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Metamorphose

 
     
  1) Biologie/Ökologie: allgemeiner Begriff für Gestaltwandel oder Verwandlung. a) In der Zoologie auch als Metabolie bezeichnete indirekte Entwicklung vom Ei zum geschlechtsreifen Tier. Bei vielen Tieren läuft diese Entwicklung unter Einschaltung von Zwischenstadien (z.B. Larvenstadien) unterschiedlicher Gestalt und Grösse ab. b) In der Botanik wird mit Metamorphose die durch die Stammesentwicklung erfolgte Umbildung der pflanzlichen Organe (Wurzel, Spross, Blatt) als Anpassung an die Veränderungen der Umweltbedingungen bezeichnet. 2) Petrologie: mineralogische und texturelle Umwandlung von überwiegend festen Gesteinen (Gesteinsmetamorphose) unter physikalischen und chemischen Bedingungen im Erdinneren (d.h. oberflächennahe Prozesse wie Verwitterung und Diagenese werden ausgeschlossen), die anders sind als diejenigen, die zur ursprünglichen Bildung der Gesteine geführt haben. Der Begriff Metamorphose leitet sich aus dem Griechischen ab und bedeutet wörtlich übersetzt "Änderung der Form". Die sich bildenden Gesteine werden als Metamorphite oder metamorphe Gesteine bezeichnet. Kommt es während der Metamorphose zu deutlichen Änderungen in der chemischen Zusammensetzung der Gesteine (mit Ausnahme von H2O, CO2 oder anderen flüchtigen Komponenten), so spricht man von Metasomatose oder weniger gebräuchlich allochemischer Metamorphose. Schon aufgrund des Auftretens im Gelände lassen sich folgende prinzipielle Ursachen von metamorphen Prozessen unterscheiden: a) die Intrusion von heissen Magmen in kühleres Nebengestein =Kontaktmetamorphose, b) grossräumige tektonische Bewegungen der Lithosphärenplatten, die zu Änderungen in den Druck-Temperatur-Bedingungen der Gesteine führen = Regionalmetamorphose, c) starke, auf schmale Störungszonen beschränkte Gesteinsdeformation=kataklastische Metamorphose und d) Impakte extraterrestrischer Körper, die kurzzeitig zu starken Druck- und Temperaturerhöhungen führen= Stosswellenmetamorphose.
Die Minerale in den Ausgangsgesteinen (Edukte) reagieren auf die sich ändernden äusseren
Bedingungen, in dem sie neue, thermodynamisch stabile Mineralparagenesen bilden. Diese
Umkristallisation läuft im festen Zustand ab, allerdings in vielen Fällen unter Beteiligung einer sich auf
den Korngrenzen befindenden fluiden Phase. Zu hohen Temperaturen hin wird der metamorphe
Bereich von der magmatischen Gesteinsbildung dadurch abgegrenzt, dass sich je nach
Gesteinszusammensetzung und Anwesenheit von Wasser Teilschmelzen bilden (Anatexis). Solange
die entstehenden Gesteine (z.B. Migmatite) überwiegend fest bleiben, werden sie zu den
Metamorphiten gerechnet. Zu tiefen Temperaturen hin gibt es ebenfalls keine scharfe Grenze zu den
diagenetischen Prozessen in Sedimenten. Je nach Gesteinszusammensetzung erfolgen erste
metamorphe Mineralneubildungen schon ab 150ºC. Der Druckbereich der Metamorphose reicht von oberflächennahen Bedingungen (z.B. am Kontakt von extrudierenden Magmen) bis zu den Drücken
von mehr als 3 GPa, wie sie im oberen Erdmantel herrschen.
Da metamorphe Gesteine Produkte sich ändernder Druck-Temperatur-(P-T-)Bedingungen sind, treten sie in solchen Gebieten, die eine besonders hohe geodynamische Aktivität besitzen, auch
besonders häufig auf, wie z.B. in Kollisionsorogenen entlang von Kontinenträndern. Besonders die
Gesteine der Regionalmetamorphose bilden häufig langgestreckte Gürtel, die parallel zu den
heutigen (oder auch früheren) Kontinenträndern angeordnet sind. In Kollisionszonen, wo eine
ozeanische Lithosphärenplatte unter eine kontinentale abtaucht (wie z.B. im zirkumpazifischen
Raum), ergeben sich besondere thermische Verhältnisse. Diese führen zum Nebeneinander von
langgestreckten Gebieten (paired metamorphic belts) mit hochdruckmetamorphen Gesteinen
