Metamorphose (Geologie)

Die Gesteinsmetamorphose (von gr. metamorphoo - umgestalten) wird hervorgerufen durch Veränderungen von Druck und Temperatur, denen ein Gestein ausgesetzt ist.

Während der Metamorphose können sich der Mineralbestand und das Gefüge eines Gesteins verändern. Metamorphe Prozesse finden im festen Zustand und im chemischen Gleichgewicht statt. Die Metamorphose ist isochem, d.h. der Chemismus des Ausgangsgesteins entspricht dem des Metamorphoseproduktes.

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.

Durch Sammel- und Neukristallisation ändert sich das Korngefüge des Gesteins: Drucklösung und Rekristallisation können zur Vergröberung und zur Verzahnung der einzelnen Mineralkörner führen.

• Beispiel: Ein Kalkstein wird zu Marmor überprägt. Durch Sammelkristallisation geht die Textur des Kalksteins verloren. Die Färbung von Marmor wird dabei von Beimengungen im ursprünglichen Kalkstein bestimmt.

Durch 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.

• Beispiel: Calcit reagiert mit Quarz zu Wollastonit und CO₂. Diese Reaktion kann ab einer Temperatur von etwa 420° C ablaufen. Mineralreaktionen können auch durch Austreibung von Kristallwasser forciert werden.

Durch Umkristallisation können sich einzelne Minerale in andere Minerale der gleichen chemischen Zusammensetzung, jedoch mit einem anderen Kristallgitter umwandeln. Daher gibt es von verschiedenen Mineralen Nieder- und Hochtemperatur sowie Nieder- und Hochdruckformen.

• Beispiele sind etwa die reversible Umwandlung von Tief- in Hochquarz bei 573° C, das Disthen-Andalusit-Sillimanit-System oder die Umwandlung von Calcit in Aragonit.

Eine Abgrenzung der Gesteinsmetamorphose von der Diagenese ist willkürlich und kann nicht exakt gezogen werden, da die zuvor beschriebenen Prozesse auch während der Diagenese stattfinden können. Es gibt verschiedene Definitionen, nach denen von einer Metamorphose zu sprechen ist, wenn bestimmte Minerale noch oder nicht mehr vorhanden sind bzw. bestimmte Druck- und Temperaturgrenzen überschritten wurden.

Die Metamorphose findet im festen Zustand statt. Wenn Druck und Temperatur zur Gesteinsschmelze führen spricht man daher nicht mehr von einer Metamorphose. Ein Grenzfall ist die Anatexis, ein Prozess, der zur partiellen Aufschmelzung von Gesteinen führt.

Die Isochemie setzt voraus, dass während der Metamorphose der Elementbestand des Gesteins unverändert bleibt. 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. Metasomatose kann jedoch auch bei der Differenzierung der magmatischen Abfolge oder bei diagenetischen Prozessen auftreten.

Ursachen der Metamorphose

Hauptursache der Metamorphose ist die Veränderung von thermodynamischen Bedingungen, denen ein Gestein ausgesetzt ist. Diese werden vor allem durch Druck und Temperatur bestimmt. Sie bestimmen die Stabilität der Minerale aus denen ein Gestein besteht. Gerät ein Gestein in Bedingungen, unter denen bestimmte Minerale nicht mehr stabil sind, können die zuvor beschriebenen Prozesse zur Umwandlung von Gefüge und Mineralen führen. Diese sind außer von Druck und Temperatur auch von dem Chemismus des Gesteins abhängig.

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 , z.B. bestimmte Mineralparagenesen, Gefügemerkmale u.a. davon.

Regionalmetamorphose

Hierbei geraten Gesteinspartien durch Versenkung unter hohe Druck- und Temperaturbedingungen, die Umwandlung der Minerale gleichermaßen bestimmen. Typische Gesteine sind Glimmerschiefer, Gneise, Amphibolite u.a.

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, z.B.: Blauschiefer, Jadeit.

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 Knoten- Schiefer entstehen.

Metasomatose

Die Metasomatose ist ein Grenzfall der Metamorphose, da sie im allgemeinen nicht isochem abläuft. Metasomatische Prozesse finden vor allem in Endphasen der Differenzierung von Magmen statt. Hierbei reagieren Minerale und gelöste Bestandteile heißer Fluide miteinander. Dabei können vorhandene Minerale aufgelöst werden und neue entstehen.

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 z.B. 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).

Dislokations-Metamorphose

In aktiven Störungszonen wird das Gestein durch die Bewegeung zweier Blöcke gegeneinander stark verändert. Reagiert das Gestein dabei auf mechanische Beranspruchung spröde, d.h. es zerbricht und wird zermahlen, 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.

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.

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 ein willkürliche Abgrenzung vorgenommen, wenn bestimmte Druck- und Temperaturverhältnisse überschritten wurden.

Die Anatexis, die zur partiellen Aufschmelzung von Gesteinen führt, sit 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 isochem ist.

Referenzen

PRESS, F. and SIEVER, R: Understanding Earth, W.H.Freeman & Co.

MATTHES, S., 1996. Mineralogie. Berlin, Springer, 5. Auflage.