Temperatur stabil (wie vor der Metamorphose).
• Metastabile Restmineralien: Diese stammen von vor der Metamorphose und sind unter den neuen Bedingungen eigentlich nicht stabil, wurden aber aufgrund einer langsamen Reaktionsgeschwindigkeit noch nicht verändert.

Metamorphe Gesteine erwerben eine Textur, die sie von anderen unterscheidet.

Einfluss von Temperatur und Druck

Temperatureinfluss

Die Temperatur steigt mit der Tiefe; dies nennt man den geothermischen Gradienten (bis zu 30 km). Orte mit hohen geothermischen Gradienten sind die Mittelozeanischen Rücken (Dorsale) sowie Bereiche unter Subduktionszonen.

Zudem kann sich die Temperatur in der Nähe einer magmatischen Intrusion oder durch Reibung an Verwerfungen erhöhen. Einige Mineralien vergrößern durch Temperaturerhöhung ihr Volumen, andere stoßen flüchtige Stoffe (CO2 oder H2O) aus. Mineralien werden oft aus endothermen Reaktionen gebildet. Eine höhere Temperatur erhöht die Reaktionsgeschwindigkeit erheblich.

Auswirkungen von Druck

Der Druck steigt mit der Tiefe. Der begrenzende Druck ist die Summe aus dem lithostatischen Druck (Last der darüberliegenden Materialien) plus dem Druck der Flüssigkeiten in Poren und Gesteinen (in der Regel Wasser und Öl).

Der Druck wird in kbar (Kilobar) gemessen (1 bar ≈ 1 Atmosphäre). Damit eine Metamorphose beginnt, müssen in der Regel 2 kbar erreicht werden. Es gibt eine weitere Art von Druck: den gerichteten Druck, der durch tektonische Kräfte in eine bestimmte Richtung erzeugt wird.

Effekte des lithostatischen Drucks

• Entwässerung von Mineralien: Verlust von Wasser aus der Mineralstruktur.
• Umkristallisation: Auflösung in Bereichen niedrigeren Drucks und Kristallisation in Gebieten mit dem größten Druck.
• Bildung dichterer Materialien.

Effekte des gerichteten Drucks

• Die Mineralien orientieren sich senkrecht zur Zugrichtung. Es entstehen Spaltflächen, Schiefer und Tonschiefer (bei letzteren werden die Schichtflächen gelöscht).
• Umkristallisation tritt auf.
• Es findet eine Bildung dichter Mineralien statt, die jedoch orientiert sind.

Physikalische Chemie der Prozesse

Ein Phasendiagramm zeigt die Stabilitätsbereiche (Druck und Temperatur) für verschiedene Mineralphasen. Mineralien bilden in bestimmten Temperatur- und Drucksituationen stabile Phasen. In einem Phasendiagramm kann der Übergang von einem zum anderen Mineral zweierlei Art sein:

1. Durch polymorphe Umwandlung.
2. Durch die Reaktion zweier Mineralien.

Mineralien, die sehr empfindlich auf Temperaturänderungen reagieren, werden als geologische Thermometer bezeichnet. Mineralien, die sensibel auf Druckänderungen reagieren, nennt man geologische Barometer.

Die Mineralparagenese ist die Vereinigung mehrerer stabiler Mineralphasen im gleichen Druck- und Temperaturbereich. Mit diesem Wissen lassen sich die Bedingungen bestimmen, unter denen ein Gestein entstanden ist. Mit zunehmender Metamorphose steigt die Korngröße der gebildeten Mineralien:

Tonschiefer → Schiefer → Gneis

Die Blastese ist der Prozess des Wachstums und der Bildung von Kristallen.

Arten der Metamorphose

Es gibt zwei grundlegende Richtungen:

• A - Progressiv: Die Metamorphose nimmt an Intensität zu.
• B - Retrometamorphose: Anpassung an niedrigere Bedingungen, wenn Druck und Temperatur sinken.

Spezifische Metamorphosetypen

Zur Klassifizierung können Unterschiede in Druck und Temperatur herangezogen werden:

Dynamische Metamorphose

Diese tritt in flachen Bereichen der Erdkruste auf und ist im Wesentlichen mechanisch. Sie wird durch Zerkleinerung und Erhitzung des Gesteins entlang von Störungsebenen erzeugt, an denen relative Bewegungen zwischen Blöcken stattfinden. Der Mahlvorgang wird Kataklase oder Brekziierung genannt. Die entstehenden Gesteine sind Störungsbrekzien. Wenn das Gestein sehr stark zerkleinert wird (wie Mehl), entsteht Mylonit. Hier dominiert der Druck.

