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2017-09-28

Metamorphes Gestein- Entstehung, Definition und Merkmale sowie Unterscheidung (2)










Metamorphite

Definition und Entstehung

Metamorphe Gesteine entstehen aus älteren Gesteinen beliebiger Art. Durch Metamorphose (Umwandlung) vorhandener Gesteine durch Druck und Temperatur ändert sich die Mineralzusammensetzung des Gesteins und es werden neue Minerale bzw. Mineralaggregate gebildet die unter den neuen Bedingungen (Druck,Temperatur) stabil bleiben. In der Regel finden metamorphe Prozesse in einer Tiefe zwischen 10 und 30 Km statt.

Typisch für metamorphe Gesteine ist die Schieferung. Durch das Vorhandensein tafeliger Minerale (Glimmer, Chlorit) wird die Schieferung verursacht. Diese Minerale kristallisieren in dünnen schuppen-oder plattenförmigen Kristallen. Die Flächen der tafeligen Kristalle sind parallel zur Schieferung angeordnet. Dies wird als Einregelung bezeichnet. Das heißt: sie nehmen eine bevorzugte Richtung ein und diese verläuft senkrecht zur Hauptrichtung der Kräfte die während metamorphoser Prozesse das Gestein pressen.


Die unter unterschiedlichen Bedingungen entstandenen metamorphen Gesteine werden metamorphen Fazies zugeordnet. Teilweise aufgeschmolzene Gesteine (Anatexis) werden Migmatit genannt. Diese stellen einen Übergang zu einen magmatischen Gestein dar.


















Gesteinsmetamorphose

Unter veränderten physikalischen Bedingungen kommt es zur Um-bzw. Neubildung von Mineralien wobei des Gestein fest bleibt. Schmilzt ein Gestein so redet man, wie bereits erwähnt von Anatexis.

Die Abgrenzung der Matamorphose zur Diagnese kann nicht exakt gezogen werden da es auch bei der Diagenese zu Mineralneu-bzw. Mineralumbildung kommen kann. Von Autor zu Autor werden die Definition von Methamorphose verschieden interpretiert. Zumeist spricht man von Metamorphose wenn bestimmte Minerale noch auftreten bzw. nicht mehr vorhanden sind oder wenn Druck-oder Temperaturgrenzen überschritten werden.

Bleibt der Elementebestand eines Gesteins bei der Metamorphose unverändert liegt isochemische Metamorphose vor. Erhöht sich der Druck und Temperatur während der Metamorphose nennt man das prograde Metamorphose. Nehmen diese pysikalischen Größen ab liegt retrograde Metamorphose vor.

Vom Prinzip her beobachtet man 2 Arten der Umwandlung:

1.Phasenumwandlung: Aus vorhandenen Mineralen können neue Minerale entstehen. Einige Minerale können nur unter bestimmten Druck-bzw. Temperaturbedingungen nebeneinander bestehen. Ändern sich diese Bedingungen können die Minerale miteinander reagieren und neue Minerale bilden. Diese Reaktionen können sehr komplex sein.

2.Kristallisation: Es kommt zur Gefügeumwandlung des Gesteins. Durch Einregelung oder durch orientiertes Wachstum von Mineralen bildet sich eine Schieferung. Diese ist um so deutlicher je mehr Schichtsilikate im Gestein vorhanden ist.

Arten der Metametamorphose

Die Metamorphose ist abhängig vom Verlauf der Druck-und Temperaturbedingungen. Diese können sehr unterschiedlich sein so das verschiedene Metamorphosetypen entstehen.

1.Regionalmetamorphose

Von Regionalmetamorphose wird gesprochen wenn das Gestein über eine große Fläche der Metamorphose unterliegt. (z.T. Über 100 Km ) Hervorgerufen wird dies zumeist von großtektonischen Senkungen der Erdkruste. Typische Gesteine sind Glimmerschiefer, Gneise, Amphibolite u.v.a

2.Druckbedingte Metamorphose

Dieser Metamorphosetyp wird von relativ niedrigen Temperaturen aber hohen Drücken bestimmt. Gesteine die diesen Metamorphosetyp durchlaufen sind oft durch typische Minerale gekennzeichnet. Z.b. Glaucophan in Blauschiefer oder Omphacit in Eklogit.


