1. Metamorphose in Quarz-Feldspat-Gesteinen

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1 1. Metamorphose in Quarz-Feldspat-Gesteinen Saure Magmatite (z.b. Granit, Granodiorit, Rhyolith) Orthogestein Protolithe der Quarz-Feldspat-Gesteine Feldspatreiche Sandsteine (z.b. Arkose, Grauwacke) Paragestein

2 Metamorphose in Quarz-Feldspat-Gesteinen Jadeit-Gneis Ortho- oder Paragneis Migmatit Granulit Hornfels

3 Experimentell kalibrierte Mineralreaktionen im KNASH-System Nach Spear (1993)

4 PT-Diagramm mit ausgewählten Reaktionen im CASH-System nach Chatterjee et al. (1984)

5 Petrogenetisches Netz für das CKNASH- System mit Quarz und H 2 O im Überschuss nach Spear (1993)

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7 Ortho- oder Paragneis? Kennzeichen von Paragneisen Kompositionelle Bänderung Auftreten von ehemals sedimentären Klasten und Geröllen (Metakonglomerat) Zwischenschaltung von definitiv metasedimentären Lagen (z.b. von Karbonaten oder von quarzitischen Lagen) Metamorphe Minerale, die auf pelitische Edukte hinweisen wie die Alumosilikate Sillimanit, Kyanit oder Andalusit, ausserdem Cordierit und Granat

8 Gebänderter Paragneis

9 Ortho- oder Paragneis? Kennzeichen von Orthogneisen Fehlen einer kompositionellen Bänderung Spezielle Form der Gneiskörper (oft ist die ehemalige Form von Intrusivkörpern auch nach der Metamorphose noch vorhanden) Auftreten von magmatischen Reliktstrukturen (Kontakte zum Nebengestein, Chilled Margin Strukturen, Kontaktmetamorphe Phänomene und Xenolithe) Magmatische Reliktminerale oder Pseudomorphosen nach diesen; speziell werden Feldspataugen, Pseudomorphosen nach Hochquarz oder mafische Minerale (wie Hornblenden mit Ti-reichem Kern oder Augitreste) als Hinweis auf den magmatischen Protolith gesehen werden Typische paragene Minerale (z.b. Alumosilikate, Cordierit, Granat) fehlen in der Regel

10 Orthogneis mit Feldspataugen

11 Stängeliger Orthogneis

12 Schwellentemperaturen für die Sammelkristallisation von Phasen Eis: ca. -20 C Kalzit: ca. 250 C Quarz (lange Zeit, H 2 O anwesend): 275 C Quarz (kurze Zeit, H 2 O anwesend): 575 C (i) Bleiglanz: ca. 300 C Dolomit: ca. 450 C Plagioklas: C (i) Kalifeldspat: C (i) Olivin: C Amphibole: ca. 550 C Klinozoisit: ca. 550 C Cordierit: ca. 550 C Nephelin: ca. 600 C Pyroxene: ca C

13 Petrogenetisches Netz für das CKNASH- System mit Quarz und H 2 O im Überschuss nach Spear (1993)

14 Migmatisierung Migmatitisierung, d.h. das partielle Aufschmelzen eines Gesteins, erfolgt bei sehr hohen Metamorphosetemperaturen ("Ultrametamorphose") zumeist nach der zweiten Sillimanit-Isograde Muskowit + Quarz <==> Sillimanit + Kalifeldspat + H 2 O. Meist kommt es zunächst bei relativer hoher H 2 O-Fugazität und mittleren Drucken zur Entstehung einer silikatischen Teilschmelze auf Kosten von Muskowit und Biotit nach den Reaktionen Muskowit + Quarz + H 2 O <==> Sillimanit + Kalifeldspat + Schmelze Muskowit + Biotit + Quarz + H 2 O <==> Sillimanit + Kalifeldspat + Schmelze. bzw. Bei etwas höheren Temperaturen erfolgt dann zunächst das Dehydratationsschmelzen des Muskowits nach der Formel Muskowit + Quarz <==> Sillimanit + Kalifeldspat + Schmelze und später auch die Dehydratation des Biotits gemäss den Reaktionen Biotit + Sillimanit + Quarz <==> Kalifeldspat + Cordierit + Schmelze Biotit + Sillimanit + Quarz <==> Kalifeldspat + Granat + Schmelze. und

