Institut für Mineralogie und Kristallchemie der Universität Stuttgart

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Hochdruckmetamorphite

Hauptsächlich im Zusammenhang mit gebirgsbildenden Vorgängen an den konvergierenden Grenzen von Platten der Erdkruste werden Gesteine in größere Tiefen versenkt oder auch aus der Tiefe an die Erdoberfläche gebracht. Hierbei ändern sich die Druck-Temperatur-Bedingungen, denen ein solches Gestein ausgesetzt wird. Dadurch bedingt kommt es zum Ablauf von Mineralreaktionen, die das Gestein mineralogisch verändern. Wird beispielsweise ein Basalt, der aus Plagioklas, Klinopyroxen + Gesteinsglas besteht, von der Erdoberfläche in Tiefen von etwa 15 km versenkt, so entsteht daraus unter Berücksichtigung eines normalen geothermischen Gradienten von 30°C/km durch die Gesteinsmetamorphose ein Grünschiefer, der sich dann im wesentlichen aus den Mineralen Chlorit, Epidot, Amphibol und Albit zusammensetzt.

In den letzten Jahren hat sich die wissenschaftliche Forschung besonders intensiv auf die Vorkommen von Metamorphiten konzentriert, die unter sehr hohen Drücken, aber relativ niedrigen Temperaturen gebildet wurden. Zugehörige geothermische Gradienten von nur 10°C/km und weniger findet man dort, wo die normale thermische Struktur der Erdkruste und des darunterliegenden Oberen Erdmantels durch dynamische Vorgänge, wie die Subduktion einer ozeanischen Platte unter eine Kontinentalplatte, empfindlich gestört wird (siehe dazu nachfolgender Abschnitt: Abb. 10). Hochdruckmetamorphite, die heute in Gebirgen, bzw. in ehemaligen längst abgetragenen Gebirgen, oberflächlich auftreten, verraten durch ihre Existenz von diesem Subduktionsvorgang, auch wenn dieser schon vor langer Zeit abgeschlossen wurde. Sie können sogar Zeugnis von der ehemaligen thermischen Struktur der Erde und den Prozessen ablegen, die zu ihrem Aufstieg geführt haben.

Als Beispiel für die petrologische Arbeit an solchen Hochdruckmetamorphiten und deren Ergebnisse soll ein Gestein aus dem Kokchetav Massiv dienen, welches dank der Kooperation mit Kollegen aus Novosibirsk in alten Erkundungsgräben (N53°00,56´; E69°30,89´) gesammelt wurde, welche rund 40 km südöstlich der Stadt Kokchetav entfernt liegen. Es handelt sich um einen sogenannten Weißschiefer, welcher vorwiegend aus Talk (vereinfacht: Mg3[Si4O10](OH)2, Phlogopit, sowie cm-großen Kristallen aus dunkelrotem Granat (vereinfacht: (Fe2+,Mn,Mg,Ca)3Al2[SiO4]3) und bläulichem Kyanit (vereinfacht: Al2SiO5) besteht. Granate enthalten in ihren Kernen Einschlüsse einer früheren Mineralvergesellschaftung (Abb.1).

Abb. 1 : Polarisationsmikroskopische Aufnahme eines Granats (Bildbreite 1cm) in einem ca. 25µm dicken Dünnschliff der Weißschieferprobe 22807 (Herkunft siehe Text) bei einfach polarisiertem Licht. Der Granat wird von den Phyllosilikaten Talk und Phlogopit (bräunlich) sowie von Kyanit umsäumt. Bedingt durch den Härtekontrast der Minerale (extrem im Fall der Abb. 4) ist das Gestein äußerst schwierig zu präparieren. Daher ist Material an einigen Stellen herausgebrochen (dunkle Stellen).
Abb. 2 : Dasselbe Objekt bei gekreuzten Polarisatoren. Der kubisch kristallisierende Granat ist optisch isotrop (schwarz); daher erkennt man in seinem Kern einige Einschlüsse (hellgraue Interferenzfarben), welche aus Staurolith, Chloritoid und Chlorit bestehen. Die umgebenden Phyllosilikate zeigen vorwiegend gelbe bis rote Interferenzfarben. Der Kyanit besitzt dunkel- bis hellgraue Interferenzfarben.

Diese bestand aus Chlorit, Chloritoid, Staurolith sowie Quarz. Der auf Kosten dieser Mineralphasen zusammen mit Talk und Kyanit gewachsene Granat änderte während seines Wachstums seine Zusammensetzung (Abb. 3).

Mikrosondenanalyse eines Granats
Abb.3 : Verteilungskarte für Mg in dem in Abb. 1 und Abb1b. gezeigtem Granat, welche mit Hilfe einer Elektronenstrahl-mikrosonde gewonnen wurde. Die mit verschiedenen Farben aus-gehaltenen Zählratenbereiche der jeweiligen elementspezifischen K-Strahlung sind ungefähr linear mit den Konzentrationen des betreffenden Elements korreliert.

Dies ist ein typisches Phänomen, welches in vielen Granat-führenden Hochdruckmetamorphiten beobachtet werden kann, da sich einerseits die P-T Bedingungen während des Wachstums änderten, andererseits die Metamorphosetemperaturen nicht hoch und die Zeiträume von einigen Millionen Jahren nicht lang genug waren, um durch intrakristalline Diffusion eine nennenswerte chemische Equilibrierung zu erzielen. Zu den weiteren wichtigen Beobachtungen zählen, daß sich in Kyanit dagegen viele Einschlüsse aus Talk befinden. Kleine Diamanten (daher Ultrahochdruckmetamorphose, Abb. 4) treten gelegentlich in der Talkmatrix des Gesteins auf und sind demzufolge nach oder zum Ausklang der Granatbildung entstanden. Phlogopit schließlich verdrängte Granat und Talk. Damit gehört diese Phase einem späten metamorphen Ereignis an.

