Metamorphose UNI BASEL

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1 Metamorphose UNI BASEL

2 Das geologische Auftreten der Metamorphose Regionalmetamorphose Regionalmetamorphose in Orogenen Regionale Ozeanbodenmetamorphose Versenkungsmetamorphose Lokal begrenzte metamorphe Vorgänge Kontaktmetamorphose Pyrometamorphose Dynamometamorphose Impaktmetamorphose Hydrothermale Metamorphose

4 Kontaktmetamorphose Die Kontaktmetamorphose bezeichnet die Rekristallisation von Gesteinen in der thermischen Aureole, die sich durch das Eindringen heisser Schmelzen in den vergleichsweise kühlen Nebengesteinen eines Intrusivkörpers bildet.

5 Kontaktaureole des Granitplutons von Bergen (Vogtland) Granit Legende Theuma Bergen Kontaktmetamorphite Paläozoische Schiefer NW SE

6 Innerer Aureolenbereich: Hornfels

7 Mittlerer Aureolenbereich: Fruchtschiefer

8 Äusserer Aureolenbereich: Knotenschiefer

9 Bereich ausserhalb der Aureole: Tonschiefer

10 Hornfels Granit Fruchtschiefer Theuma Bergen Knotenschiefer Paläozoische Schiefer NW SE

11 Kontaktaureole des Granitplutons von Bergen (Vogtland) Granit Legende Theuma Bergen Kontaktmetamorphite Paläozoische Schiefer NW SE

12 Kontaktpneumatolytischer Turmalin (Rubellit)

13 Kontaktpneumatolytischer Topas neben Albit und Mikroklin

15 Pyrometamorphose Die Pyrometamorphose kann als Spezialfall einer Kontaktmetamorphose angesehen werden. Hier erfolgt der Kontakt des Nebengesteins mit der magmatischen Schmelze in einem sehr flachen Krustenniveau bei sehr hohen Temperaturen. Es kommt zu einer starken, aber kurzzeitige Erhitzung, die zum Aufschmelzen des Nebengesteins führt. Durch rapides Abkühlen bildet sich hierbei Glas. Solche glashaltigen Pyrometamorphite bezeichnet man als Buchit. 1 cm Buchit von der Blauen Kuppe (Hessische Senke)

17 Dynamometamorphose (auch Kinetische Metamorphose, Mechanische Metamorphose, Dislokationsmetamorphose oder Kataklastische Metamorphose): Als Dynamometamorphose wird die Gesteinsumwandlung im Zuge intensiver Verformung (meist Zerbrechen und Zermahlen) entlang von Bewegungshorizonten wie Überschiebungs- und auch Abschiebungsflächen sowie Verwerfungen bezeichnet. Obwohl vorwiegend destruktiv, kommt es dabei z.t. auch zu Mineralneubildungen. Die Dynamometamorphose findet meist bei relativ niedrigen Temperaturen statt. Im flachen Krustenniveau kommt es meist zu bruchhafter Verformung ohne ausgeprägte Rekristallisation, wohingegen in tieferen Bereichen lebhafte Rekristallisationsprozesse ablaufen können. Antagonistische Prozesse: - Verformungsprozesse spröder und/oder duktiler Art führen zu einer Kornverformung und/oder Kornverkleinerung - Kristallisation und Rekristallisationsprozesse führen zu einer Kornneubildung und somit zu einer Kornvergröberung Bei der Verformung laufen zwei unterschiedliche Deformationsprozesse ab: 1.) Kataklase Intensives Zerbrechen des Gesteins ohne Kohäsionsverlust 2.) Duktile Deformation Korngrössenreduzierung aufgrund von dynamischer Rekristallisation, z.t. mit Umformung von Altkörnern ("Porphyroklasten") zu "Subkörnern" (subgrains) und Pflastern von "Neuen Körnern" (new grains).

