Metamorphose (Geologie)
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Die Gesteinsmetamorphose (griechisch μεταμόρφωση - die Verwandlung, Umgestaltung) ist die Umwandlung der mineralogischen Zusammensetzung eines Gesteins durch geänderte Temperatur- und/oder Druckbedingungen. Dabei entsteht ein metamorphes Gestein (Metamorphit).
Bei der Metamorphose kommt es unter den veränderten physikalischen Bedingungen zu Mineralreaktionen, d.h. zur Neu- oder Umbildung von Mineralen, wobei das Gestein im festen Zustand verbleibt. Schmilzt ein Gestein durch eine Erhöhung der Temperatur auf, so spricht man von Anatexis.
Eine Abgrenzung der Gesteinsmetamorphose von der Diagenese, den Prozessen, die zur Bildung von Sedimentgesteinen aus Sedimenten führen, kann nicht exakt gezogen werden, da es auch bei der Diagenese zu Mineralneu- und umbildungen kommen kann. Es gibt verschiedene Definitionen, nach denen von einer Metamorphose zu sprechen ist, wenn bestimmte Minerale auftreten oder nicht mehr vorhanden sind bzw. bestimmte Druck- und Temperaturgrenzen überschritten wurden.
Bei der Metamorphose bleibt oft der Elementbestand des Gesteins unverändert, man spricht dann von isochemischer Metamorphose. Da an einer Metamorphose immer auch fluide Phasen beteiligt sein können, ist diese Bedingung selten streng erfüllt. Wenn der Elementbestand eines Gesteins verändert wird, liegt eine Metasomatose vor.
Die Metamorphose eines Gesteins wird durch Druck und Temperatur beeinflusst. Man spricht von einer prograden Metamorphose, wenn Druck und Temperatur während der Metamorphose zunehmen, und von einer retrograden Metamorphose oder Diaphthorese, wenn Druck und Temperatur während der Metamorphose abnehmen.
Prinzipiell beobachtet man zwei Arten der Umwandlung von Gesteinen:
Durch Phasenumwandlungen (Mineralreaktionen) können aus den vorhandenen Mineralen neue entstehen. Bestimmte Minerale können nur unter bestimmten Druck- und Temperaturbedingungen miteinander koexistieren. Sind diese Bedingungen nicht mehr erfüllt, können die Minerale mit einander zu anderen Mineralen reagieren. Solche Mineralreaktionen können sehr komplex sein. Manche der neu gebildeten Minerale setzen bei diesen Reaktionen z.B. Wasser frei oder nehmen Wasser auf, dadurch kommt es zu dem oben angesprochenem Phänomen der Metasomatose.
Bei der Kristallisation von Mineralen kommt es zu Gefügeumwandlungen im Gestein. Durch die Einregelung oder das orientierte Wachstum von Mineralen bildet sich im Gestein eine Schieferung aus, die umso ausgeprägter ist, je mehr Schichtsilikate (Glimmer) im Gestein vorhanden sind.
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[Bearbeiten] Arten der Gesteinsmetamorphose
Der mögliche Verlauf einer Gesteinsmetamorphose ist abhängig von den durchlaufenen Druck- und Temperaturbedingungen. Diese können sehr unterschiedlich sein und so unterschiedliche Metamorphosetypen hervorrufen. Gesteine, die einen bestimmten Metamorphosetyp durchlaufen haben, tragen häufig charakteristische Merkmale, zum Beispiel bestimmte Mineralparagenesen, Gefügemerkmale u. a. davon.
[Bearbeiten] Regionalmetamorphose
Gesteine geraten durch Subduktion an Kontinentalrändern in Bereiche höherer Temperaturen und/oder höherer Drücke, so dass schließlich Metamorphose erfolgt. Der Zusatz "Regional" besagt, dass diese Art der Metamorphose über eine große Fläche (z.T. über 100 km²) stattfindet, meistens hervorgerufen durch tektonische Senkung großer Teile der Erdkruste.
Hierbei geraten Gesteinspartien durch Versenkung, hervorgerufen beispielsweise durch eine Faltung, unter hohe Druck- und/oder Temperaturbedingungen, die die Umwandlung der Minerale gleichermaßen bestimmen. Typische Gesteine sind Glimmerschiefer, Gneise, Amphibolite u. v. a.
Im Gegensatz zur Diagenese (dies ist die Verfestigung von Sedimenten) sind zur Gesteinsmetamorphose wesentlich höhere Drücke und/oder Temperaturen notwendig.