(Hochdruckmetamorphose), die auf der Kontinentseite von hochtemperaturmetamorphen Gürteln
(Hochtemperaturmetamorphose) gesäumt werden. Gerade für die Rekonstruktion von
geotektonischen Vorgängen, die in der Vergangenheit abgelaufen sind, spielt die Erforschung der
metamorphen Gesteine eine wichtige Rolle. Aber auch überall im Erdmantel laufen metamorphe
Prozesse ab, nur kommen deren Produkte viel seltener an die Erdoberfläche und ins Blickfeld (die
diamantführenden Peridotit- und Eklogit-Xenolithe in Kimberliten sind Beispiele dafür). Die wichtigsten Parameter, die in einem komplexen Wechselspiel alle metamorphen Prozesse
steuern, sind a) Temperatur, b) Druck, c) Anwesenheit und Zusammensetzung einer fluiden Phase,
d) die chemische Zusammensetzung der Ausgangsgesteine und e) die Zeit. a) Der
Temperaturbereich, in dem sich metamorphe Prozesse abspielen, reicht von etwa 150 bis 1100ºC, je
nach chemischer Zusammensetzung der beteiligten Gesteine. Er wird jeweils bestimmt durch das
lokal herrschende Wärmefluss-Regime, welches als geothermischer Gradient, d.h.
Temperaturzunahme pro Kilometer Erdtiefe, ausgedrückt werden kann. Je nach geotektonischer
Situation variieren die während der Metamorphose auftretenden Gradienten von 5 bis 10ºC/km in
Subduktionszonen über Werte von 20 bis 40ºC/km, wie sie für stabile Kontinentbereiche typisch sind,
bis zu mehr als 100ºC/km in Zonen erhöhter magmatischer Aktivität (wie z.B. an Mittelozeanischen
Rücken oder unter den pazifischen Inselbögen) (Abb. 1). Da sich die geotektonischen Verhältnisse
und damit auch die thermischen Zustände in der Erde mit der Zeit ändern, können sich sehr vielfältige
Temperaturvariationen während der Metamorphose ergeben. b) Der während der Metamorphose
herrschende lithostatische Druck ergibt sich aus dem Gewicht der überlagernden Gesteinssäule
(etwa 0,3 GPa in der Erdkruste in 10 km Tiefe). Der Druck kann von Atmosphärendruck am Kontakt
von Extrusionen bis zu sehr hohen Werten in Subduktionszonen (2-3 GPa, entsprechend 70 bis 100
km Erdtiefe) oder noch höher im Erdmantel variieren. Druckveränderungen ergeben sich durch
Versenkungs- und Heraushebungsprozesse, wobei neben der sedimentären Überlagerung von
Gesteinsschichten und der Abtragung durch Erosion tektonische Vorgänge wie Überschiebungen
oder grossräumige Verfaltungen eine wichtige Rolle spielen. c) Wasserreiche Gesteinsfluide besitzen eine grosse Bedeutung als Transportmedium und für die katalytische Beschleunigung zahlreicher metamorpher Prozesse. Sie werden in Form von Porenwässern oder durch wasserhaltige Minerale (oder durch Carbonate im Fall von CO2) in den metamorphen Bereich transportiert. Dort können sie unter prograden Bedingungen (prograde Metamorphose) freigesetzt werden und das Gestein entlang von Schwächezonen nach oben verlassen. Oder sie verbleiben im Intergranularraum (unter dem jeweiligen lithostatischen Druck) und stehen dann für weitere z.B. retrograde Mineralreaktionen zur Verfügung. d) Trotz der grossen Vielfalt möglicher sedimentärer und magmatischer Edukte lassen sich die chemischen Zusammensetzungen der metamorphen Gesteine zu fünf am weitesten verbreiteten Gruppen zusammenfassen: pelitisch (Pelit), mafisch (basisch), felsisch (aciditisch), kalkig und ultramafisch (ultrabasisch). Für diese fünf chemischen Gruppen gibt die Tabelle einen Überblick über die möglichen Ausgangsgesteine, die wichtigsten auftretenden Minerale und die typischen Gesteine. e) Die Zeitspanne, innerhalb der metamorphe Prozesse ablaufen, reicht von wenigen Jahren im Fall von sehr kleinräumiger Kontaktmetamorphose nahe der Erdoberfläche bis zu Grössenordnungen von 10-50 Mio. Jahren für die grossräumige Regionalmetamorphose. Ein Ziel in der metamorphen Petrologie ist es daher, mit Hilfe von geochronologischen Methoden die Druck-Temperatur-Zeit-Pfade (P-T-t-Pfade), die metamorphe Gesteine genommen haben, zu rekonstruieren.