15 Petrogenetisches Netz für das CKNASH- System mit Quarz und H 2 O im Überschuss nach Spear (1993)

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17 Petrogenetisches Netz für das CKNASH- System mit Quarz und H 2 O im Überschuss nach Spear (1993) 29: Ab + Kfs + Qtz + H 2 O <==> melt 30: Ab + Qtz + H 2 O <==> melt 31: Kfs + Qtz + H 2 O <==> melt 10: Ms + Qtz <==> Kfs + AS + H 2 O

18 Dehydrationsreaktion zum Muskowitabbau und Granit-Schmelzreaktion mit abnehmender H 2 O-Aktivität berechnet für unterschiedliche Werte von XH 2 O nach Kerrick (1972)

19 Migmatisierung Den Vorgang der Teilschmelzbildung bezeichnet man als Anatexis und die hierbei entstehenden Gesteine werden Migmatite (auch "Mischgesteine") genannt. Folgende Nomenklatur ist im Gebrauch: Paläosom ist das mehr oder weniger unveränderte Ausgangsgestein. Neosom ist das stark veränderte Produkt der Migmatisierung. Man untergliedert Neosom in das Leukosom (meist eine granitische Teilschmelze) und in das Melanosom (Anreicherungen an dunklen Mineralen wie Biotit, Hornblende und Pyroxene). Die Nomenklatur der Migmatite wurde vor allem durch Mehnert (1968) begründet und basiert auf der räumlichen Verteilung des Leukosoms im Gestein. Man unterscheidet: Agmatite (agmatitc migmatites): Migmatite mit Bruchstücken von Paläosom in Neosom. Diktyonite (dictyonitic migmatites): Hornblendereiche Teilschmelzen. Stromatite (stromatitc migmatites): Migmatite mit lagenförmigem Leukosom. Arterite (vein type migmatites): Migmatite mit adernförmigem Leukosom. Nebulite (nebulites): Migmatite mit nebulösen Flecken. Ptygmatische Migmatite (ptygmatic migmatites): Migmatite mit intensiv gefaltetem Leukosom. Migmatite im fortgeschrittenen Zustand der Aufschmelzung werden als Diatexite bezeichnet.

20 Texturen von Migmatiten aus Wimmenauer (1985)

21 Stromatitischer Migmatit

22 Ternäres Granitsystem bei 1 bar nach Schairer (1957) sowie Tuttle & Bowen (1958); T Minimum liegt bei 960 C.

23 Ternäres Granitsystem bei 5 kbar (P H2 O =P T ) nach Luth et al. (1964); das ternäre cotektische Minimum liegt hier bei ~650 C.

24 Hochdruckmetamorphose bei Quarz-Feldspat-Metamorphiten Hochdruckmetamorphe, d.h. eklogitfazielle Quarz-Feldspat-Gesteine sind eher selten, da quarzund feldspatreiche Gesteine nur selten subduziert werden. Zumeist kommt es in einem solchen Fall zu einer Barrow-Typ Metamorphose mit typischem PT-Pfad im Uhrzeigersinn. Es existieren jedoch in Kollisionsorogenen z.t. solche Metamorphite wie z.b. im Bereich des Dabie Shan Gebirges in China oder am Monte Mucrone in Italien.

