Gefüge_handout

LV 620.114 Petrologie d. Magm. u. Met., Teil Metamorphite, Vorlesung
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1. Metamorphe Gefüge
Gefüge erlauben uns die Rekonstruktion der Entwicklung eines metamorphen Gesteins und
seiner Deformationsgeschichte (Kinematik)
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metamorphe Reaktionsgefüge
Deformationsgefüge
1.1. Grundlagen
Eigenschaften von nicht perfekten, realen Kristallen
1. Energie von Kristalloberflächen
2. Defekte in Kristallen
3. Diffusion in Feststoffen
4. Nukleation und Wachstum von Kristallen
Oberflächenenergie
Zusätzliche Energie an Oberfläche/Grenzfläche von Kristallen; vergleiche mit
Oberflächenspannung γ an flüssigen Oberflächen: Energie/Fläche [Jm-2 =N m-1]
Extra-Energie resultiert in Adsorption; kontrolliert von den beiden Medien/Materialien und
Benetzung (z.B. dünner Wasserfilm)
Korngröße hat entscheidenden Einfluß auf Größe von Oberflächenenergie!
Defekte in Kristallstrukturen
Punktdefekte (punktuell um Gitterstelle)
• Leerstelle (Schottky-Defekt)
• Einbau eines gitterfremden Atoms/Ions
• Einbau eines Extra-Atoms an gitterfremder Stelle (Frenkel-Defekt)
Lineare Defekte, Dislokationen (planar)
• Schraubendislokation
• Kantendislokation
• Wandern von Defekten im Gitter erzeugt permaneneten Strain
• Signifikante Erniedrigung der Festigkeit als Folge
Nicht perfekte Oberflächen
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Korngrenzen
o “High-angle” Korngrenzen meist zwischen Körnern verschiedener Minerale
o “Low-angle” Korngrenzen oft zwischen gleichem Mineral (z. B. Quarz),
Subkörner
Zwillingsgrenzen
Stapelfehler
J.G. Raith
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Diffusion in Feststoffen
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Diffusion: Transport von Atomen, Ionen, Molekülen durch Materie auf Grund
thermodynamischer Ungleichgewichte
Volumsdiffusion (intragranulare D.)
o Eigendiffusion (self d.), thermische Vibration
o Interdiffusion, chem. Gradient
Korngrenzendiffusion (intergranulare D.)
o entlang von Korngrenzen und Poren
Volumsdiffusion
Fluss (Teilchenstromdichte; engl. flux) (J) von Materie [mol m-2 s-1]
J = –D.(∂C/∂x)
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1. Diffusionsgesetz von Fick
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D Diffusionskonstante [m2 s-1]
C Konzentration
x Richtung des Fluxes
dC/dx Gradient der Konzentration
Diffusion wird kontrolliert durch Zeit, Weg, Temperatur, Konzentrationsgradient!
Diffusion an Korngrenzen
Diffusion in Flüssigkeiten ist wesentliche schneller als in Feststoffen
Fluidfilm an Korngrenzen zwischen Mineralen beschleunigt Strofftransport wesentlich.
Nukleation (Keimbildung)
nur wenn Oberflächenenergie kleiner ist als Energiegewinn durch Nukleation einer neuen
Phase ist Nukleus stabil!