18 1.) Kataklase Intensives Zerbrechen des Gesteins ohne Kohäsionsverlust Kataklasit, Damxung-Jiali, Tibet

19 2.) Duktile Deformation Korngrössenreduzierung aufgrund von dynamischer Rekristallisation, z.t. mit Umformung von Altkörnern ( Porphyroklasten ) zu Subkörnern (subgrains) und Pflastern von Neuen Körnern (new grains). Mylonitgranit, südliche Bretagne, Frankreich

20 Nomenklatur der stark deformierten Metamorphite (a) Shallow fault zone with fault breccia (b) Slightly deeper fault zone (exposed by erosion) with some ductile flow and fault mylonite Schematic cross section across fault zones. After Mason (1978) Petrology of the Metamorphic Rocks. George Allen & Unwin. London.

21 Nomenklatur der stark deformierten Metamorphite Bruchzonen, Überschiebungsflächen etc.

22 Nomenklatur der stark deformierten Metamorphite Nomenklatur von Gesteinen mit Verformungsgefügen nach Heizmann (1985)

23 1.) Kakirit Lockergestein im Bereich einer Störungszone

24 2.) Pseudotachilit Glasiges Gestein mit kataklastischen Komponenten aus einer Störungszone

25 Beispiele für stark deformierte Gesteine Glarner Überschiebung SSE NNW Tschingelhörner Verrucano Kretazische Kalke Flysch

26 Beispiele für stark deformierte Gesteine Mylonite, Kataklasite VERRUCANO LOCHSEITENKALK SEPTUM FLYSCH Lochseiten-Kalkmylonit, Lochseite 5 mm Glarner Überschiebung

27 Beispiele für stark deformierte Gesteine Mylonite, Kataklasite VERRUCANO LOCHSEITENKALK SEPTUM FLYSCH Verrucano Kataklasit, Ringelspitz 5 mm Glarner Überschiebung

29 Impaktmetamorphose = Schockwellenmetamorphose (Dietz, 1961): Als Impakt- oder Schockmetamorphose wird die Gesteinsumwandlung durch Hochdruck-Schockwellen als Folge eines Meteoriteneinschlags bezeichnet. Die Zeitdauer beträgt wenige Mikrosekunden bis Bruchteil einer Minute. Als Neubildungen treten z.b. Coesit und Stishovit (= Hochdruckmodifikationen von SiO 2 ) sowie Diamant auf. "Geschockter" Quarz zeigt Spaltbarkeit! Weitere Hinweise auf Impakte sind erhöhte Iridium-Gehalte in bestimmten Abschnitten des Sedimentprofils sowie die Anwesenheit von Russpartikeln (als Resultat ausgedehnter Brände). Beispiele: Barringer (Meteor) Crater" in Arizona (1.2 km Durchmesser); Nördlinger Ries (26 km Durchmesser); Sudbury, Kanada (140 km Längsausdehnung), und Vredefort, Südafrika (190 km Durchmesser).

30 Geologische Karte des Nördlinger Ries (Impakt vor 15 Ma) Seitenansicht

31 Modell eines Impaktes am Beispiel des Nördlinger Ries Quelle: Riesmuseum Nördlingen

32 Nördlinger Ries mikroshock Moldavit Suevit Spaltrisse im Quarz Microdiamanten

33 Sudbury (1.7 Ga) Sudbury Imp km Synergy image of RADARSAT (S1) and vertical magnetic gradient data.

34 mikroshock Sudbury Planare Elemente im Quarz Knickbänder im Biotit

35 Sudbury Shatter-Cones

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38 Topographisches Modell des Chicxulub-Kraters (65 Ma)

39 Die Krater Tycho und Kopernikus auf dem Mond

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42 Hydrothermale Metamorphose (Coombs, 1961): Als Hydrothermale Metamorphose (Coombs, 1961) wird die Umkristallisation unter dem Einfluss hydrothermaler Lösungen bezeichnet. Dabei kommt es häufig zu Veränderungen des Gesamtgesteinschemismus Metasomatose.

