Das Ergebnis der Metamorphose hängt von Druck, Temperatur und der Menge der beteiligten Flüssigkeit ab, und es gibt viele Gebiete mit einzigartigen Kombinationen dieser Faktoren. Einige Arten der Metamorphose sind charakteristisch für bestimmte plattentektonische Gegebenheiten, andere hingegen nicht.
Burialmetamorphose tritt auf, wenn Sedimente so tief vergraben sind, dass Hitze und Druck dazu führen, dass Mineralien zu rekristallisieren beginnen und neue Mineralien wachsen, das Gestein jedoch kein blättriges Aussehen erhält. Metamorphe Prozesse finden bei relativ niedrigen Temperaturen (bis zu ~300 °C) und Drücken (mehrere 100 m Tiefe) statt. Für das unbewaffnete Auge sind metamorphe Veränderungen möglicherweise überhaupt nicht erkennbar. Vergleichen Sie das Gestein, das im Handel als Black Marinace Gold Granite (Abbildung 10.24) bekannt ist – bei dem es sich jedoch in Wirklichkeit um ein Metakonglomerat handelt – mit dem Metakonglomerat in Abbildung 10.10. Das durch Verschüttungsmetamorphose entstandene Metakonglomerat weist keine der Schieferung auf, die sich in dem Metakonglomerat in Abbildung 10.10 entwickelt hat.
Ein Hinweis zu kommerziellen Gesteinsbezeichnungen
Gesteinsbezeichnungen, die als Baumaterialien, insbesondere für Arbeitsplatten, verkauft werden, spiegeln möglicherweise nicht den tatsächlichen Gesteinstyp wider. Es ist üblich, die Begriffe Granit und Marmor zu verwenden, um Gesteine zu beschreiben, die keine sind. Diese Bezeichnungen geben zwar keine genauen Informationen über die Gesteinsart, unterscheiden aber im Allgemeinen zwischen Naturgestein und synthetischen Materialien. Ein Beispiel für ein synthetisches Material ist der so genannte Quarz, der sowohl gemahlene Quarzkristalle als auch Harz enthält. Wenn Sie auf dem Markt für Arbeitsplatten aus Stein sind und ein natürliches Produkt wünschen, sollten Sie viele Fragen stellen.
Regionaler Metamorphismus
Regionaler Metamorphismus bezieht sich auf großräumige Metamorphose, wie sie z. B. mit kontinentaler Kruste entlang konvergenter tektonischer Ränder (wo Platten zusammenstoßen) geschieht. Die Kollisionen führen zur Bildung langer Gebirgsketten, wie die entlang der Westküste Nordamerikas. Die Kraft der Kollision führt dazu, dass Gesteine gefaltet, gebrochen und aufeinander gestapelt werden, so dass nicht nur die Druckkraft durch die Kollision, sondern auch das Gewicht der gestapelten Gesteine wirkt. Je tiefer die Gesteine innerhalb des Stapels liegen, desto höher sind der Druck und die Temperaturen und desto höher ist der Grad der Metamorphose, der auftritt. Gesteine, die durch Regionalmetamorphose entstehen, sind aufgrund des starken Richtungsdrucks konvergierender Platten wahrscheinlich schichtförmig.
Das Himalaya-Gebirge ist ein Beispiel für Regionalmetamorphose, die durch den Zusammenstoß zweier Kontinente ausgelöst wird (Abbildung 10.25). Sedimentgestein wurde sowohl in große Höhen – fast 9 km über dem Meeresspiegel – geschoben als auch in große Tiefen verschüttet. Wenn man bedenkt, dass der normale geothermische Gradient (der Temperaturanstieg mit der Tiefe) in der Kruste etwa 30 °C pro Kilometer beträgt, könnte Gestein, das bis zu 9 km unter dem Meeresspiegel vergraben ist, in dieser Situation fast 18 km unter der Erdoberfläche liegen, und es ist vernünftig, Temperaturen von bis zu 500 °C zu erwarten. Beachten Sie die Abfolge der Gesteine, beginnend mit Schiefer weiter oben, wo Druck und Temperaturen niedriger sind, und endend mit Migmatit am Boden, wo die Temperaturen so hoch sind, dass einige der Mineralien zu schmelzen beginnen. Alle diese Gesteine sind aufgrund der starken Kompressionskraft der konvergierenden Platten schichtförmig.
Seafloor (Hydrothermal) Metamorphism
An einem ozeanischen Spreizungsrücken bewegt sich die kürzlich gebildete ozeanische Kruste aus Gabbro und Basalt langsam von der Plattengrenze weg (Abbildung 10.26). Das Wasser in der Kruste wird gezwungen, in der Nähe der vulkanischen Wärmequelle aufzusteigen und mehr Wasser von weiter weg anzusaugen. Dadurch entsteht schließlich ein konvektives System, bei dem kaltes Meerwasser in die Kruste gesaugt, auf seinem Weg durch die Kruste auf 200 °C bis 300 °C erhitzt und dann wieder auf den Meeresboden in der Nähe des Rückens entlassen wird.