-Vn.ΔGv > An.σ
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Vn Volumen des Kristallkeims; An Oberfläche des Kristallkeims; G Gibbsche freie Energie;
σ Oberflächenspannung; Te Gleichgewichtstemperatur; Tr tatsächliche Reaktionstemperatur
Nukleation begünstigt durch:
• Zunahme des ΔGv (größeres "Overstepping")
• Abnahme der Oberflächenenergie σ durch Wachsen des Kristalls auf anderen
Mineralsubstraten (z.B. Epitaxie)
• Zunahme der Größe des Nukleus
Beispiele von Epitaxie. a. Staurolith auf Kyanit, b. Alkalifeldspat auf Plagioklas
Kristallwachstum
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Gefüge von Metamorphiten spiegelt Wechselwirkung von Nukleation und Wachstum wider
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Nukleations- vs. Wachstumscharakteristika
Einfluss von Nukleation
o Überwachsungen, Ränder (z.B. Granat)
o orientiertes Aufwachsen auf anderem Mineral mit ähnlicher Struktur etc. =
Epitaxie (z.B. Sillimanit auf Biotit, Kyanit und Staurolith
o Ersatz von Atomen im Gitter = Topotaxie (z.B. Chlorit nach Biotit, Albit nach
Plagioklas
Rate von Nukleation - Wachstum - Diffusion bestimmt ob Mineral als Idioblast oder
Matrixmineral auskristallisiert
o Andalusit, Granat, Staurolith, Kyanit oft als Idioblasten
o Muscovit, Quarz meist Matrixmineral
o Biotit, Chlorit, Feldspat oft Matrixmineral aber auch Idioblasten
o
1.2. Einige metamorphe Gefügetypen
siehe auch Übungsunterlagen!
Einige Minerale bilden oft idioblastische Körner (Granat, Amphibole) -> kristalloblastisches
Gefüge
• Porphyroblasten
• Poikiloblasten
Schichtige und prismatische Kristalle bilden oft ein nicht orientiertes Netzwerk -> dekussates
Gefüge
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Anisotropes Wachstum: bestimmte Flächen wachsen schneller -> nematoblastisches und
lepidoblastisches Gefüge
Ungleichgewichtsgefüge
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Einschlüsse in Idioblasten
unvollständige Reaktionsgefüge
chemische Zonierung in Mineralen
• Wachstumszonierung
o Fraktionierung (z.B. Mn in Granat)
o kontinuierliche Reaktion(en); Änderung des KD Wertes mit P-T
• retrograde Zonierung:
o begrenzte Diffusion bei Abkühlung an Kornkontakten, v.a. Mg-Fe
Austausch
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Reliktminerale (gepanzerte R.)
z.B. Chloritoid in Granat in Grt-St Glimmerschiefer
Reaktionssaum, Symplektite, Korona
sehr nützlich zur Rekonstruktion der P-T Entwicklung eines metamorphen Gesteins
Prograde Zonierung im Granat
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Retrograde Zonierung im Granat
Drucklösung
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1.3. Rekristallisation
Unterschiedliche Energie von großen und kleinen Körnern
wegen größerer Oberflächenenergie kleiner u. unregelmäßig begrenzter K.
-> Kornvergrößerung bei Rekristallisation
wegen größerer Energie in deformierten K.
-> Kornverkleinerung
Rekristallisation
• Korngrenzen-Wanderung
• Subkorn-Rotation
• Fest-Diffusions-Kriechen (bei >T)
• Kristallplastische Deformation (allgem.)
Verschmelzung (coalescence): Recovery- und Rekristallisationsprozesse durch die infolge von
Korngrenzenmigration große Körner durch Hinzufügen von kleineren deformierten Körnern
entstehen
minimale Oberflächenenergie bei gleicher Korngröße, geraden Korngrenzen und ca. 120°
Winkeln -> granoblastisch polygonales Gefüge
in hochgradig metamorphen Gesteinen (Granulite)
in monomineralischen Marmoren u. Quarziten
dann keine idiomorphen Kristalle
Recovery
Abbau von gespeicherter Deformationsenergie durch Migration von Fehlstellen (vacancy
migration), Dislokationsmigration
Mosaikgefüge (polygonization”): Bildung von “low-strain” Subkörnern
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Rekristallisation mit Deformation
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Undulöse Auslöschung durch interne Deformation von Körnern
Abbau der Spannung durch Migration von Dislokationen durch das Korn, Rotation
von Subkörnern = “Recovery”; Temperatur-kontrolliert!
syntektonische Rekristallisation wenn Recovery so schnell erfolgt wie Deformation ->
Deformationsgefüge (strained fabric); Mylonite
Illustration of a recovery process in which
dislocations migrate to form a subgrain
boundary. Winter (2001) An Introduction to
Igneous and Metamorphic Petrology.
Prentice Hall.