43 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Cordierit-Sillimanit-Sapphirin-Gneis, Indien

44 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Laborexperimente System Piston-Cylinder Druck: 0-3 GPa Temperaturen: bis 1600 C Probenvolumen: mm 3

45 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Laborexperimente System Belt-Apparatur Druck: 3-9 GPa Temperaturen: bis 1800 C Probenvolumen: mm 3

46 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Laborexperimente System Multi-Anvil Typ Walker Druck: Bis 25 GPa Temperaturen: bis 2000 C Probenvolumen: 6-20 mm 3

47 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Laborexperimente

48 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Die Gibbssche Phasenregel F = C P + 2 P = Phasen C = Komponenten F = Freiheitsgrade

49 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Die Gibbssche Phasenregel F = C P + 2 Beispiel: Alumosilikate (Al 2 SiO 5 ) Andalusit (And) Sillimanit (Si) Kyanit (Ky) maximal 3 Phasen (And,Si,Ky) eine Komponente (Al 2 SiO 5 )

50 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Die Gibbssche Phasenregel F = C P + 2 Beispiel: Alumosilikate (Al 2 SiO 5 ) Andalusit (And) Sillimanit (Si) Kyanit (Ky) maximal 3 Phasen (And,Si,Ky) eine Komponente (Al 2 SiO 5 ) Fall 1: 1 Phase (Kyanit) F = = 2

53 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Die Gibbssche Phasenregel F = C P + 2 Beispiel: Alumosilikate (Al 2 SiO 5 ) Andalusit (And) Sillimanit (Si) Kyanit (Ky) maximal 3 Phasen (And,Si,Ky) eine Komponente (Al 2 SiO 5 ) Fall 1: 1 Phase (Kyanit) F = = 2 divariant

54 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Die Gibbssche Phasenregel F = C P + 2 Beispiel: Alumosilikate (Al 2 SiO 5 ) Andalusit (And) Sillimanit (Si) Kyanit (Ky) maximal 3 Phasen (And,Si,Ky) eine Komponente (Al 2 SiO 5 ) Fall 2: 2 Phasen (Kyanit, Sillimanit) F = = 1

55 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Die Gibbssche Phasenregel F = C P + 2 Beispiel: Alumosilikate (Al 2 SiO 5 ) X Andalusit (And) Sillimanit (Si) Kyanit (Ky) maximal 3 Phasen (And,Si,Ky) eine Komponente (Al 2 SiO 5 ) Fall 2: 2 Phasen (Kyanit, Sillimanit) F = = 1

56 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Die Gibbssche Phasenregel F = C P + 2 Beispiel: Alumosilikate (Al 2 SiO 5 ) Andalusit (And) Sillimanit (Si) Kyanit (Ky) X maximal 3 Phasen (And,Si,Ky) eine Komponente (Al 2 SiO 5 ) Fall 2: 2 Phasen (Kyanit, Sillimanit) F = = 1

57 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Die Gibbssche Phasenregel F = C P + 2 Beispiel: Alumosilikate (Al 2 SiO 5 ) Andalusit (And) Sillimanit (Si) Kyanit (Ky) univariant X maximal 3 Phasen (And,Si,Ky) eine Komponente (Al 2 SiO 5 ) Fall 2: 2 Phasen (Kyanit, Sillimanit) F = = 1

58 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Die Gibbssche Phasenregel F = C P + 2 Beispiel: Alumosilikate (Al 2 SiO 5 ) Andalusit (And) Sillimanit (Si) Kyanit (Ky) maximal 3 Phasen (And,Si,Ky) eine Komponente (Al 2 SiO 5 ) Fall 3: 3 Phasen (Kyanit, Sillimanit, Andalusit) F = = 0

59 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Die Gibbssche Phasenregel F = C P + 2 Beispiel: Alumosilikate (Al 2 SiO 5 ) Andalusit (And) Sillimanit (Si) Kyanit (Ky) maximal 3 Phasen (And,Si,Ky) eine Komponente (Al 2 SiO 5 ) X Fall 3: 3 Phasen (Kyanit, Sillimanit, Andalusit) F = = 0