3.Kontaktmetamorphose

Findet im Umkreis von magmatischer Intrusionen statt und ist eine temperaturabhängige Metamorphose. Das Gestein in der unmittelbaren Umgebung der Intrusion wird aufgeheizt und es finden Mineralreaktionen statt. Häufig fehlt die Schieferung und ein typisches Merkmal so entstandener Gesteine ist die Knotenbildung die durch die bereits erwähnte Mineralreaktion zustande kommt.
Typische Gesteine sind Hornfelse, Frucht- und Knotenschiefer









4.Dislokation-Metamorphose

In aktiven Störrungszonen wird das Gestein durch die Bewegung von 2 Blöcken gegeneinander verändert. Zerbricht das Gestein und wird zermahlen entstehen Kataklasite. Durch Neukristallisation können Mylonite mit einem Gefüge entstehen das durch die stete Bewegung gekennzeichnet ist.

5.Schockmetamorphose

Wird durch Stoßwellen hervorgerufen und kann bis zur Zerstörrung von Gesteinspartien oder der Kristallgitter führen. Es entstehen Hochdruckminerale wie z.b Coesit. Diese Art der Metamorphose ist beschränkt auf Meteoritenkrater oder tritt bei unterirdischen Atombombenversuchen auf.

Faktoren der Metamorphose

1.Temperatur

Bei Temperaturänderungen wird die Stabilität von Mineralen beeinflußt. Durch Temperaturerhöhung kommt es zu Reaktionen zwischen sich berührenden Mineralkörner. Die dafür notwendige thermische Energie hat verschiedenen Ursprungsquelle.

Durch zunehmende Versenkung kann der Temperaturanstieg 10 Grad/km betragen. Diese Temperaturerhöhung ist allerdings sehr gering und eine viel stärkere Temperaturerhöhung findet statt wenn es zu einem Magmaaufstieg kommt. Hier sind über 100 Grad/km zu erwarten. Die abgegebene Wärme des Magmas führt zu einer Umkristallisation im Nebengestein. Wird der Mineralbestand beibehalten spricht man von einer isophasen Metamorphose. Werden neue Minerale gebildet liegt eine allophase Metamorphose vor. Radioaktive Zerfallsreaktionen oder tektonische Reibungen (Friktionswärme) sind weitere Ursprungsquellen für eine Temperaturerhöhung und damit einhergehender metamorphoser Prozesse.

2.Druck

Beinflußt ebenfalls das Stabilitätsverhalten der Minerale und das Deformationverhalten. Viele metamorphe Prozesse sind drucksensitiv.

Die Einheit des Drucks ist das Pascak. (Pa)
1 Pascal = 1 Kg hoch -1 s hoch -2
In der Geologie wird meist der Druck in Kilobar angegeben 1Kbar=18 hoch 8 Pa oder 0,1 Gigapascal

Meistens wird der Druck durch die aufliegende Gesteinssäule erzeugt und somit nimmt der Druck mit der Mächtigkeit der aufliegenden Gesteinssäule zu. Dieser Druck wird lithostatischer Druck genannt. Aus der Gleichung P= phg ergibt sich die Beziehung zwischen lithosstatischen Druck und der Höhe der Gesteinssäule.

p= Dichte des aufliegenden Gesteins
g= Schwerebeschleunigung
h= Höhe der Gesteinssäule

Durchschnittlich ist die Dichte eines Gesteins 2,2 cm hoch -3 bis 3,0 cm hoch -3
Für einen Druck von 1kbar muß die Gesteinssäule eine Mächtigkeit von 3-4 km besitzen.

