3. Orogene Metamorphose (Regionale Metamorphose; Thermodynamometamorphose; engl. dynamo-thermal metamorphism)

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1 LV Petrologie der Magmatite und Metamorphite, Teil Metamorphite, Orogene Metamorphose 1/12 3. Orogene Metamorphose (Regionale Metamorphose; Thermodynamometamorphose; engl. dynamo-thermal metamorphism) Prozesse und Ursachen: Destruktive Plattenränder: Orogene regionalen Ausmaßes (x00 km * x0 km) Subduktionszonen und Kontinent-Kontinent Kollisionszonen: Versenkung von Gesteinen in große Tiefe Kompressionstektonik; Metamorphose wird von Deformation begleitet Änderung von P-T und Spannung (stress); geringe Veränderung der Zusammensetzung durch Dehydration von OH-haltigen Mineralen, Dekarbonatisation von Karbonaten Zeitdauer der Prozesse: lange andauernd (x) - x0 Mio. Jahre Gliederung geothermischer Gradient kann variieren (-> Kontrolle durch plattentektonische Position) Hochdruck-Niedrigtemperatur-Metamorphose : Subduktionszonen; niedrig (~10 C/km) Normale Regionalmetamorphose ("Barrow-Typ"): Kollision mit Krustenverdickung; normaler mittel (~30 C/km) Niedrigdruck-Hochtemperatur-Metamorphose ("Abukuma-Typ"): Extension mit Krustenausdünnung; Vulkanismus und Plutonismus an Inselbögen; erhöht (>30 C/km) Protolithe (engl. protholith): breites Spektrum möglich; subduzierte ozeanische Kruste (Basalte etc.), diverse Sedimente und Vulkanite, ältere metamorphe und plutonische Krustengesteine Gefüge (engl. fabric): feinkörnig, ungeregelt, teilweise Mineralumwandlung (Pseudomorphosen) bei niedrig gradiger Metamorphose (Zeolithfazies); mittel- bis grobkörnig, oft porphyroblastisch, deutlich geregelte Gefüge bei mittel- bis hochgradiger Metamorphose (z.b. Schiefer, Gneise der Grünschiefer und Amphibolitfazies); granoblastische weniger deutlich gerichtete Gefüge bei Glimmer- und Amphibol-freien Gesteinen (z.b. Quarzit, Marmor); nicht gerichtete granoblastische Gefüge bei einigen hochgradig metamorphen Gesteinen (z.b. Eklogit, Granulit)

2 LV Petrologie der Magmatite und Metamorphite, Teil Metamorphite, Orogene Metamorphose 2/ Hochdruck-Niedrigtemperatur-Metamorphose Starke Perturbation der thermischen Struktur und des isostatischen Gleichgewichtes in der Kruste und im Mantel im Bereich von Subduktionszonen: kühle ozeanische Lithosphäre wird rascher subduziert als sich ein thermisches Gleichgewicht einstellen kann. Direkte Beziehung von Hoch-P Niedrig-T Metamorphose zu aktiven Subduktionszonen kann beobachtet werden: z.b. Japan; Westküste der USA; Ägäis

3 LV Petrologie der Magmatite und Metamorphite, Teil Metamorphite, Orogene Metamorphose 3/12 Fazies der Hoch-P Niedrig-T Metamorphose Zeolith Fazies und Prehnit-Pumpellyit Fazies (Subgreenschist facies) Blauschiefer Fazies Eklogit Fazies Selten sind Faziesübergänge im Gelände dokumentiert (z.b. Coastal Ranges, Kalifornien)

4 LV Petrologie der Magmatite und Metamorphite, Teil Metamorphite, Orogene Metamorphose 4/12 Charakteristische Minerale und Gesteine Blauschiefer auch als Glaukophanschiefer bezeichnet, entstehen aus basaltischen Protolithen. Namengebend ist der blaue Na-Amphibol Glaukophan (Na 1+ - Al 3+ Substitution für Ca 2+ - Mg 2+ ). Ein weiteres typisches Mineral in diesen Gesteinen ist Lawsonit (Ca, Al 2 (OH) 2 [Si 2 O 7 ] H 2 O und im Übergangsbereich zu Eklogiten Na-Al reicher Pyroxen (Omphazit). Epidot und Na-Glimmer (Paragonit) können auftreten. In Metapeliten sind zusätzlich phengitische Hellglimmer, Talk, Chlorit neben Quarz wichtig. Die stabile CaCO 3 - Modifikation in Metakarbonaten ist Aragonit. Plagioklas (Albit) ist nicht stabil. Oft sind in den Gesteinen magmatische Reliktgefüge erhalten. Eklogite: Bei noch höheren Drucken entstehen aus basaltischen Ausgangsgesteinen Gesteine mit der diagnostischen Mineralvergesellschaftung Mg-reicher Granat + Omphazit (Nareicher Klinopyroxen) ± andere Minerale. Plagioklas ist nicht stabil. P >12-14 kbar; T C.