60 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Die Gibbssche Phasenregel F = C P + 2 Beispiel: Alumosilikate (Al 2 SiO 5 ) Andalusit (And) Sillimanit (Si) Kyanit (Ky) maximal 3 Phasen (And,Si,Ky) eine Komponente (Al 2 SiO 5 ) invariant X Fall 3: 3 Phasen (Kyanit, Sillimanit, Andalusit) F = = 0

61 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Die Gibbssche Phasenregel F = C P + 2 Abschätzung der Anzahl der Mineralphasen in einem System Umstellen der Phasenregel zu P = C F + 2

62 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Die Gibbssche Phasenregel F = C P + 2 Abschätzung der Anzahl der Mineralphasen in einem System Umstellen der Phasenregel zu P = C F + 2 Unter das Annahme, dass die PT-Bedingungen bei der Mineralbildung konstant waren, gilt F = 0 und somit P = C + 2

63 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Die Gibbssche Phasenregel F = C P + 2 Abschätzung der Anzahl der Mineralphasen in einem System Umstellen der Phasenregel zu P = C F + 2 Unter das Annahme, dass die PT-Bedingungen bei der Mineralbildung konstant waren, gilt F = 0 und somit P = C + 2 Da sich P und T jedoch während der Metamorphose ständig ändern, gilt F = 2 und P = C

64 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Die Gibbssche Phasenregel F = C P + 2 Abschätzung der Anzahl der Mineralphasen in einem System Umstellen der Phasenregel zu P = C F + 2 Unter das Annahme, dass die PT-Bedingungen bei der Mineralbildung konstant waren, gilt F = 0 und somit P = C + 2 Da sich P und T jedoch während der Metamorphose ständig ändern, gilt F = 2 und P = C Allerdings entspricht diese Gesetzmässigkeit nicht der Natur, da in den Gesteinen immer deutlich mehr Komponenten als Phasen auftreten!

65 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Die Gibbssche Phasenregel F = C P + 2

66 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Die Gibbssche Phasenregel F = C P + 2 Aufgrund von Mischkristallbildungen in den Gesteinen gilt P C Mineralogische Phasenregel oder Goldschmittsche Phasenregel

67 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Die Gibbssche Phasenregel F = C P + 2 Aufgrund von Mischkristallbildungen in den Gesteinen gilt P C Mineralogische Phasenregel oder Goldschmittsche Phasenregel Unter Berücksichtigung der mobilen, volatilen Phase, die das Gestein verlassen kann, gelangt man zu P C - C mobil Korzinskijsche Phasenregel

68 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Metamorphe Phasendiagramme

69 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Metamorphe Phasendiagramme PT-Diagramme Vorteil: Schneller Überblick bzgl. PT-Bedingungen Nachteil: Meist keine Information über die Chemie der Phasen

70 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Metamorphe Phasendiagramme Komponenten in metamorphen Gesteinen SiO 2, TiO 2, Al 2 O 3, Fe 2 O 3, FeO, MgO, MnO, CaO, Na 2 O, K 2 O, H 2 O, CO 2 und P 2 O 5 Bedeutendstes Komponentenverhältnis für Metamorphite Al 2 O 3 : (FeO+MgO) : CaO : K 2 O

71 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Metamorphe Phasendiagramme Komponenten in metamorphen Gesteinen SiO 2, TiO 2, Al 2 O 3, Fe 2 O 3, FeO, MgO, MnO, CaO, Na 2 O, K 2 O, H 2 O, CO 2 und P 2 O 5 Bedeutendstes Komponentenverhältnis für Metamorphite Al 2 O 3 : (FeO+MgO+MnO) : CaO : K 2 O ACF- und A`KF-Diagramme nach Eskola (1915)

72 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Metamorphe Phasendiagramme ACF- und A`KF-Diagramme nach Eskola (1915) ACF-Diagramm A = Al 2 O 3 + Fe 2 O 3 (Na 2 O + K 2 O) C = CaO 3.3 P 2 O 5 F = MgO + FeO + MnO A + C + F = 100