Auf die zeitlichen Änderungen in den physikalischen Parametern reagieren die metamorphen Gesteine durch Mineralreaktionen. Neben reinen Gefügeänderungen, wie z.B. Kornvergröberungen (Kalkstein→Marmor) oder Kornverkleinerungen (Granit→Gneis), lassen sich folgende Typen von chemischen Reaktionen unterscheiden: a) polymorphe Umwandlungen, wie z.B. Calcit =Aragonit, Andalusit=Sillimanit=Disthen oder Quarz=Coesit, b) Netto-Transfer-Reaktionen (ohne Beteiligung einer Fluidphase), die zu Zerfall und Neubildung einer oder mehrerer Phasen führen, wie z.B. Jadeit+Quarz=Albit, c) Austauschreaktionen, die nur zum Austausch von Atomen zwischen vorhandenen Phasen führen, wie z.B. der Eisen-Magnesium-Austausch zwischen Granat und Biotit (Almandin+Phlogopit =Pyrop+Annit), d) Reaktionen mit Beteiligung von volatilen Phasen, wie z.B. die Dehydratisierungsreaktion Muscovit+Quarz =Kalifeldspat+Aluminiumsilicat+H2O.


Ein sehr einfaches Beispiel für den Ablauf von metamorphen Mineralreaktionen ist in Abb. 2 illustriert: Ein nur aus Quarz und Kaolinit bestehendes Sedimentgestein wird versenkt und erfährt somit Druck-und Temperaturerhöhungen entsprechend den herrschenden geothermischen Gradienten. Bis zu einer Temperatur von 300ºC kommt es nur zur Verringerung des Porenraumes durch Kompaktion und Wachstum der vorhandenen Minerale (Diagenese). Dann wird die Paragenese Kaolinit+Quarz instabil und der Kaolinit zerfällt in einer Dehydratisierungsreaktion in das weniger Hydroxylgruppen enthaltende Schichtsilicat Pyrophyllit und Wasser. Das in den Intergranularraum freigesetzte Wasser, das unter einem Druck steht, der dem lithostatischen entspricht, wird die Tendenz haben, das Gestein nach oben zu verlassen. Geht die Versenkung und Erwärmung weiter, so zerfällt bei 350-400ºC auch der Pyrophyllit je nach geothermischem Gradienten unter Bildung von Disthen (bei niedrigeren) oder Andalusit (bei höheren Gradienten). Das wiederum frei werdende Wasser spielt für den Fortgang der Reaktion eine wichtige Rolle. Mit weiterer Erwärmung werden sowohl Disthen als auch Andalusit in Sillimanit umgewandelt. Im Gegensatz zu den rasch ablaufenden Entwässerungsreaktionen ist die Kinetik dieser polymorphen Transformationen jedoch sehr träge, so dass die Umwandlung nicht vollständig sein muss.


Um metamorphe Ereignisse untereinander vergleichen zu können, wurde zu Beginn des 20. Jahrhunderts das Konzept der metamorphen Fazies entwickelt. Es besagt, dass zu einer metamorphen Fazies alle Mineralparagenesen zusammengefasst werden, die wiederholt in Raum und Zeit zusammen auftreten, so dass eine regelmässige und damit vorhersehbare Beziehung zwischen dem Mineralbestand und der chemischen Zusammensetzung eines metamorphen Gesteins besteht.


Benannt wurden die einzelnen Fazies nach den jeweiligen metabasischen Gesteinen (Metabasit). Das Faziesprinzip beruht auf der Annahme, dass die beobachtbaren Mineralparagenesen chemische Gleichgewichte repräsentieren und dass unterschiedliche Druck-Temperatur-Bedingungen für ihre Entstehung verantwortlich sind. Untersuchungen der experimentellen Petrologie haben den einzelnen metamorphen Fazies bestimmte P-T-Bereiche zugeordnet.