Versenkungsmetamorphose

Verursacht durch den Druck der darüberliegenden Gesteine auf tief begrabenes Material. Der Druck ist nicht extrem hoch, aber ausreichend, um Mineralien neu auszurichten und das Wachstum von plattigen Mineralien oder Marmor zu fördern. Diese Gesteine weisen eine Last-Schieferung auf.

Kontaktmetamorphose

Verursacht durch aufsteigende Plutone, welche die umgebenden Gesteine erhitzen. Dieser Temperaturanstieg ist umso nachhaltiger, je größer der Pluton ist. Rund um den Pluton bildet sich ein metamorpher Kontakthof (Aureole), der meist aus Hornfels (Cornubianit) besteht. Es werden metamorphe Zonen unterschieden, die durch Indexmineralien gekennzeichnet sind:

Biotit → Chlorit → Andalusit → Sillimanit (Zunahme der Temperatur)

Hier dominiert die Temperatur (thermische Metamorphose).

Regionale Metamorphose

Diese umfasst mehrere Subtypen durch die kombinierte Einwirkung von Druck und Temperatur:

• Hoher Druck und niedrige Temperatur: Tritt in Subduktionszonen auf. Material zwischen den Platten bildet eine Mischung namens "Melange". Es entstehen Blauschiefer (mit blauem Glaukophan). Die Temperatur ist niedrig, da die ozeanische Kruste kühl ist.
• Hohe Temperatur und niedriger bis mittlerer Druck: Tritt oberhalb der Benioff-Zone als Folge magmatischer Prozesse auf. Indexmineralien und Zonen erscheinen ähnlich wie bei der Kontaktmetamorphose, aber in größeren Regionen.
• Extreme Druck- und Temperaturbedingungen: Können zur teilweisen oder vollständigen Schmelze führen (Anatexis). Bei partieller Schmelze entsteht ein gebändertes Gestein, in dem man metamorphe und magmatische Teile unterscheiden kann: der Migmatit.

Zonen, Isograden und Fazies

Wichtige Indexmineralien sind:

• C = Chlorit
• B = Biotit
• A = Almandin (Granat)
• E = Staurolith
• D = Disthen
• S = Sillimanit

Zone: Regionen, in denen Gesteine ein bestimmtes Indexmineral enthalten, das den erreichten Metamorphosegrad anzeigt.

Isograd: Trennlinien zwischen aufeinanderfolgenden Zonen, die Bereiche mit gleichem Metamorphosegrad repräsentieren.

Da verschiedene Ausgangsgesteine (Kalkstein, Basalt) bei gleichen Bedingungen unterschiedliche Mineralien bilden, nutzt man das Konzept der Fazies.

Fazies: Eine Gruppe von Mineralparagenesen, die unter bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen aus einer spezifischen chemischen Zusammensetzung entstehen. Heute spricht man oft vereinfacht vom Metamorphosegrad: sehr niedrig, niedrig, mittel und hoch.

Zusammenhang mit der Plattentektonik

• Konstruktive Grenzen: Niedriger Druck und hohe Temperatur. Regionale Metamorphose über große Flächen. Umwandlung basischer Gesteine (Basalt, Gabbro) in Serpentinit (Serpentinisierung).
• Destruktive Grenzen: Hoher Druck in der subduzierten Platte bei niedrigen Temperaturen (Bildung von Blauschiefer). An der Oberseite der Benioff-Zone herrscht Hochtemperatur-Metamorphose durch aufsteigende Magmen. In Japan finden sich oft parallele Gürtel von Hochdruck- und Hochtemperatur-Metamorphose.
• Kollisionszonen: Bei Gebirgsbildungen (Himalaya) dominiert dynamische Metamorphose durch hohen Druck, teils kombiniert mit Kontaktmetamorphose.
• Konservative Grenzen (Transformstörungen): Dynamische oder kataklastische Metamorphose. Kontaktmetamorphose möglich, falls Magma austritt.
• Inneres der Platten: Kontaktmetamorphose durch Intrusionen in der Kruste (ca. 10 km). In großer Tiefe (50–60 km) entstehen durch hohen Druck und Temperatur Granulite und Eklogite. Auch Versenkungsmetamorphose durch mächtige Sedimentstapel ist möglich.