3. Spannung

Beeinflußt das Gesteinsgefüge. Der Druck der auf ein Gesteinspaket einwirkt ist nicht in allen Richtungen gleich groß. Oftmals existieren differenzielle Spannungen. Darunter versteht man das der Druck in der einen Richtung größer oder kleiner ist. Differenzielle Spannungen bewirken das das Gestein deformiert wird und im weiteren Verlauf Minerale eingeregelt werden oder ihre Form verändern. (gerichtetes Gefüge)

4.Zusammensetzung/Chemismus

Mineral-Mineral Reaktionen können durchlaufen werden wenn es zum Kontakt mit hydrothermalen Fluiden kommt. Gesteine enthalten zumeist fluide Phasen. Das sind vor allem H2O und/oder CO2. Andere Elemente und Moleküle wie CH4, N2 oder Cl kommen vor. Die fluiden Phasen sind im Kristallgitter eingebunden oder befinden sich im Porenraum der Gesteine. Sie können auch als dünner Film auf den Korngrenzen vorhanden sein. Bei entsprechenden Metamorphosebedingungen geben die Gesteine die fluiden Phasen ab.

Fluide Phasen wirken auf metamorphose Prozesse ein denn sie transportieren Wärme die wiederum unmittelbar an den metamorphen Prozessen beteiligt ist. Elemente und Moleküle die aus fluiden Phasen gelößt werden können die Gesteinszusammensetzung bzw. die isotopische Zusammensetzung von Gesteinen ändern.

5.Zeit

Vorher genannte Faktoren werden nur wirksam wenn sie in einer entsprechende zeitmäßigen Entwicklung geschehen. Z.b. werden Reaktionen beschleunigt wenn hohe Temperaturen vorliegen.

Die Klassifikation der Metamorphite wird nach Gefügeeigenschaften oder nach Mineralbestand vorgenommen. Es gibt eine Vielzahl von Klassifikationssystemen die jedoch für den Sammler auf Grund fehlender Analysemöglichkeiten nicht von Interesse sind. Daher gehe ich im wesentlichen nach einer Klassifikation nach Gesteinsfamilien ein, die meiner Meinung nach gut geeignet ist, als Grundlage einer Sammlung zu dienen.

Vom Prinzip her lassen sich metamorphe Gesteine in Ortho-bzw. Paragesteine einteilen. Bei Orthogesteinen handelt es sich um magmatische Gesteine das durch metamorphe Prozesse umgewandelt wurde. Bei Paragesteinen war das Ausgangsgestein ein Sediment.

Nach Gesteinsfamilien

Gneis-Familie

Darunter versteht man ein Gestein mit mehr als 20-30% Feldspatgehalt sowie Quarz, Glimmer, Amphibole und Pyroxene. Unterteilt werden sie entsprechend des Ausgangsmaterials in Ortho-bzw. Paragneise.

Weitere Einteilungen der Gneise:

Nach Ausgangsgestein: Granitgneis, Syenitgneis oder Geröllgneis
Nach Gemengeteile: Biotitgneis, Muskovitgneis usw.
Nach Gefüge: Augengneis, Plattengneis, Bändergneis, Flasergneis
Nach Farbe: Rotgneis, Graugneis

Granulit

Hierbei handelt es sich um basische, mafitreiche Gesteine.
Pyriklasit, Pyribolit, Pyrigarnit

Schiefer-Familie

Verformung und chemische Umkristallisation
Halbschiefer ( gering metamorphisierte Grauwacke)

Phyllit

Feinkörnige, deutlich schiefrige Gesteine mit seidigen Glanz (Chlorit und Glimmer sind wesentliche Bestandteile)

Quarzphyllit, Serizitphyllit, Glimmerschiefer, Tonschiefer, Kontaktschiefer, Garbenschiefer, Hornblendeschiefer, Grünschiefer, Aktinolithschiefer, Chloritschiefer, Prasinit, Talkschiefer, Glaukophanschiefer, Glaukophanit

Fels-Familie

Metamorphe Gesteine ohne Schiefrigkeit aber oftmals mit Paralleltextur.
Quarzit, Ludit, Kalksilikatfels, Amphibolit, Eklogit, Hornfels, Serpentinit, Marmor

Eine weitere Klassifikationmöglichkeit ist die Einordnung nach äußeren Kennzeichen nach dem Mineral-Faziesprinzip.

