Metamorphose-Typen


 

Allgemeines
Metamorphose-Typen

 


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Metamorphose-Typen lassen sich nach physikalisch-chemischen und/oder geologisch-tektonischen Gesichtspunkten untergliedern. Naturgemäß überschneiden sich diese beiden Klassifikationen.

Verwandte Literatur:

[8 (46)]

 


Metamorphose-Typen

  1. Orogene Regionalmetamorphose
  2. Ozeanbodenmetamorphose (sub sea-floor metamorphism)
  3. Metamorphose im Bereich von kontinentalen Rifts (Versenkungsmetamorphose)
  4. Kontaktmetamorphose
  5. Hydrothermalmetamorphose
  6. Dislokationsmetamorphose
  7. Impaktmetamorphose
  8. Metamorphose durch Erdbeben

1. Orogene Regionalmetamorphose

Wird die ozeanische Platte in die Tiefe subduziert, biegen sich aufgrund der schlechten Wärmeleitung von Gesteinen die Isothermen innerhalb der Platte steil in Richtung tieferer Bereiche. So werden auf die Platte in über hundert Kilometern Tiefe äußerst hohe Drücke ausgeübt, sie selbst ist dabei aber noch wenige hundert Grad (300°C-400°C) kühl. Die Platte unterliegt bei diesen Bedingungen einer Hoch-Druck/Niedrig-Temperatur-Metamorphose (Hochdruck-Metamorphose). Durch einen nachfolgenden, raschen tektonischen Aufstieg – der nachweislich stattfindet, jedoch unverstanden ist – bleibt die Metamorphosemineralogie erhalten. Bei Kontinentalkollisionen mit rascher Krustenverdoppllung ereignet sich ebenfalls eine solche Metamorphose.

Ein zweiter Typ findet in der Unterkruste über Subduktionszonen statt. Das aus der subduzierten Platte durch Entwässerungsreaktionen freiwerdende Wasser triggert im darüberliegenden Mantelkeil basaltische Schmelzbildung. Die daraus entstehenden Magmen steigen nach oben auf und transportieren gleichzeitig Wärme in die Unterkruste. Dort bleiben die Granitoid-Intrusionen (Gabbro bis Granit) aufgrund des Dichtesprungs vielfach hängen und heizen die Unterkruste auf. Als Folge wird der Bereich von einer Niedrig-Druck/Hoch-Temperatur-Metamorphose durchprägt. Es kann lokal durch aus den Intrusionkörpern separierenden Fluidphasen zur Hydrothermalmetamorphosen kommen.

Verwandte Literatur:

[8 (47f)]

s.a. "Hydrothermalmetamorphose"

 


2. Ozeanbodenmetamorphose (sub sea-floor metamorphism)

Im tektonsich hochaktiven Bereich mittelozeanischer Rücken (MOR) entstehen im Zuge der Neubildung ozeanischer Kruste kilometertiefe Spaltensysteme, Risse und Klüfte. In diese dringt Meerwasser ein, das entlang eines geothermischen Gradienten von mehreren hundert Grad pro Kilometer vom noch jungen und heißen Nebengestein erhitzt wird und dabei in eine hydrothermale Lösung übergeht. In dieser hochtemperierten Umgebung kommt es zum Austausch von Elementen zwischen der hydrothermalen Lösung und dem Gestein. Aus der Lösung wechseln hauptsächlich Na und Cl ins Gestein über, aus dem im Gegenzug vorwiegend Fe, Mn, Ni, Ca, Cu, Zn und Si gelöst werden (Spilitisierung). Dabei ereignen sich folgende Mineralreaktionen:

Bis 200°C (Zeolithfazies):
Zeolithneubildung in der Sequenz der Pillowlaven.
Karbonatbildung bis in eine Tiefe von etwa 500m beim Ausströmen des an Elementen angereicherten Wassers aus dem Ozeanboden.

Bis 500°C (Grünschieferfazies):
Spilitisierung (Ca­ /Na¯ -Austausch): Plg + Px + Ol + Gesteinsglas --> Ab + Chl + Ep
                                                                        Basalt                         Grünstein
Diese Umwandlung geschieht hinunter bis in die Tiefe der basaltischen Gänge. Geochemisch typisch sind durch Abreicherung niedrige CaO-Gehalte und Variationen in der Menge der Alkalien in den Gesteinen.

Über 500°C (Amphibolitfazies):
Gelangt das Wasser in diese Tiefen von mehreren Kilometern, bilden sich Amphibolite, welche überwiegend aus Plagioklas und Hornblende bestehen.