Der Durchgang dieses Wassers durch die ozeanische Kruste bei diesen Temperaturen fördert metamorphe Reaktionen, die die ursprünglichen Olivin- und Pyroxenminerale im Gestein in Chlorit ((Mg5Al)(AlSi3)O10(OH)8) und Serpentin ((Mg, Fe)3Si2O5(OH)4) umwandeln. Chlorit und Serpentin sind beides hydratisierte Minerale, die in ihren Kristallstrukturen Wasser in Form von OH enthalten. Wenn die metamorphisierte Ozeankruste später subduziert wird, werden Chlorit und Serpentin in neue, nicht wasserhaltige Minerale umgewandelt (z. B., Granat und Pyroxen) umgewandelt, und das freigesetzte Wasser wandert in den darüber liegenden Mantel, wo es zum Schmelzen beiträgt.
Die niedriggradige Metamorphose, die bei diesen relativ niedrigen Drücken und Temperaturen auftritt, kann mafische Eruptivgesteine in der Ozeankruste in Grünstein verwandeln (Abbildung 10.27), einem nicht-blättrigen metamorphen Gestein, verwandeln.
Subduktionszonenmetamorphismus
An Subduktionszonen, wo ozeanische Lithosphäre in den heißen Erdmantel gepresst wird, herrscht eine einzigartige Kombination aus relativ niedrigen Temperaturen und sehr hohen Drücken. Die hohen Drücke sind zu erwarten, da die tektonischen Platten miteinander kollidieren und der lithostatische Druck zunimmt, wenn die subduzierende Platte immer tiefer in den Erdmantel gedrückt wird. Die niedrigeren Temperaturen sind darauf zurückzuführen, dass der Erdmantel zwar sehr heiß ist, die ozeanische Lithosphäre aber relativ kühl und ein schlechter Wärmeleiter ist. Das bedeutet, dass es sehr lange dauert, bis es sich erwärmt, und dass es mehrere hundert Grad kälter sein kann als der umgebende Mantel. In Abbildung 10.28 ist zu erkennen, dass die Isothermen (Linien gleicher Temperatur, gestrichelte Linien) zusammen mit der subduzierenden Platte tief in den Mantel eintauchen, was zeigt, dass es tiefer im Mantel Regionen mit relativ niedriger Temperatur gibt.
Eine besondere Art der Metamorphose findet unter diesen sehr hohen Druck-, aber relativ niedrigen Temperaturbedingungen statt und erzeugt ein Amphibolmineral, das als Glaukophan (Na2(Mg3Al2)Si8O22(OH)2) bekannt ist. Glaukophan ist blau und der Hauptbestandteil eines Gesteins, das als Blauschiefer bekannt ist. Wenn Sie noch nie Blauschiefer gesehen oder auch nur davon gehört haben, ist das nicht überraschend. Erstaunlich ist nur, dass ihn überhaupt jemand gesehen hat! Der Großteil des Blauschlages, der sich in Subduktionszonen bildet, wird weiterhin subduziert. In etwa 35 km Tiefe verwandelt er sich in Eklogit und sinkt schließlich tief in den Erdmantel ab, um nie wieder gesehen zu werden. Nur an wenigen Orten auf der Welt wurde der Subduktionsprozess unterbrochen, und teilweise subduzierter Blauschiefer kehrte an die Oberfläche zurück. Ein solcher Ort ist die Gegend um San Francisco. Der Blauschiefer an diesem Ort ist Teil einer Gesteinsgruppe, die als Franziskaner-Komplex bekannt ist (Abbildung 10.29).
Kontaktmetamorphismus
Kontaktmetamorphismus entsteht, wenn ein Magmakörper in den oberen Teil der Kruste eindringt. Wärme ist bei der Kontaktmetamorphose wichtig, aber Druck ist kein Schlüsselfaktor, so dass bei der Kontaktmetamorphose nicht-blättrige metamorphe Gesteine wie Hornfels, Marmor und Quarzit entstehen.
Jede Art von Magmakörper kann zu Kontaktmetamorphose führen, von einem dünnen Gang bis zu einem großen Lager. Die Art und Intensität der Metamorphose sowie die Breite der metamorphen Aureole, die sich um den Magmakörper herum entwickelt, hängen von einer Reihe von Faktoren ab, darunter die Art des Nebengesteins, die Temperatur des eindringenden Körpers, die Größe des Körpers und die flüchtigen Verbindungen im Körper (Abbildung 10.30). Eine große Intrusion enthält mehr thermische Energie und kühlt viel langsamer ab als eine kleine Intrusion, so dass mehr Zeit und mehr Wärme für die Metamorphose zur Verfügung stehen. Dadurch kann sich die Wärme weiter in das Gestein ausbreiten und eine größere Aureole bilden. Flüchtige Stoffe können sich aus der eindringenden Schmelze lösen und in das Nebengestein eindringen, wodurch die Erhitzung gefördert und chemische Bestandteile aus der Schmelze in das Gestein transportiert werden. Daher sind Aureolen, die sich um „nasse“ Intrusionen bilden, in der Regel größer als diejenigen, die sich um ihre trockenen Gegenstücke bilden.