[Bearbeiten] Druckbetonte Metamorphose
Die Druckbetonte Metamorphose ist ein typisches Kennzeichen von Subduktionszonen. Hierbei wird verhältnismäßig kaltes Material ozeanischer Kruste versenkt. Die dabei ablaufende Metamorphose wird daher von vergleichsweise niedrigen Temperaturen und hohen Drücken bestimmt. Gesteine, die die druckbetonte Metamorphose durchlaufen haben, sind oft durch typische Minerale gekennzeichnet, wie Glaucophan in Blauschiefern, oder Omphacit in Eklogiten.
[Bearbeiten] Kontaktmetamorphose
Die Kontaktmetamorphose ist die temperaturbetonte Metamorphose. Kontaktmetamorphe Gesteine finden sich vor allem im Umgriff magmatischer Intrusionen. Das heiße Magma hat das umgebende Gestein aufgeheizt und so dessen Metamorphose herbeigeführt. Ein typisches Merkmal kontaktmetamorpher Gesteine sind die durch Mineralreaktionen hervorgerufene Knotenbildung sowie häufig das Fehlen einer Schieferung. Bei der Kontaktmetamorphose können Hornfelse, Frucht- und Knotenschiefer entstehen.
[Bearbeiten] Schock-Metamorphose
Die sehr extreme Art der Metamorphose wird durch heftige Stoßwellen hervorgerufen und kann zur Zertrümmerung ganzer Gesteinspartien wie zur Zerstörung von Kristallgittern führen. Diese Art der Metamorphose ist auf Meteoritenkrater (und auf die Orte unterirdischer Atombombenversuche) beschränkt. Typische Kennzeichen für die Schock-Metamorphose ist das Auftreten von Hochdruckmineralen wie zum Beispiel Coesit oder, bedingt durch den Kollaps von Kristallgittern, von diaplektischem Glas. Die Schockmetamorphose führt zur Zertrümmerung von Gesteinskörpern, die makroskopisch sichtbar ist (z. B.: im Suevit des Nördlinger Rieses).
[Bearbeiten] Dislokations-Metamorphose
In aktiven Störungszonen wird das Gestein durch die Bewegung zweier Blöcke gegeneinander stark verändert. Reagiert das Gestein dabei auf mechanische Beranspruchung spröde, das heißt es zerbricht und wird zermahlen, so entstehen dabei Kataklasite. Wenn das Gestein duktil auf mechanische Beanspruchung reagiert, entstehen durch Neukristallisation Mylonite mit charakteristischem, durch die stete Bewegung geprägtem Gefüge.
Bei Erdbeben tritt eine kurzzeitige und plötzliche Bewegung von Gesteinspartien auf. Öffnen sich dabei Hohlräume, können darin durch die plötzliche Druckentlastung Implosionsbrekzien entstehen, die den Hohlraum wieder auffüllen. Durch die bei einer plötzlichen Bewegung an der Bewegungsfläche entstehende Friktionswärme kann zur kurzzeitingen Schmelze von Gesteinspartien und zur Bildung von Tachylyten führen. Ebenso kann durch den Kollaps von Kristallgittern diaplektische Gläser entstehen.
[Bearbeiten] Klassifizierung der Metamorphose
Es gibt unterschiedliche Systeme zur Beschreibung des Metamorphosegrades, den ein Gestein erreicht hat. In Analogie zur Facies von Sedimenten können metamorphe Bedingungen (Druck, Temperatur) durch metamorphe Faciesgruppen zusammengefasst werden. Eine andere Möglichkeit ist die Bestimmung des Metamorphosegrades anhand bestimmter Mineralreaktionen. Der Umstand, dass bestimmte Minerale aus anderen entstanden sind zeigt dabei, dass bestimmte Grenztemperaturen bzw. Grenzdrücke überschritten wurden.
[Bearbeiten] Grenzbereiche der Metamorphose
Gegenüber der Diagenese kann die Metamorphose nicht eindeutig abgegrenzt werden, da bei der diagenetischen Umwandlung eines Sedimentes in ein Gestein ähnliche Prozesse ablaufen. Häufig wird eine willkürliche Abgrenzung vorgenommen, wenn bestimmte Druck- und Temperaturverhältnisse überschritten wurden.
Die Anatexis, die zur partiellen Aufschmelzung von Gesteinen führt, ist ebenfalls ein Vorgang im Grenzbereich der Gesteinsmetamorphose. Metamorphose findet immer im festen Zustand statt, während bei der Anatexis Schmelzen gebildet werden.
Bei der Metasomatose wird der Gesteinschemismus durch Stoffaustausch verändert, während die eigentliche Metamorphose isochemisch ist.
[Bearbeiten] Literatur
- F. Press, R. Siever: Understanding Earth. W.H.Freeman & Co.
- S. Matthes: Mineralogie. 5. Auflage. Springer, Berlin 1996