Hornfels-Fazies, Zeolith-Fazies, Grünschiefer-Fazies, Amphibolit-Fazies, Granulit-Fazies, Glaukophan-Fazies, Eklogit-Fazies

Silikatische Mineralneubildungen in metamorphen Gestein
Granat
Epidot
Chlorit

Porträts einiger metamorpher Gesteine

Gneis mit eingeregelten Mineralen
1.Gneis

Das Gestein entsteht durch gerichteten Druck. Sie werden durch geologische Prozesse gebildet die großräumige Gebiete betreffen. Dieser Metamorphosetyp wird daher Regionalmetamorphose genannt. Dabei werden Minerale verformt und kristallisieren zum Teil neu.









Der hohe Druck und die hohe Temperatur ermöglichen es überhaupt erst das einige Minerale neu entstehen können. Diese Minerale sind gute Anzeiger uns über die damaligen Geschehnisse zu informieren. An hellen Mineralen enthält Gneis meist Feldspat und Quarz manchmal neben den Feldspat auch Nephelin oder Cordierit. Dunkle Minerale sind Biotit und seltener auch Ambhibol. Insgesamt sind Gneise meistens helle Gesteine

Gneis mit eingeregelten Mineralen
Gneis mit eingeregelten Mineralen
  Paragneis, wie an anderer Stelle bereits erwähnt, entsteht aus einen Sedimentgestein. Orthogneis aus einen Vulkanit. Im Handstück ist eine Unterscheidung kaum möglich. Mit Sicherheit kann das nur im Gelände beobachtet werden wenn die Übergänge zum Muttergestein noch sichtbar sind. Paragneise sind meist, jedoch nicht immer, weiß-grau gefärbt während Orthogneise oft rötlich sind.

Gneise sind leicht an der Einregelung der Minerale zu erkennen. Helle Minerale müssen dem Gestein seinen prägenden Ausdruck verleihen. Dunkle Minerale insbesondere Glimmer dürfen nicht dominieren. Glimmer verursachen eine gute Teilbarkeit und das betreffende Gestein das viel Glimmer enthält rückt in die Nähe kristalliner Schiefer. Jedoch besitzt Gneis eine deutlich schlechtere Teilbarkeit als Schiefer. Schiefer werden definiert als ein dünnes plattiges, spaltbares Gestein. Spaltet man Gneis so zerbricht er in dickplattige Stücke oder Brocken.

2.Quarzit

Quarzit besitzt zumeist eine weißgraue oder weiße Farbe. Manchmal findet man Verunreinigungen durch Limonit was dem Gestein eine gelblich Farbe verleiht. Magnetit bzw. Pyrit läßt das Gestein braun oder grau erscheinen. Seltener sind Varianten die dkl.grün oder graublau gefärbt sind. (Dumortierit bzw. Kyanit) Auch rötliche Gesteine kommen vor wobei die Farbe hierbei durch Hämatit verursacht wird.

Quarzit besteht aus miteinander verbundenen Quarzkörnern deren Korngrenzen nicht mehr erkennbar sind.
Quarzit

Meist Sandstein, Kieselschiefer oder Radiolarite sind das Ausgangsgestein aus dem Quarzite entstehen. Durch Druck und Temperatur werden die Quarzkörner deformiert und die ehemals vorhandenen Porenräume werden je nach Metamorphosegrad beseitigt, so das die Korngrenzen wie bereits erwähnt, verschwinden.

Eventuell vorhandene Tonminerale werden in Muskovit oder Phengit umgewandelt.

Durch eine ausgerichtete Druckrichtung kann eine, wie für viele Metamorphite typische parallele lagige Textur entstehen.

Quarzite werden ab einer Temperatur von 200 Grad, was einer Tiefe von etwa 600m entspricht, gebildet.

3.Fruchtschiefer

Fruchtschiefer sind niedrig metamorph und sind aus Tonstein hervorgegangen. Sie entstehen bei niedrigen Druck und einer Temperatur von etwa 400 Grad.
Als Kontaktmetamorphite entstehen sie meist durch das Einwirken granitischer Magmen auf Tongestein. Dabei werden die Tonminerale in Glimmer und Andalusit umgewandelt.