Kontaktmetamorphe Aureolen sind in der Regel recht klein, von wenigen Zentimetern um kleine Dykes und Sills bis hin zu 100 m um einen großen Stock. Die Kontaktmetamorphose kann in einem breiten Temperaturbereich stattfinden – von etwa 300 °C bis über 800 °C. Je nach der genauen Temperatur und der Beschaffenheit des Gesteins bilden sich unterschiedliche Minerale.
Auch wenn sich Magmakörper in einer Vielzahl von Umgebungen bilden können, ist ein Ort, an dem Magma im Überfluss produziert wird und an dem Kontaktmetamorphose stattfinden kann, entlang konvergierender Grenzen mit Subduktionszonen, wo sich Vulkanbögen bilden (Abbildung 10.31). In diesem Umfeld findet auch Regionalmetamorphose statt, und aufgrund der zusätzlichen Wärme, die mit der magmatischen Aktivität verbunden ist, ist der geothermische Gradient in diesen Gebieten in der Regel steiler (zwischen ~40 und 50 °C/km). Unter diesen Bedingungen kann eine höhergradige Metamorphose näher an der Oberfläche stattfinden als in anderen Gebieten.
Stoßmetamorphismus
Wenn extraterrestrische Objekte auf die Erde treffen, entsteht eine Stoßwelle. Dort, wo das Objekt auftrifft, steigen Druck und Temperatur im Bruchteil einer Sekunde sehr stark an. Ein „sanfter“ Einschlag kann mit 40 GPa einschlagen und die Temperatur auf bis zu 500 °C erhöhen. Der Druck im unteren Erdmantel beginnt bei 24 GPa (GigaPascal) und steigt an der Kern-Mantel-Grenze auf 136 GPa, so dass der Aufprall das Gestein tief in den Erdmantel eintaucht und innerhalb von Sekunden wieder freisetzt. Die plötzliche Veränderung, die mit der Schockmetamorphose verbunden ist, unterscheidet sie stark von anderen Arten der Metamorphose, die sich über Hunderte von Millionen Jahren entwickeln können und mit der Veränderung der tektonischen Bedingungen beginnen und enden.
Zwei Merkmale der Schockmetamorphose sind geschockter Quarz und Scherbenkegel. Schockquarz (Abbildung 10.32 links) bezieht sich auf Quarzkristalle, die Schäden in Form von parallelen Linien im gesamten Kristall aufweisen. Der Quarzkristall in Abbildung 10.32 weist zwei Sätze dieser Linien auf. Bei den Linien handelt es sich um kleine Mengen glasartigen Materials innerhalb des Quarzes, das durch fast sofortiges Schmelzen und Wiedererstarren entstanden ist, als der Kristall von einer Stoßwelle getroffen wurde. Splitterkegel sind kegelförmige Brüche im Gestein, ebenfalls das Ergebnis einer Schockwelle (Abbildung 10.32 rechts). Die Brüche sind ineinander verschachtelt wie ein Stapel von Eistüten.
Dynamischer Metamorphismus
Dynamischer Metamorphismus ist das Ergebnis von sehr hohen Scherspannungen, wie sie entlang von Bruchzonen auftreten. Dynamische Metamorphose findet bei relativ niedrigen Temperaturen statt, verglichen mit anderen Arten von Metamorphose, und besteht hauptsächlich aus den physikalischen Veränderungen eines Gesteins, das Scherspannungen ausgesetzt ist. Sie betrifft einen schmalen Bereich in der Nähe der Verwerfung, während Gesteine in der Nähe unbeeinflusst erscheinen können.
Bei niedrigeren Drücken und Temperaturen bewirkt die dynamische Metamorphose das Brechen und Zermahlen von Gestein, wodurch kataklastische Gesteine wie Verwerfungsbrekzie entstehen (Abbildung 10.33). Bei höheren Drücken und Temperaturen können sich die Körner und Kristalle im Gestein verformen, ohne in Stücke zu brechen (Abbildung 10.34, links). Das Ergebnis einer lang anhaltenden dynamischen Metamorphose unter diesen Bedingungen ist ein Gestein namens Mylonit, in dem die Kristalle zu dünnen Bändern gestreckt wurden (Abbildung 10.34, rechts).