5 LV Petrologie der Magmatite und Metamorphite, Teil Metamorphite, Orogene Metamorphose 5/12 Granat: Omphazit: Wichtige Reaktionen Plagioklas und Hornblende, die typische Mineralvergesellschaftung von Metabasiten der Amphiboitfazies, sind nicht mehr stabil! Ab = Jadeit + Quarz (Jadeitkomponente in Omphazit) An = Ca-Tschermak Komponente + Quarz (in Omphazit) Verfügbarkeit von Wasser entscheidend für Umwandlung von Plagioklas, da sonst keine Reaktion (oft bleiben wasserfreie magmatische Relikte (z.b. Gabbros) erhalten. 4An ± H 2 O = 2 Zoisit + Kyanit + Quarz Retrograde Reaktionen laufen in vielen Eklogiten of unvollständig ab -> Reaktionsgefüge; daraus Rekonstruktion des P-T-t Pfades der immer durch ± isothermische Dekompression gekennzeichnet ist.

6 LV Petrologie der Magmatite und Metamorphite, Teil Metamorphite, Orogene Metamorphose 6/ Regionale Dynamothermo-Metamorphose (Barrow-Typ Metamorphose) Ursachen und Prozesse Kollision von Lithosphärenplatten an destruktiven Plattengrenzen (fortgeschrittenes Stadium des Wilson Zyklus) führt zu Krustenverdickung Isostatischer Ausgleichsbewegung (engl. buoyancy) der verdickten Lithosphäre (kontinentale Kruste hat niedrigere Dichte als Mantel!); Hebung (engl. uplift) und Exhumation; Erosion als gegenwirkende Kraft spontaner Anstieg des Drucks in verdickter Kruste; Deformation wesentlich langsamerer thermischer Ausgleich (engl. thermal relaxation) Modellierung der Druck-Temperatur-Zeit (P-T-t) Entwicklung der Gesteine: - homogene Verdickung (homogeneous thickening) eines Krustensegmentes - Verdickung infolge Überschiebung (overthrusting) Beide Modelle ergeben ähnliche P-T-t Pfade: beträchtliche Dekompression; thermischer Höhepunkt der Metamorphose wird nach dem Druckhöhepunkt erreicht ("clockwise P-T-t path")

7 LV Petrologie der Magmatite und Metamorphite, Teil Metamorphite, Orogene Metamorphose 7/12 Abb. 1. Thermotektonisches Modell für Kontinentkollision infolge homogener Deformation. a. Steady State Bedingungen am Beginn der Kollision. (b) Deformation eines Blocks der Lithosphäre durch homogene Deformation nach der Kollision. Die Isothermen sind weiter von einander entfernt. Eine gestörte Geotherme mit einem niedrigeren geothermischen Gradienten ist die Folge. (c) Situation etwa 100 Ma nach der Kollision mit Hebung und Erosion und teilweiser thermischer Ausgleich der Isothermen. (d) Vergleich der gestörten Geotherme mit der Steady State Geotherme. (e) Entwicklung der Geothermen nach 20, 60 und 120 Ma nach der Kollision. (f) Tiefe T- t Kurven von Gesteinen aus unterschiedlicher Tiefe des deformierten Blocks (aus Mason, 1990).

8 LV Petrologie der Magmatite und Metamorphite, Teil Metamorphite, Orogene Metamorphose 8/12 Fazies der Barrow-Metamorphose Faziesentwickung des Mitteldruckbereiches zwischen ca C Zeolith Fazies und Prehnit-Pumpellyit Fazies (= Subgrünschieferfazies) Grünschieferfazies Amphibolitfazies Granulitfazies (selten) - Chlorit-Zone: Chlorit+phengit. Muscovit +Quarz+Albit±Calcit ±Stilpnomelan±Paragonit - Biotit-Zone: Biotit+ phengit. Muscovit+Chlorit+Quarz+Albit±Calcit - Granat-Zone: Granat+Biotit+Muscovit+Chlorit+Quarz+Albit+Epidot; Chloritoid - Staurolith-Zone: Staurolith+Granat+Biotit+Muscovit+Quarz+Plagioklas (ev. Chlorit) - Kyanit (Disthen)-Zone: Kyanit±Staurolith+Granat+Biotit+Muscovit+Quarz+Plagioklas - Sillimanit-Zone: Metamorphe Mineralzonen der Regionalmetamorphose (Barrow -Zonen) Erstmals wurde eine systematische Änderung der mineralogischen Zusammensetzung metamorpher Gesteine im regionalen Maßstab im SE der schottischen Highlands beschrieben (Barrow 1912). Metasedimente und Metabasite des Dalradian und Moine (Proterozoikum- Kambrium), vor allem tonig-siltige Protolithe, spiegeln einen Anstieg der P-T Bedingungen der Metamorphose von Bedingen der Grünschieferfazies zur Amphibolitfazies wieder. Sillimanit±Staurolith+Granat+Biotit+Muscovit+Quarz+Plagioklas+Kyanit- Relikte

