Einführung in die Geologie Übersicht

Einführung in die Geologie
Teil 10: Metamorphe Gesteine
Prof. Dr. Rolf Bracke
Hochschule Bochum
International Geothermal Centre
Lennershofstraße 140
44801 Bochum
Übersicht
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Ursachen der Metamorphose
Metamorphosearten
Metamorphe Fazies und Metamophosegrad
Metamorphe Gefüge
– Textur (Foliation)
– Struktur
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Regionalmetamorphe Gesteine
Kontaktmetamorphe Zonen und Gesteine
Impaktmetamorphe Gesteine
Kataklastische Metamorphite und Mylonite
Migmatite
Metasomatische Gesteine
Ursachen der Metamorphose
Änderung der Mineralzusammensetzung und/oder Kristallstruktur
des Gesteines im festen Zustand mit Anpassung an physikalischchemische Bedingungen (Gleichgewicht mit der neuen Umgebung)
• Zunahme der Temperaturen
– Geothermischer Gradient / Magmenintrusionen
– Temperaturbereich liegt zwischen Diagenese und Magmatismus;
d.h. ca. 200°C bis ca. 700 – 1100°C (keine Gesteinsschmelze)
• Zunahme der Drücke (Haupt-Tiefenbereich ca. 10 – 30 km)
– Gewicht des überlagernden Materials (lithostatischer Druck)
– Gerichteter Druck (Plattentektonik/Falten- und Bruchtektonik)
• veränderte chemische Bedingungen
– Zu- und Abfuhr von Stoffen (z.B. Metasomatose)
Ursachen der Metamorphose
Quelle: Allgemeine Geologie Verlag: Spektrum
Ursachen der Metamorphose
• Temperaturanstieg/geothermischer Gradient kann variieren
• Druck steigt mehr oder weniger konstant mit der Tiefe an
Quelle: Allgemeine Geologie Verlag: Spektrum
Metamorphosearten 1
• Regionalmetamorphose
am weitesten verbreiteter Typus;
Umwandlung größerer Bereiche durch hohen Druck und
Temperaturen im Zusammenhang mit Orogenesen
• Kontaktmetamorphose
lokal durch hohe Temperatur der Magmenintrusionen im
unmittelbar angrenzenden Nebengestein
• Versenkungsmetamorphose
Übergang von Diagenese zur niedrig-gradigen druckbetonten Regionalmetamorphose bei schneller Absenkung
von Sedimentgesteinen in große Tiefen
Metamorphosearten 2
• Hydrothermal-Metamorphose
durch heiße Fluide/Meerwasser bei Magmaintrusionen
(z.B. Magmenaufstieg in den mittelozeanischen Rücken)
• Dynamometamorphose (kataklastisch)
tektonische Bewegungen (Bruch/Verschiebung) zerstören vorhandenes Gestein, welches unter hohem
Druck rekristallisiert
• Impakt- oder Schockmetamorphose
durch Einschläge von extraterrestrischem Material in
Sekunden hervorgerufene hohe Drücke und
Temperaturen
Metamorphosearten
Quelle: Allgemeine Geologie Verlag: Spektrum
Metamorphosefazies
• Einteilung nach
Metamorphosebedingungen
• Abgegrenzte Bereiche
von Druck-/TemperaturKombinationen
• Benennung nach dem dort
vorherrschendem Gestein
(Index- oder Leitmineralen)
Quelle: Allgemeine Geologie Verlag: Spektrum
Metamorphosefazies
• Unter gleichen Metamorphosebedingungen entstehen
innerhalb einer Fazies aus Edukten unterschiedlicher
Zusammensetzung auch unterschiedliche Metamophite
• Aus identischen Edukten entstehen bei
unterschiedlichen Metamorphosebedingungen
unterschiedliche Metamorphite.
Metamorphosegrad
Änderung der mineralogischen Zusammensetzung mit
zunehmenden Metamorphosegrad (Regionalmetamorphose)
a) Basalte bzw. basische Gesteine
b) Schiefertone
Quelle: Allgemeine Geologie Verlag: Spektrum
Metamorphosepfade
• Typische Druck-/
Temperaturpfade für
verschiedene
tektonische Prozesse
Quelle: Allgemeine Geologie Verlag: Spektrum
Klassifikation der metamorphen Gesteine
Kennzeichnung metamorpher Gesteine unter Berücksichtigung ihres Ausgangsgesteins (Edukt) mit Vorsilben
• Meta• Ortho-
generell metamorphes Gestein
• Para-
metamorphe Gesteine mit
sedimentären Edukten
metamorphe Gesteine mit
magmatischen Edukten
Metamorphe Gefüge
unterscheidet man nach:
• Textur (gesteinsbezogen Gefüge)
– Foliation (Schieferung, Flaserung, Bänderung)
– richtungslose Gefüge
• Struktur (kornbezogene Gefüge)
– durch Form und Größe der Kristalle bestimmt
Metamorphe Gefüge
Quelle: Allgemeine Geologie Verlag: Spektrum
Foliation
Metamorphe Einregelung / Paralleltextur
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Parallel oder schräg bis senkrecht zur ursprünglichen Schichtung
Vorhandensein blättriger Mineralien, vor allem Glimmer und Chlorit
Bevorzugte Auskristallisation der Minerale senkrecht zur
Hauptrichtung der Deformation (Druck)
Quelle: Allgemeine Geologie Verlag: Spektrum
Metamorphite mit Foliation
Unterscheidung nach:
• Art ihrer Foliation
• Kristallgröße