25 Hochdruckmetamorphose bei Quarz-Feldspat-Metamorphiten Am Monte Mucrone, wo solche Metagranite zum ersten mal beschrieben wurden, werden diese als Mucronite bezeichnet. Nach der metamorphen Nomenklatur sind es eigentlich Granat-Jadeit- Zoisit-Quarz Gneise, die als Relikte der magmatischen Paragenese noch Biotit und Mikroklin enthalten. Die Hochdruck-Metamorphose erfolgte bei maximalen PT-Bedingungen von etwa C und > 14 kbar. Bemerkenswert sind die deutlich unterschiedlichen Typen der Überprägung in verschiedenen Bereichen des Mucronitkörpers. Im Kern des ehemaligen Granit-Plutons ist die richtungsloskörnige, magmatische Textur noch klar erkennbar, während im Randbereich eine starke Scherung das Gestein mylonitisch überprägt hat. Während im Kern die Paragenesen des PT-Maximums der Metamorphose erhalten sind, zeigen die mylonitischen Partien am Rand oft retrograde Mineralvergesellschaftungen.

26 Hochdruckmetamorphose bei Quarz-Feldspat-Metamorphiten Folgende Mineralreaktionen können in den Mucroniten beobachtet werden: Kernbereich des Metagranits: 4 Anorthit + H 2 O <==> 2 Zoisit + Kyanit Anorthit + Calcit + H 2 O <==> Zoisit + CO 2 Albit <==> Jadeit + Quarz Biotit <==> Granat + Phengit + Rutil +- Quarz, H 2 O

27 Hochdruckmetamorphose bei Quarz-Feldspat-Metamorphiten Stabilität des Kalifeldspats während der Hochdruck-Metamorphose Kalifeldspat (ibs. Mikroklin und Orthoklas) ist im Gegensatz zu Plagioklas während der Hochdruck-Metamorphose im Bereich von Subduktionszonen recht stabil. Man beobachtet ihn sogar bis in den Bereich der Ultra-Hochdruckmetamorphose. Gewöhnlich erfolgt jedoch bei Anwesenheit von wässriger fluider Phase bei angehobenen Drucken die Reaktion von Kalifeldspat + n H 2 O <==> K-Cymrit (KAlSi 3 O 8 *n H 2 O; n 1) K-Cymrit ist neben Phengit der Hauptträger von Kalium und Wasser im oberen Mantel und ist stabil von kbar bei C. Bei deutlich höheren Drucken entsteht die monokline, wasserfreie Phase K-Hollandit mit der Formel KAlSi 3 O 8. Im Gegensatz zum Kalifeldspat liegen bei diesem Mineral Si und Al in 6 er-koordination vor. K-Hollandit ist bis in den Bereich der Grenze von Erdmantel zu Erdkern stabil, d.h. bei Drucken von kbar.

28 Plagioklase Granate ACNF-Diagramm nach Spear (1993)

29 ACNF-Diagramm nach Spear (1993) Ky Czo Jd Grt

30 Hochdruckmetamorphose bei Quarz-Feldspat-Metamorphiten Folgende Mineralreaktionen können in den Mucroniten beobachtet werden: Kernbereich des Metagranits: 4 Anorthit + H 2 O <==> 2 Zoisit + Kyanit Anorthit + Calcit + H 2 O <==> Zoisit + CO 2 Albit <==> Jadeit + Quarz Biotit <==> Granat + Phengit + Rutil +- Quarz, H 2 O Randbereich: Jadeit + Fe-Mg-Silikat * <==> Chloromelanit * * +- Quarz, H 2 O Mikroklin + Fe-Mg-Silikat + Quarz + H 2 O <==> Phengit (Sericit) * z.b. Biotit, Granat oder Chlorit * * als Chloromelanit bezeichnet man ein Gemenge aus Omphacit und Glaukophan

31 2. Metamorphose in Quarziten Protolithe der Quarzite Sandsteine (in extrem seltenen Fällen auch Silexite) Vornehmlich Paragesteine

32 Metamorphose in Quarziten Meist zeigen Quarzite aufgrund der schnellen Rekristallisation von Quarz bei relativ niedrigen Temperaturen keine ausgeprägte Foliation sondern ein kompaktes, richtungslos körniges Gefüge. Lediglich bei Verunreinigungen sind kompositionelle Bänderung, Foliation und Faltentexturen erkennbar.