73 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Metamorphe Phasendiagramme ACF- und A`KF-Diagramme nach Eskola (1915) ACF-Diagramm A = Al 2 O 3 + Fe 2 O 3 (Na 2 O + K 2 O) C = CaO 3.3 P 2 O 5 F = MgO + FeO + MnO A + C + F = 100 A`KF-Diagramm A`= Al 2 O 3 + Fe 2 O 3 (Na 2 O + K 2 O + CaO) K = K 2 O F = MgO + FeO + MnO A` + K + F = 100

74 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Metamorphe Phasendiagramme ACF- und A`KF-Diagramme nach Eskola (1915) Beispiel für amphibolitfazielle Mineralvergesellschaftungen

75 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Metamorphe Phasendiagramme ACF- und A`KF-Diagramme nach Eskola (1915) Beispiel für amphibolitfazielle Mineralvergesellschaftungen Die Phasenregel beschränkt die stabile Mineralparagenese auf drei Phasen x x = Gesamtgesteinszusammensetzung

76 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Metamorphe Phasendiagramme ACF- und A`KF-Diagramme nach Eskola (1915) Probleme bei der Mineralvergesellschaftung Cordierit Granat Biotit Orthoklas Die Phasenregel zeigt hier ein Ungleichgewicht bzw. eine Mineralreaktion an! x x = Gesamtgesteinszusammensetzung

77 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Metamorphe Phasendiagramme ACF- und A`KF-Diagramme nach Eskola (1915) Probleme bei der Mineralvergesellschaftung Cordierit Granat Biotit Orthoklas Die Phasenregel zeigt hier ein Ungleichgewicht bzw. eine Mineralreaktion an! x x = Gesamtgesteinszusammensetzung

78 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Metamorphe Phasendiagramme ACF- und A`KF-Diagramme nach Eskola (1915) Probleme bei der Mineralvergesellschaftung Cordierit Granat Biotit Orthoklas Die Phasenregel zeigt hier ein Ungleichgewicht bzw. eine Mineralreaktion an! x Lösung: Eisen fraktioniert stark in den Granat, Magnesium in den Cordierit. Biotit hat intermediäre Fe-Mg-Gehalte. x = Gesamtgesteinszusammensetzung

79 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Metamorphe Phasendiagramme Konsequenz: Konstruktion des AFM-Diagramms, welches Fe- und Mg-Gehalte der Minerale berücksichtigt, durch A.B. Thompson. Es ist besonders geeignet für metapelitische Mineralparagenesen.

80 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Metamorphe Phasendiagramme AFM-Diagramm nach Thompson (1976) Prinzip: Projektion von Muskowit (bei niedrig- bis mittelgradiger Metamorphose) oder Kalifeldspat (bei hochgradiger Metamorphose) Kfs

81 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Metamorphe Phasendiagramme AFM-Diagramm nach Thompson (1976) Prinzip: Projektion von Muskowit (bei niedrig- bis mittelgradiger Metamorphose) oder Kalifeldspat (bei hochgradiger Metamorphose) Kfs

82 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Metamorphe Phasendiagramme AFM-Diagramm nach Thompson (1976) a.) mit Muskowit als Projektionspunkt A = (Al 2 O 3-3 K 2 O) / (Al 2 O 3-3 K 2 O + MgO + FeO) F = FeO / (FeO + MgO); M = MgO / (FeO + MgO) b.) mit Kalifeldspat als Projektionspunkt Kfs A = (Al 2 O 3 -K 2 O) / (Al 2 O 3 -K 2 O + MgO + FeO) F = FeO / (FeO + MgO); M = MgO / (FeO + MgO)

83 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Metamorphe Phasendiagramme AFM-Diagramm nach Thompson (1976) Lage wichtiger Minerale im AFM-Diagramm mit Muskowit als Projektionspunkt Kfs

84 Chemisches Gleichgewicht und metamorphe Mineralreaktionen Metamorphe Phasendiagramme AFM-Diagramm nach Thompson (1976) Metamorphose in der Barrow-Zone (Muskowit als Projektionspunkt) Granat-Zone Staurolith-Zone Kyanit-Zone Sillimanit-Zone