• Segregationsgrad
(Aufspaltung in hellere
und dunklere Bänder)
• Metamorphosegrad
Quelle: Allgemeine Geologie Verlag: Spektrum
Metamorphite mit Foliation
Quelle: Allgemeine Geologie Verlag: Spektrum
Metamorphite ohne Foliation (körnig)
• so genannte „Felse“
• bestehen aus isometrischen
Kristallen mit würfeligen /
kugeligen Formen
• Gesteine:
Hornfels, Quarzite,
Marmor, Argillite,
Grünstein, Sepentinit,
Amphibolit, Granulit
Quelle: Allgemeine Geologie Verlag: Spektrum
Quelle: Allgemeine Geologie Verlag: Spektrum
Grobkörnige Kristallgefüge
• Porphyroblasten (große Kristalle),
die in einer feinerkörnigen Matrix
eingebettet sind
• in kontakt- und regionalmetamorph
veränderten Gesteinen
• Bildung erfolgt im festen Zustand
durch Umordnung chemischer
Bestandteile der Matrix
Granat-Porphyroblasten
in Glimmerschiefer
Quelle: Allgemeine Geologie Verlag: Spektrum
Regionalmetamorphe Gesteine
Quelle: Gesteinsbestimmung im Gelände Verlag: Elsevier
Regionalmetamorphite aus Tonsteinen
(ansteigender Metamophosegrad von links oben nach rechts unten)
Tonschiefer
Phyllit
Glimmerschiefer
Paragneis
Quelle: Gesteinsbestimmung im Gelände Verlag: Elsevier
Regionalmetamorphite aus basischen Edukten
(ansteigender Metamophosegrad von links oben nach rechts unten)
Grünstein
Granatamphibolit
Mafischer Granulit
Eklogit
Quelle: Gesteinsbestimmung im Gelände Verlag: Elsevier
Regionalmetamorphite
aus ultramafischen Edukten
Serpentinit
Quelle: Gesteinsbestimmung im Gelände Verlag: Elsevier
Regionalmetamorphite aus karbonatischen,
silikatischen und quarzbetonten Edukten
Calcitmarmor
Silikatmarmor
Quarzit
Quelle: Gesteinsbestimmung im Gelände Verlag: Elsevier
Kontaktmetamorphose
• Temperaturerhöhung (Thermometamorphose)
• An den unmittelbaren Kontakt zum Intrusivgestein (stärkste
Aufheizung) schließen sich nach außen weitere Zonen mit
abnehmenden Metamorphosegrad an.
• Kontakthof: Randzone der metamorph veränderten Gesteine
in der Umgebung der Magmenintrusion
– Stark ausgeprägt bei basischen Intrusuionen, die mit hohen
Temperaturen (ca. 1000° C) in die obere Kruste aufsteigen
– Schwach ausgeprägt bei Graniten, die mit niedrigeren
Temperaturen (ca. 600° C) in die tiefere Kruste eindringen
Kontaktmetamorphose eines Kalksteins
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Kontakthof mit versch.
Zonen der Mineralbildung
In Richtung Kontakt ändert
sich Karbonatgestein von
reinem Carbonatmarmor
über verschiedene Ca-MgSilicatminerale schließlich zu
einem carbonatfreien
Silicatgestein (Wollastonit)
Quelle: Allgemeine Geologie Verlag: Spektrum
Kontaktmetamorphose in Sandsteinen /
Tonschiefer
Verschiedene Mineralzonen
• Edukt:
– Quarz und Tonminerale der
Sandsteine und Schiefertone
• kontaktferner Bereich:
– Chlorit und Muskovit
– Biotit, Amphibol
• mittlerer Kontaktbereich:
– Al-, Fe- und Mg-Silicate
(typisch Andalusit)
• kontaktnaher Bereich:
– Hornfels mit Pyroxen und
Glimmer
Quelle: Allgemeine Geologie Verlag: Spektrum
Kontaktmetamorphe Gesteine
kontaktmetamorpher
Marmor
Andalusit-Konotenschiefer
(lange prismatische Porphyroblasten)
Quelle: Foto © Dr. Alfred K. Schuster
Kontaktmetamorphe Gesteine
Kontakt zwischen Granit und Hornfels
Impaktmetamorphe Gesteine (Impaktite)
• Entstehen durch dynamische und thermische Einwirkung
von Stoßwellen beim Aufprall von großen Meteoriten
• Mehr oder weniger brekziös, vulkanitähnlich
Suevit (Impaktit)
Quelle: Gesteinsbestimmung im Gelände Verlag: Elsevier
Kataklastische Metamorphite und Mylonite
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Aufgrund kataklastischer (mechanischer) Deformation im Bereich
tektonischer Störungszonen
Durch Scher- und Mahlvorgänge
werden ehemals vorhandene
Kristalle zerkleinert und in Bänder
oder Schlieren auseinander gezogen
Es entstehen Reibungsbrekzien
und Kataklastite (verfestigtes eher
grobkörniges Material) sowie
feinkörnige Mylonite durch
Rekristallisation
Mylonite
Quelle: USGSPublicDomain
Migmatite
• hohe metamorphe Temperaturen (Teilschmelzen)
• heterogen zusammengesetzt
• Leukosom und Melanosom sind die hellen bzw. dunklen
Anteile der
Teilaufschmelzungen
• Pläosom nennt
man das unveränderte
Ausgangsmaterial der
Teilaufschmelzung
Quelle: Gesteinsbestimmung im Gelände Verlag: Elsevier
Metasomatische Gesteine
• hydrothermale Metamorphose
• Vielzahl von Mineralen
• metasomatische Prozesse:
– Feldspatsprossung
– Skarnbildung
– Fenitisierung
Quelle: Gesteinsbestimmung im Gelände Verlag: Elsevier
Skarn