LV Petrologie d. Magm. u. Met., Teil Metamorphite, Vorlesung 1/15

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1 LV Petrologie d. Magm. u. Met., Teil Metamorphite, Vorlesung 1/15 1. Metamorphe Gefüge Gefüge erlauben uns die Rekonstruktion der Entwicklung eines metamorphen Gesteins und seiner Deformationsgeschichte (Kinematik) 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 Korngrenzen o High-angle Korngrenzen meist zwischen Körnern verschiedener Minerale o Low-angle Korngrenzen oft zwischen gleichem Mineral (z. B. Quarz), Subkörner Zwillingsgrenzen Stapelfehler

2 LV Petrologie d. Magm. u. Met., Teil Metamorphite, Vorlesung 2/15 Diffusion in Feststoffen 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) 1. Diffusionsgesetz von Fick

3 LV Petrologie d. Magm. u. Met., Teil Metamorphite, Vorlesung 3/15 D Diffusionskonstante [m 2 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! -V n.δg v > A n.σ

4 LV Petrologie d. Magm. u. Met., Teil Metamorphite, Vorlesung 4/15 V n Volumen des Kristallkeims; A n Oberfläche des Kristallkeims; G Gibbsche freie Energie; σ Oberflächenspannung; T e Gleichgewichtstemperatur; T r tatsächliche Reaktionstemperatur Nukleation begünstigt durch: Zunahme des ΔG v (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

5 LV Petrologie d. Magm. u. Met., Teil Metamorphite, Vorlesung 5/15

6 LV Petrologie d. Magm. u. Met., Teil Metamorphite, Vorlesung 6/15 Gefüge von Metamorphiten spiegelt Wechselwirkung von Nukleation und Wachstum wider 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

7 LV Petrologie d. Magm. u. Met., Teil Metamorphite, Vorlesung 7/15 Anisotropes Wachstum: bestimmte Flächen wachsen schneller -> nematoblastisches und lepidoblastisches Gefüge Ungleichgewichtsgefüge Einschlüsse in Idioblasten unvollständige Reaktionsgefüge chemische Zonierung in Mineralen Wachstumszonierung o Fraktionierung (z.b. Mn in Granat) o kontinuierliche Reaktion(en); Änderung des K D Wertes mit P-T retrograde Zonierung: o begrenzte Diffusion bei Abkühlung an Kornkontakten, v.a. Mg-Fe Austausch 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

8 LV Petrologie d. Magm. u. Met., Teil Metamorphite, Vorlesung 8/15 Retrograde Zonierung im Granat Drucklösung

9 LV Petrologie d. Magm. u. Met., Teil Metamorphite, Vorlesung 9/ 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

10 LV Petrologie d. Magm. u. Met., Teil Metamorphite, Vorlesung 10/15 Rekristallisation mit Deformation 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. Recrystallization by (a) grain-boundary migration (including nucleation) and (b) subgrain rotation. From Passchier and Trouw (1996) Microtectonics. Springer- Verlag. Berlin.

11 LV Petrologie d. Magm. u. Met., Teil Metamorphite, Vorlesung 11/ 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.

12 LV Petrologie d. Magm. u. Met., Teil Metamorphite, Vorlesung 12/15 Übergang von kataklastischer zu duktiler Deformation 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 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 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)

13 LV Petrologie d. Magm. u. Met., Teil Metamorphite, Vorlesung 13/15 Typical textures of contact metamorphism. From Spry (1969) Metamorphic Textures. Pergamon. Oxford Gefüge der Regionalmetamorphose Dynamothermisch (Kristallisation unter dynamischen Bedingungen) Orogenese: lang dauernde Gebirgsbildung Kann mehrere tektonische Ereignisse und mehrere Deformationsphasen umfassen Begleitender Metamorphosezyklus mit einem oder mehreren Reaktionsereignissen 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)

14 LV Petrologie d. Magm. u. Met., Teil Metamorphite, Vorlesung 14/15 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

15 LV Petrologie d. Magm. u. Met., Teil Metamorphite, Vorlesung 15/15 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).