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Lexikon der Geowissenschaften: Metamorphose

Metamorphose, 1) Biologie/Ökologie: allgemeiner Begriff für Gestaltwandel oder Verwandlung. a) In der Zoologie auch als Metabolie bezeichnete indirekte Entwicklung vom Ei zum geschlechtsreifen Tier. Bei vielen Tieren läuft diese Entwicklung unter Einschaltung von Zwischenstadien (z.B. Larvenstadien) unterschiedlicher Gestalt und Größe ab. b) In der Botanik wird mit Metamorphose die durch die Stammesentwicklung erfolgte Umbildung der pflanzlichen Organe (Wurzel, Sproß, Blatt) als Anpassung an die Veränderungen der Umweltbedingungen bezeichnet. 2) Petrologie: mineralogische und texturelle Umwandlung von überwiegend festen Gesteinen (Gesteinsmetamorphose) unter physikalischen und chemischen Bedingungen im Erdinneren (d.h. oberflächennahe Prozesse wie Verwitterung und Diagenese werden ausgeschlossen), die anders sind als diejenigen, die zur ursprünglichen Bildung der Gesteine geführt haben. Der Begriff Metamorphose leitet sich aus dem Griechischen ab und bedeutet wörtlich übersetzt "Änderung der Form". Die sich bildenden Gesteine werden als Metamorphite oder metamorphe Gesteine bezeichnet. Kommt es während der Metamorphose zu deutlichen Änderungen in der chemischen Zusammensetzung der Gesteine (mit Ausnahme von H2O, CO2 oder anderen flüchtigen Komponenten), so spricht man von Metasomatose oder weniger gebräuchlich allochemischer Metamorphose. Schon aufgrund des Auftretens im Gelände lassen sich folgende prinzipielle Ursachen von metamorphen Prozessen unterscheiden: a) die Intrusion von heißen Magmen in kühleres Nebengestein =Kontaktmetamorphose, b) großräumige tektonische Bewegungen der Lithosphärenplatten, die zu Änderungen in den Druck-Temperatur-Bedingungen der Gesteine führen = Regionalmetamorphose, c) starke, auf schmale Störungszonen beschränkte Gesteinsdeformation = kataklastische Metamorphose und d) Impakte extraterrestrischer Körper, die kurzzeitig zu starken Druck- und Temperaturerhöhungen führen = Stoßwellenmetamorphose.

Die Minerale in den Ausgangsgesteinen (Edukte) reagieren auf die sich ändernden äußeren Bedingungen, in dem sie neue, thermodynamisch stabile Mineralparagenesen bilden. Diese Umkristallisation läuft im festen Zustand ab, allerdings in vielen Fällen unter Beteiligung einer sich auf den Korngrenzen befindenden fluiden Phase. Zu hohen Temperaturen hin wird der metamorphe Bereich von der magmatischen Gesteinsbildung dadurch abgegrenzt, daß sich je nach Gesteinszusammensetzung und Anwesenheit von Wasser Teilschmelzen bilden (Anatexis). Solange die entstehenden Gesteine (z.B. Migmatite) überwiegend fest bleiben, werden sie zu den Metamorphiten gerechnet. Zu tiefen Temperaturen hin gibt es ebenfalls keine scharfe Grenze zu den diagenetischen Prozessen in Sedimenten. Je nach Gesteinszusammensetzung erfolgen erste metamorphe Mineralneubildungen schon ab 150ºC. Der Druckbereich der Metamorphose reicht von oberflächennahen Bedingungen (z.B. am Kontakt von extrudierenden Magmen) bis zu den Drücken von mehr als 3 GPa, wie sie im oberen Erdmantel herrschen.

Da metamorphe Gesteine Produkte sich ändernder Druck-Temperatur-(P-T-)Bedingungen sind, treten sie in solchen Gebieten, die eine besonders hohe geodynamische Aktivität besitzen, auch besonders häufig auf, wie z.B. in Kollisionsorogenen entlang von Kontinenträndern. Besonders die Gesteine der Regionalmetamorphose bilden häufig langgestreckte Gürtel, die parallel zu den heutigen (oder auch früheren) Kontinenträndern angeordnet sind. In Kollisionszonen, wo eine ozeanische Lithosphärenplatte unter eine kontinentale abtaucht (wie z.B. im zirkumpazifischen Raum), ergeben sich besondere thermische Verhältnisse. Diese führen zum Nebeneinander von langgestreckten Gebieten (paired metamorphic belts) mit hochdruckmetamorphen Gesteinen (Hochdruckmetamorphose), die auf der Kontinentseite von hochtemperaturmetamorphen Gürteln (Hochtemperaturmetamorphose) gesäumt werden. Gerade für die Rekonstruktion von geotektonischen Vorgängen, die in der Vergangenheit abgelaufen sind, spielt die Erforschung der metamorphen Gesteine eine wichtige Rolle. Aber auch überall im Erdmantel laufen metamorphe Prozesse ab, nur kommen deren Produkte viel seltener an die Erdoberfläche und ins Blickfeld (die diamantführenden Peridotit- und Eklogit-Xenolithe in Kimberliten sind Beispiele dafür).