9 LV Petrologie der Magmatite und Metamorphite, Teil Metamorphite, Orogene Metamorphose 9/12 Metamorphosezonierung in Metapeliten der östlichen schottischen Highlands Mineralvergesellschaftungen in Metapeliten bzw. Metabasiten in den einzelnen Zonen

10 LV Petrologie der Magmatite und Metamorphite, Teil Metamorphite, Orogene Metamorphose 10/12 Indexmineral, Isograde, Reaktionsisograde Nach der Definition von Tilley (1924): Jenes Mineral, das erstmalig in einer Zone auftritt und nach dem die Zone benannt ist, wurde als Indexmineral (index mineral) bezeichnet. Eine im Gelände kartierbare Grenze/Linie an der erstmalig ein Indexmineral auftritt wurde als Isograde (engl. isograde) bezeichnet. Heutige Definition: Das Erstauftreten eines Minerals hängt nicht nur von P-T ab, sondern auch vom Gesteins- und Fluidchemismus (X). Eine Linie (in 3D eigentlich eine Fläche), definiert durch das Erstauftreten einer Mineralvergesellschaftung (Minerale sind miteinander im chemischen Gleichgewicht!), wird als Reaktionsisograde (reaction isograde) bezeichnet. Wichtige Gesteine der regionalen Versenkungsmetamorphose siehe auch Übungsunterlagen! Metapelite/Metapsammite: Phyllit, Glimmerschiefer, Paragneis, Quarzit, Metakomglomerate Metakarbonatgesteine: Marmore (Kalk-, Dolomitmarmor); Kalk-Silikatgesteine Metamorphe Magmatite: basisch: Grünschiefer, Amphibolit; sauer: Orthogneis Meta-Ultramafite: Serpentinit

11 LV Petrologie der Magmatite und Metamorphite, Teil Metamorphite, Orogene Metamorphose 11/ Regionalmetamorphose bei niedrigen Drucken (Abukuma-Typ, Buchan-Typ Metamorphose) Ursachen und Prozesse Bereiche der kontinentalen Kruste mit erhöhtem Wärmefluß und höheren geothermischen Gradienten (> 30 km -1 ) als in stabiler kontinentaler Kruste; nicht allein mit Verdickung von Kruste erklärbar zusätzliche Zufuhr von Wärme durch Geotektonik o advektiven Transport von Wärme durch Magmen (z.b. Gabbrointrusionen) o erhöhter Wärmefluß aus dem asthenosphärischen Mantel in die Lithosphäre durch Extension vulkanische und plutonische Bögen Extensionsbereiche von Kruste; kontinentale Riftzonen (z.b. Basin & Range Provinz, USA), Back Arc Becken Metamorphe Fazies Die von Gesteinen durchlaufenen Fazies zwischen der Kontakt- und der Barrow-Typ Regionalmetamorphose. Grünschieferfazies Amphibolitfazies Granulitfazies. In einzelnen Gebieten kann man auch charakteristische Zonen kartieren; z.b. Buchan, Schottland Biotitzone -> Cordieritzone > Andalusitzone -> Sillimanitzone (siehe Abb.) Gesteine Das gesamte Spektrum an Gesteinen, aber mit Mineralen und Mineralvergesellschaftungen, die bei niedrigeren Drucken stabil sind. Metapelite und -psammite sind meist Schiefer oder Gneise mit großen Porphyro- bzw. Poikiloblasten niedriger und mittlerer Metamorphosegrad: Chlorit, Muscovit, Biotit, Andalusit, Cordierit, ± Staurolith, Quarz;

12 LV Petrologie der Magmatite und Metamorphite, Teil Metamorphite, Orogene Metamorphose 12/12 hoher Metamorphosegrad: Sillimanit, Spinell etc.; teilweise sogar Aufschmelzung -> Migmatite. Zonen der Buchan-Metamorphose in den schottischen Highlands

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