Nicht zuletzt die Anwendung geochronologischer und geophysikalischer Methoden auf metamorphe Gesteine hat deutlich gemacht, dass jedes metamorphe Gestein seinen eigenen Weg im Druck-Temperatur-Zeit-(P-T-t)-Raum zurückgelegt hat. Die P-T-t-Pfade sind daher charakteristisch für die jeweiligen geotektonischen Verhältnisse, unter denen die Metamorphose abgelaufen ist, und sie müssen nicht notwendigerweise mit dem Verlauf von stationären Geothermen übereinstimmen. Zum Beispiel ergeben sich bei der schnellen Subduktion von ozeanischer Kruste zunächst sehr geringe Temperaturzunahmen mit der Tiefe (entsprechend den hochdruckmetamorphen Blauschiefer- und Eklogitfazies), während sich bei der anschliessenden Heraushebung je nach tektonischem Mechanismus deutlich höhere geothermische Gradienten einstellen (entsprechend der Grünschieferfazies). Im P-T-Diagramm zeigen solche Gesteine einen Verlauf im Uhrzeigersinn (Abb. 1), während Gesteine, die in Gebieten mit grossräumigen magmatischen Intrusionen versenkt werden, einen P-T-t-Verlauf entgegen dem Uhrzeigersinn zeigen können. Eines der Hauptziele in der modernen metamorphen Petrologie ist daher, mit Hilfe der Geothermobarometrie solche P-T-t-Pfade zu rekonstruieren, um Aussagen über die Art der tektonischen Prozesse, welche die Bildung metamorpher Gesteine verursachen, zu gewinnen.


Aufgrund der grossen Vielfalt an chemischen Ausgangszusammensetzungen und aufgrund des weiten Bereichs der Bildungsbedingungen zeigen die metamorphen Gesteine sehr unterschiedliche Gefüge und Mineralbestände. Es gibt daher keine einfache, allgemein akzeptierte Gesteinsklassifikation (wie bei den magmatischen Gesteinen mit dem Streckeisen-Diagramm (QAPF-Doppeldreieck) oder IUGS-Klassifikation). Andererseits ist die Zahl der für Metamorphite verwendeten Gesteinsnamen relativ gering. Die wichtigsten Namen, die sich entweder auf das vorherrschende Gefüge oder den Mineralbestand beziehen, sind im folgenden kurz aufgelistet (zusätzlich haben sich die Vorsilben ortho-für aus magmatischen und para-für aus Sedimentgesteinen entstandene Metamorphite eingebürgert): a) Gesteinsnamen, die über das Gefüge definiert sind: Phyllit (Parallelgefüge mit sehr guter Teilbarkeit im Millimeterbereich), Glimmerschiefer (Parallelgefüge mit Teilbarkeit im Zentimeterbereich), Gneis (Teilbarkeit im Dezimeterbereich), Hornfels (feinkörnig-massig), Mylonit (feinstkörnig-gebändert); b) Gesteinsnamen, die in erster Linie den Mineralbestand beschreiben: Grünschiefer (Albit, Chlorit, Epidot, Aktinolith), Amphibolit (Hornblende, Plagioklas), Blauschiefer (Glaukophan), Eklogit (Omphacit, Granat), Marmor (Carbonate). Literatur: [1] Wimmenauer, W. (1985): Petrographie der magmatischen und metamorphen Gesteine. Stuttgart. [2] Selverstone, J. (1988): Metamorphic Rocks. - London. [3] Spear, F.S. (1988): Metamorphic Phase Equilibria and Pressure-Temperature-Time Paths. - Washington. [4] Bucher, K. & Frey, M. (1994): Petrogenesis of Metamorphic Rocks. - Berlin.

MetamorphoseMetamorphose 1: Druck-Temperatur-Bedingungen und prinzipielle Typen der metamorphen Prozesse in der Lithosphäre (in bezug zu möglichen geothermischen Gradienten und mit einem typischen Metamorphoseverlauf im Uhrzeigersinn).

MetamorphoseMetamorphose 2: Druck-Temperatur-Diagramm der prograden Metamorphose eines Kaolinit-Quarz-Sandsteines zu einem Sillimanit-Quarzit. Die gestrichelten Linien zeigen zwei unterschiedliche P-T-Pfade vom Edukt zum Metamorphit.

MetamorphoseMetamorphose (Tab.): die fünf wichtigsten chemischen Gruppen der metamorphen Gesteine.
 
 

 

 

 
 
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