Dünnschliff eines Weißschiefers
Abb. 4 : Auflichtaufnahme eines Mikrodiamanten, der durch ausgeklügelte Präparationstechnik anpoliert werden konnte, in Talk randlich zu Kyanit der Weißschieferprobe 22807 mittels eines Phaseninterferenzmikroskops. Als Folge der Präparation entstehen lediglich Schleifspuren um den Mikrodiamanten herum (Bildbreite etwa 400 µm).

Neben den geschilderten mikroskopischen Beobachtungen ist die genaue Ermittlung der chemischen Zusammensetzung von Mineralen erforderlich, um die ehemaligen P-T Bedingungen zu rekonstruieren. Die Elektronenstrahlmikrosonde erlaubt die zuverlässige Analyse eines nur wenige µm3 großen Volumens und daher auch die Erfassung der chemischen Variation selbst innerhalb eines kleinen Mineralkorns.

Danach schließen sich Überlegungen an, welche einerseits experimentell bestimmte Reaktionskurven (Abb. 5) sowie andererseits thermodynamische Berechnungen berücksichtigen. Letztere beruhen auf der Annahme, daß sich zumindestens entlang von Mineralkorngrenzen während eines Metamorphoseereignisses ein thermodynamisches Gleichgewicht einstellt, d.h. die freie Enthalpie einer ausgewählten, relevanten Reaktion bei den gesuchten P-T Bedingungen ( G P,T,Reak) gleich null ist. Somit ist der zonar gebaute Granat der Abbildung 3. zwar in sich im Ungleichgewicht, die vom Kern zum Rand beobachtbaren Zusammensetzungen gehören aber zu Gleichgewichtszuständen, die im Verlauf der P-T Entwicklung erzielt wurden. Da das Volumen, die Bildungsenthalpie und die Entropie bei Standardbedingungen sowie Funktionen zur Wärmekapazität cp, thermischen Ausdehnung und isothermen Kompressibilität vieler chemischer Endglieder gesteinsbildender Minerale durch kalorimetrische Messungen, Hochdruckexperimente etc. bekannt sind, können P-T Bedingungen durch Lösen der Gleichung G P,T,Reak = 0 im Prinzip ermittelt werden. Hauptschwierigkeit ist hierbei, daß viele Silikate, wie auch Granat, komplexe Mischkristalle sind und die thermodynamische Datenbasis zur Beschreibung der Mischkristalle wegen ihres häufig nicht-idealen Verhaltens selten zufriedenstellt.

Abb. 5 : P-T-Entwicklung abgeleitet aus mineralogischen Untersuchungen für den Weißschiefer aus dem Kokchetav Massiv (gestrichelt = abgeschätzt). Zur Orientierung ist ein geothermischer Gradient eingezeichnet, der für eine mittlere Gesteinsdichte von 3g /cm³ gilt. Die eingetragenen Reaktionskurven sind einerseits solche, die teilweise in eigenen Hochdruckexperimenten ermittelt wurden (Phasenübergänge: Diamant = Graphit, Coesit = Quarz; Reaktionen im Modellsystem MgO-Al2O3-SiO2-H2O: Talk (Tc) = Enstatit + Quarz oder Coesit + H2O +- Kyanit, Tc + Ky (Kyanit) = Pyrop + Coesit + H2O) und anderseits Begrenzungen der Stabilitätsfelder von Staurolith + Quarz + H2O, Chloritoid (Ctd) + H2O und Phlogopit + Kyanit + Quarz + H2O (Phl + Ky) im System K2O-FeO-MgO-Al2O3-SiO2-H2O, die aus Hochdruckexperimenten abgeleitet wurden.

Dennoch konnten beim ausgewählten Beispiel solche thermodynamischen Berechnungen zur Ermittlung des P-T Pfads, welcher in Abb. 5 dargestellt ist, wesentlich beitragen. Dieser Pfad könnte unter Heranziehen zahlreicher Geländebeobachtungen sowie geochronologischer Daten, die an ähnlichen Gesteinen durch russische Kollegen erzielt wurden, wie folgt interpretiert werden: Ein ehemals toniges Gestein gelangte durch noch nicht rekonstruierbare Prozesse an die Basis einer durch Gebirgsbildung verdickten kontinentalen Kruste. Bei dieser Gebirgsbildung entwickelte sich jedoch wie z.B. bei den heutigen Anden kein Akkretionskeil, so daß durch die Subduktion, möglicherweise einer ozeanischen Kruste, das Gestein von der Basis der darüberliegenden kontinentalen Kruste abgeschabt und mit dem subduzierten Material bis in Tiefen von rund 120 km (~ 35 kbar) verfrachtet wurde. Möglicherweise durch tiefgründige Scherzonen, welche durch den relativ kalten Keil des Oberen Erdmantels (siehe Abb. 10) reichen, wurde das Gestein innerhalb höchstens weniger Millionen Jahre durch Mitwirkung von H2O-reichen fluiden Phasen wieder an die Basis der kontinentalen Kruste, diesmal jedoch in den mittleren Abschnitt des Gebirges, zurücktransportiert. Dort liegt es heute als kleine Linse umgeben von Gneisen der tiefen kontinentalen Kruste vor. Solche Prozesse können generell die Existenz von Ultrahochdruckmetamorphiten an der heutigen Erdoberfläche erklären. Weiterhin könnten solche petrologischen Untersuchungen einen wesentlichen Beitrag zur Magmengenese in Zusammenhang mit Subduktionszonen (siehe nachfolgender Abschnitt) und anderer Fragestellungen leisten.


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