Fruchtschiefer

Fruchtschiefer bestehen zumeist aus einem Gemenge von Serizit, Chlorit und Biotit. Sie enthalten Porphyblasten (Einsprenglinge) die je nach Metamorphosegrad aus Chlorit, Biotit, Cordirit oder Andalusit bestehen können.

Ihr geflecktes Aussehen wird durch die kontaktmetamorphose Entstehung hervorgerufen. Das tonige Ausgangsgestein, das direkt mit dem Magma bzw. den magmatischen Gasen in Berührung kommt ruft die Strich-oder Streifenartige Mineralneubildungen hervor.




4. Eklogit

Das Gestein entsteht bei hohen Druck von etwa 10 Kbar was einer Tiefe von 35 km entspricht. Die Temperaturen sind mit 500-1000 Grad mittelhoch bis hoch. Eklogit hat eine Dichte von 3,2-3,6 g/cm hoch drei und ist das dichteste Silikatgestein das wir kennen. Wegen seines relativ seltenen Auftretens wird es wirschaftlich kaum genutzt.

Eklogite mit basischen Charakter bestehen aus grünen Klinophyroxen (orphazitreich) sowie rotem Granat. Quarz, Disthen Rutil, Titanit sowie Pyrit sind oftmals begleitende Minerale.

Granitische Eklogite enthalten oft Aluminiumreiche Hellglimmer (Phengit)

Für alle Eklogite ist das Fehlen von Plagioklas kennzeichnend das bei Druckerhöhung nach der Reaktion Albit= Jadeit + Quarz abgebaut wird.

Insgesamt ist Eklogit ein grünliches (Omphazit) rötliches (Granat) Gestein das mittel-bis grobkörnig sein kann.

Die ältesten Eklogite wurden in Tansania gefunden und ihr Alter wird auf 2 Millj. Jahre geschätzt. Das größte Vorkommen in Mitteleuropa befindet sich im Bereich der Münchberger Gneismasse.

Glimmerschiefer

Ist ein Sammelbegriff für Metamorphite die sich vom Gneis dadurch unterscheiden das der Feldspat nur noch einen Anteil unter 20% beträgt. Der Anteil an Schichtsilikaten, insbesondere Muskovit beträgt über 50%. Gemengeteile sind neben Quarz- Granat, Staurolith und Disthen. Die Gesteine besitzten einen hellen bis dkl.grauen, manchmal auch einen auffällig silbrigen Farbton. Glimmerschiefer kann bei einen Druck von 2-11 Kbar und einer Temperatur von 400-700 Grad entstehen.

5.Biotitschiefer

Biotitschiefer ist gewöhnlich von bräunlicher oder schwarzer Farbe. Einzelne Glimmerblättchen reflektieren das Licht. Die Textur kann sehr unterschiedlich sein und reicht von feinkörnig bis grobkörnig.

Biotitschiefer

Streifiges Aussehen wird durch glimmerreiche bzw. glimmerarme Partien verursacht.

Biotitschiefer besteht vor allem aus allen möglichen Mengenverteilungen von Biotit. Quarz ist des öfteren in glimmerarmen Partien zu beobachten. Manchmal ist Feldspat als Einsprenglinge vorhanden.

Biotitschiefer ist ein Gestein der Regionalmetamorphose. Ausgangsgesteine sind pelitische Sedimente.




6. Tonschiefer

Entsteht aus Schieferton oder Tonstein bei geringen Methamorphosegraden. Das Gestein besteht aus Tonmineralen, manchmal Quarz sowie farbgebenden Mineralien. (Hämatit-rot, Chlorit-grün, Bitumen-schwarz)


Tonschiefer

















Tonschiefer wird seit Jahrhunderten als Dachschiefer genutzt und in Deutschland entstanden einige Zentren des Dachschieferabbaues. Neuerdings wird das Gestein auch als Wandverkleidung, Terassenbelag oder als Bodenschiefer verwendet.



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