Entlang von Transformstörungen oder Abschiebungen kann das Wasser bis zur Peridotitschicht des oberen Mantels vordringen und dort mit Olivin zu Serpentin reagieren. Die dabei gebildeten Serpentinite haben ein sehr viel größeres Volumen und eine geringere Dichte als die Peridotite, weshalb sie entlang der Störungen aufsteigen können.
Durch die Austauschreaktionen kommt es außerdem zu einer Anreicherung von U in der ozeanischen Platte um bis zu 20% gegenüber dem Normalwert, sowie zu einer Abreicherung an Pb.
Die stark erhitzte und in ihrem Chemismus veränderte, hydrothermale Lösung steigt aufgrund ihrer geringen Dichte an anderer Stelle wieder auf und strömt aus dem Meeresgrund. Das so zirkulierende Wasser bildet im Gestein eine dreiviertels Konvektionszelle, bei der das ausströmende Wasser nicht notwendigerweise wieder in den Ozeanboden zurückfließt. Ab etwa 500m unterhalb des Meeresgrundes fällt Ca unter Bildung von Karbonaten aus. An der Austrittsstelle ist die Lösung noch 350°C heiß, jedoch aufgrund des hohen Wasserdrucks in dieser Tiefe flüssig. Beim Eintritt in den Ozeanboden war das Meerwasser leicht alkalisch und oxidierend. Beim Durchgang wird es mehr sauer und reduzierend. Dabei wird das im Meerwasser enthaltenen Sulfat zu Sulfid reduziert. Dieses fällt beim Kontakt mit dem Meerwasser als schwarze, feine Partikel aus und lagert sich konzentrisch um die Austrittsstelle ab. Im Laufe der Zeit schichtet sich dieser Ring zu einem schlanken, bis zu zehn Meter hohen Schlot – einem Schwarzen Raucher - auf.
Das Austreten des erhitzten Meerwassers geschieht in einiger Entfernung zum MOR, wobei ein gewaltiger Wärmetransport von diesem weg geleistet wird. Wärmeflussmessung entlang von MOR zeigen einen dementsprechend geringeren Wärmefluß als durch das aufsteigende Magma in diesem Bereich zu erwartenden. Nach einigen Millionen Jahren kristallisieren die vom Wasser benutzten Wegsamkeiten in der ozeanischen Platte aus, die selbst durch zunehmende Entfernung vom MOR kontinuierlich abkühlt. Diese beiden Vorgänge lassen den Metamorphoseprozess langsam abklingen.
Der Wasserdurchsatz während der Ozeanbodenmetamorphose ist so groß, dass theoretisch innerhalb von fünf bis elf Millionen Jahren das Wasser aller Ozeane daran teilnahm. Der Wärmeentzug trägt mit 20% zum gesamten Wärmeverlust der Erde bei.
Bohrkerne aus der ozeanischen Platte sind zu etwa 15% hydrothermalmetamorph überprägt. Das ist ein zu beachtender Wert bei der Betrachtung von Subduktions-Vulkanismus.
Die Ozeanbodenmetamorphose ist ein wichtiger Prozess zur Lagerstättenbildung. Es entstehen Anreicherungen von Eisen- und Buntmetall-Sulfiden. Ein Beispiel ist der Troodos-Ophiolith auf Zypern, mit 13 bekannten Sulfid-Lagerstätten, welche zwischen 0,5 und 15 Millionen Tonnen Erz enthalten.
Die Ozeanbodenmetamorphose unterscheidet sich in nichts von jeder anderen Hydrothermal-Metamorphose, die durch konvektierendes Wasser in für gewöhnlich mit der Tiefe zunehmend heißer werdendem Gestein gekennzeichnet ist (aktive kontinentale Rifts, magmatische Gürtel, oberhalb von Subduktions- und Kollisionszonen, Intrusionskörper).

s.a. "Hydrothermalmetamorphose"

Verwandte Literatur:

[2 (122ff)]
[9 (75ff)]
[8 (49)]

 


3. Metamorphose im Bereich kontinentaler Rifts - "Versenkungsmetamorphose"

Kontinentaler Rifts sind immer mit einer Ausdünnung der Lithosphäre und einer Verlagerung der Asthenosphärenobergrenze, in Form einer Aufwölbung, in seichtere Bereiche verbunden. Vom Zentrum einer solchen Aufwölbung weg entsteht so ein lateral hoher thermischer Gradient. In der Tiefenlage der Moho-Diskontinuität erhöht sich die Temperatur um bis zu 400°C von 500°C auf 900°C. Zusätzliche Wärmelieferanten sind diejenigen basaltoiden Magmen, welche die Moho wegen des Dichtesprungs nicht durchdringen können und stecken bleiben, dabei abkühlen, auskristallisieren und während dieses Prozesses Wärme abgeben (underplating). Magmen die in seichtere Bereiche aufsteigen können dort Magmenkammern bilden, in denen es zu Differentationsprozessen kommt. Aus beiden Magmenbereichen separieren sich Fluidphasen (H2O und CO2), welche das umgebende Gestein hydrothermal überprägen. Im Bereich der Unterkruste kommt es zur Granulitbildung und auch die Peridotite des oberen Mantels können überprägt werden.
Fossile Riftfüllungen zeigen z.T. eine schwachgradige Metamorphose, bevorzugt entlang von Wegsamkeiten. Hingegen ergibt sich zum Liegenden nur in Ausnahmen ein ansteigender Metamorphosegrad.
Früher wurde dieser Metamorphose- Typ "Versenkungsmetamorphose" genannt. Es ist aber sinnvoller von einer thermisch gesteuerten Hydrothermal-Metamorphose zu sprechen.

s.a. "Hydrothermalmetamorphose"