J.G. Raith
Recrystallization by (a) grain-boundary migration
(including nucleation) and (b) subgrain rotation. From
Passchier and Trouw (1996) Microtectonics. SpringerVerlag. Berlin.
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1.4. Deformationsgefüge (Strained fabrics)
Kataklastisches Fließen
 Mechanische(s) Fragmentierung und Zergleiten, Rotation von Fragmenten
 Zerreiben, brechen, verbiegen, zermahlen, Deformationszwillinge, undulöse
Auslöschung, Zerreissen von Glimmern, Augen, etc.
 nicht unbedingt metamorphe Prozesse
 Metamorphe Gefüge
Plastische intrakristalline Deformation
 Kein Kohäsionsverlust
 Mehrere Prozesse können gleichzeitig ablaufen:
 Defektmigration
 “Slip planes”
 Dislokationsgleiten (dislocation glide)
 Deformationsverzwilligung
High-Strain Metamorphic Textures (shear zones)
Schematic cross section through a shear zone, showing the vertical distribution of fault-related rock types,
ranging from non-cohesive gouge and breccia near the surface through progressively more cohesive and
foliated rocks. Note that the width of the shear zone increases with depth as the shear is distributed over a
larger area and becomes more ductile. Circles on the right represent microscopic views or textures. From
Passchier and Trouw (1996) Microtectonics. Springer-Verlag. Berlin.
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Übergang von kataklastischer zu duktiler Deformation
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Brechen, Zerreißen, Biegen, Zermahlen, Rotieren von “Komponenten”
Zergleiten und -kleinern von Phyllosilikaten
Klasten: zerbrochene Reststücke
Porphyroklast - größere Reststücke in feiner zermahlener Matrix
Mörteltextur (mortar texture)
Ribbons
Pseudotachylit
1.5. Gefüge der Kontaktmetamorphose
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Thermische Aureole um flach intrudierende Plutone (niedrig-P)
Fast statische Kristallisation/Rekristallisation
Monomineralische Gesteine mit niedriger Oberflächenenergie
o granoblastisches Gefüge
o dekussates Gefüge
Isotrope Gefüge (Hornfels, Granofels)
häufig reliktische ältere Gefüge
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Oft kontaktmetamorphe Überprägung eines früheren reginalmet. Ereignisses
Thermisches Maximum später als Deformationsmaximum
Bildung von runden Mineralblasten (engl. nodular texture)
Frucht-, Knotenschiefer (engl. spotted slates and phyllites)
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Typical textures of contact metamorphism. From Spry (1969) Metamorphic
Textures. Pergamon. Oxford.
1.6. Gefüge der Regionalmetamorphose
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Dynamothermisch (Kristallisation unter dynamischen Bedingungen)
Orogenese: lang dauernde Gebirgsbildung
Kann mehrere tektonische Ereignisse und mehrere Deformationsphasen umfassen
Begleitender Metamorphosezyklus mit einem oder mehreren Reaktionsereignissen
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Tektonit: ein deformiertes Gestein mit einer Textur, die Deformation widerspiegelt
Gefüge (engl. fabric, texture): die vollständige räumliche und geometrische
Anordnung der Texturelemente
Foliation: planare Texturelemente
Lineation: lineare Texturelemente
“Lattice Preferred Orientation” (LPO)
“Dimensional Preferred Orientation” (DPO)
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Types of foliations
a. Compositional layering
b. Preferred orientation of platy minerals
c. Shape of deformed grains
d. Grain size variation
e. Preferred orientation of platy minerals in a matrix
without preferred orientation
f. Preferred orientation of lenticular mineral
aggregates
g. Preferred orientation of fractures
h. Combinations of the above
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Entwicklung einer Krenulationsschieferung (crenulation cleavage). a-c asymmetrisch, d-f.
symmetrisch (nach Spry, 1969).
Types of lineations. a. Preferred orientation of elongated mineral aggregates; b. Preferred
orientation of elongate minerals; c. Lineation defined by platy minerals; d. Fold axes
(especially of crenulations); e. Intersecting planar elements. From Turner and Weiss (1963).
J.G. Raith