Verwandte Literatur:

[8 (49f)]

 


4. Kontaktmetamorphose

Kontaktmetamorphe Prozesse ereignen sich auf zweierlei Art rund um einen Intrusionskörper. Zum einen durch Wärmeabgabe von diesem und zum andern durch Separation einer Fluidphase aus diesem oder dem Nebengestein. Die vom Intrusionskörper abgegebene Wärme wird konduktiv in das Nebengestein überführt. Dabei bildet sich ein vom Pluton nach außen abnehmender Temperaturgradient. Die Abkühlung kann über Millionen von Jahren gehen und der kontaktmetamorphe Hof mehrere Kilometer durchmessen. Während dieser Zeit läuft eine niedrig-Druck/hoch-Temperatur-Metamorphose mit abnehmendem Metamorphosegrad vom Pluton weg ab. Dabei bildet sich einen kontaktmetamoprhe Aureole, in der konzentrisch um den Pluton Metamorphosezonen auskartiert werden können. Ist das Nebengestein ein Pelit, bilden sich als metamorphe Gesteinsprodukte Hornfels, Knotenschiefer (mit Andalusit und/oder Cordierit als Porphyroblasten) sowie Fleckenschiefer.
In Folge der Separation einer Fluidphase (oder Wasser-Austreibung aus dem Nebengestein --> Skarnbildung) kann es zu hydrothermalen Überprägungen im Nebengestein des Intrusionskörpers kommen.

s.a. "Hydrothermalmetamorphose"

Verwandte Literatur:

[8 (50f, 75ff)]

 


5. Hydrothermalmetamorphose

Eine Hydrothermalmetamorphose findet in vielen verschiedenen geologischen Umfeldern statt. Ganz allgemein dort wo sich Magmenkörper befinden oder Dehnungstektoniken ablaufen, also ein hoher thermischer Gradient vorhanden ist; speziell entlang Mittelozeanischer Rücken (Ozeanbodenmetamorphose), rund um Intrusionskörper (Kontaktmetamorphose) und in kontinentalen Rifts ("Versenkungsmetamorphose") sowie in magmatischen Gürteln oberhalb von Subduktions- oder Kollisionszonen (Regionalmetamorphose).
Bei der Hydrothermalmetamorphose wandern oder zirkulieren heiße Fluide und wechselwirken dabei mit dem Nebengestein, indem diesem Elemente zugeführt oder ausgelöst werden. Außerdem findet über eine Fluidphase ein effektiver Wärmetransport statt. Dieser Typ Metamorphose kann über wenige Meter bis hundert Meter ablaufen (Kontaktmetamorphose) oder aber über mehrere Kilometer (Ozeanbodenmetamorphose). Es sind im Extremfall, abhängig von der Fluidwegsamkeit, Temperaturgradienten von mehreren hundert Grad auf nur wenigen Metern und gar Zentimetern möglich.

Verwandte Literatur:

[8 (52f)]

 


6. Dislokationsmetamorphose

Die Dislokationsmetamorphose findet entlang von Zonen statt, die sich in einer Relativbewegung gegeneinander befinden. Solche sind z.B. Transformstörungen, Ab- bzw. Aufschiebungen oder jegliche andere Bewegungszone. Diese Metamorphose ist demzufolge auf einen schmalen, flächigen Korridor begrenzt, der selbst aber eine große Ausdehnung haben kann. Verläuft die Metamorphose bei hohen Temperatur duktil, d.h. verformt sich das Gestein plastisch, bilden sich sogenannte Mylonite. Vollzieht sich der Vorgang dagegen bei geringeren Temperaturen verläuft er spröd, das Gestein zerbricht und es entstehen Kataklasite (tektonische Brekzie). Dieser zweite Fall gehört streng genommen zu dieser Art der Metamorphose, im Allgemeinen versteht man darunter jedoch die Mylonitbildung.
Während einer solchen Relativbewegung werden kurzzeitig und partiell (cm-Bereich) sehr hohe Temperaturen in der Dislokationszone erreicht, welche zu Mineralneubildungen führen können.

Verwandte Literatur:

[8 (53)]

 


7. Impaktmetamorphose

Beim Einschlag eines Meteoriten in die Erdoberfläche kann die gewaltige, kinetische Energie kurzzeitig Drücke bis zu 100GPa und Temperaturen bis 500°C im penetrierten Gestein erzeugen. Teilweise schmilzt das Gestein dabei auf und die glutheißen Schmelztropfen werden in der gigantischen Explosion über hunderte Kilometer weit ausgeschleudert. Dabei erhalten diese zu Glas erstarrenden (Impaktglas, Tektite) eine Tropfenform und sind an der Oberfläche durch daran angreifende, kleine Luftverwirbelungen karrengleich gerippt. Im Gestein bilden sich Hochdruckmodifikationen der Minerale wie z.B. Stishovit und Coesit, es bilden sich Druckzwillinge und Knickbänder (kink bands).

Verwandte Literatur:

[8 (53)]

 


8. Metamorphose durch Erdbeben

Bei Erdbeben kommt es zur Entstehung von Pseudotachylit.

 


Stand: 07. August 1999