Die wichtigsten Parameter, die in einem komplexen Wechselspiel alle metamorphen Prozesse steuern, sind a) Temperatur, b) Druck, c) Anwesenheit und Zusammensetzung einer fluiden Phase, d) die chemische Zusammensetzung der Ausgangsgesteine und e) die Zeit. a) Der Temperaturbereich, in dem sich metamorphe Prozesse abspielen, reicht von etwa 150 bis 1100ºC, je nach chemischer Zusammensetzung der beteiligten Gesteine. Er wird jeweils bestimmt durch das lokal herrschende Wärmefluß-Regime, welches als geothermischer Gradient, d.h. Temperaturzunahme pro Kilometer Erdtiefe, ausgedrückt werden kann. Je nach geotektonischer Situation variieren die während der Metamorphose auftretenden Gradienten von 5 bis 10ºC/km in Subduktionszonen über Werte von 20 bis 40ºC/km, wie sie für stabile Kontinentbereiche typisch sind, bis zu mehr als 100ºC/km in Zonen erhöhter magmatischer Aktivität (wie z.B. an Mittelozeanischen Rücken oder unter den pazifischen Inselbögen) ( Abb. 1 ). Da sich die geotektonischen Verhältnisse und damit auch die thermischen Zustände in der Erde mit der Zeit ändern, können sich sehr vielfältige Temperaturvariationen während der Metamorphose ergeben. b) Der während der Metamorphose herrschende lithostatische Druck ergibt sich aus dem Gewicht der überlagernden Gesteinssäule (etwa 0,3 GPa in der Erdkruste in 10 km Tiefe). Der Druck kann von Atmosphärendruck am Kontakt von Extrusionen bis zu sehr hohen Werten in Subduktionszonen (2-3 GPa, entsprechend 70 bis 100 km Erdtiefe) oder noch höher im Erdmantel variieren. Druckveränderungen ergeben sich durch Versenkungs- und Heraushebungsprozesse, wobei neben der sedimentären Überlagerung von Gesteinsschichten und der Abtragung durch Erosion tektonische Vorgänge wie Überschiebungen oder großräumige Verfaltungen eine wichtige Rolle spielen. c) Wasserreiche Gesteinsfluide besitzen eine große Bedeutung als Transportmedium und für die katalytische Beschleunigung zahlreicher metamorpher Prozesse. Sie werden in Form von Porenwässern oder durch wasserhaltige Minerale (oder durch Carbonate im Fall von CO2) in den metamorphen Bereich transportiert. Dort können sie unter prograden Bedingungen (prograde Metamorphose) freigesetzt werden und das Gestein entlang von Schwächezonen nach oben verlassen. Oder sie verbleiben im Intergranularraum (unter dem jeweiligen lithostatischen Druck) und stehen dann für weitere z.B. retrograde Mineralreaktionen zur Verfügung. d) Trotz der großen Vielfalt möglicher sedimentärer und magmatischer Edukte lassen sich die chemischen Zusammensetzungen der metamorphen Gesteine zu fünf am weitesten verbreiteten Gruppen zusammenfassen: pelitisch (Pelit), mafisch (basisch), felsisch (aciditisch), kalkig und ultramafisch (ultrabasisch). Für diese fünf chemischen Gruppen gibt die Tabelle einen Überblick über die möglichen Ausgangsgesteine, die wichtigsten auftretenden Minerale und die typischen Gesteine. e) Die Zeitspanne, innerhalb der metamorphe Prozesse ablaufen, reicht von wenigen Jahren im Fall von sehr kleinräumiger Kontaktmetamorphose nahe der Erdoberfläche bis zu Größenordnungen von 10-50 Mio. Jahren für die großräumige Regionalmetamorphose. Ein Ziel in der metamorphen Petrologie ist es daher, mit Hilfe von geochronologischen Methoden die Druck-Temperatur-Zeit-Pfade (P-T-t-Pfade), die metamorphe Gesteine genommen haben, zu rekonstruieren.

Auf die zeitlichen Änderungen in den physikalischen Parametern reagieren die metamorphen Gesteine durch Mineralreaktionen. Neben reinen Gefügeänderungen, wie z.B. Kornvergröberungen (Kalkstein→Marmor) oder Kornverkleinerungen (Granit→Gneis), lassen sich folgende Typen von chemischen Reaktionen unterscheiden: a) polymorphe Umwandlungen, wie z.B. Calcit = Aragonit, Andalusit = Sillimanit = Disthen oder Quarz = Coesit, b) Netto-Transfer-Reaktionen (ohne Beteiligung einer Fluidphase), die zu Zerfall und Neubildung einer oder mehrerer Phasen führen, wie z.B. Jadeit+Quarz = Albit, c) Austauschreaktionen, die nur zum Austausch von Atomen zwischen vorhandenen Phasen führen, wie z.B. der Eisen-Magnesium-Austausch zwischen Granat und Biotit (Almandin+Phlogopit = Pyrop+Annit), d) Reaktionen mit Beteiligung von volatilen Phasen, wie z.B. die Dehydratisierungsreaktion Muscovit+Quarz = Kalifeldspat+Aluminiumsilicat+H2O.

Ein sehr einfaches Beispiel für den Ablauf von metamorphen Mineralreaktionen ist in Abb. 2 illustriert: Ein nur aus Quarz und Kaolinit bestehendes Sedimentgestein wird versenkt und erfährt somit Druck- und Temperaturerhöhungen entsprechend den herrschenden geothermischen Gradienten. Bis zu einer Temperatur von 300ºC kommt es nur zur Verringerung des Porenraumes durch Kompaktion und Wachstum der vorhandenen Minerale (Diagenese). Dann wird die Paragenese Kaolinit+Quarz instabil und der Kaolinit zerfällt in einer Dehydratisierungsreaktion in das weniger Hydroxylgruppen enthaltende Schichtsilicat Pyrophyllit und Wasser. Das in den Intergranularraum freigesetzte Wasser, das unter einem Druck steht, der dem lithostatischen entspricht, wird die Tendenz haben, das Gestein nach oben zu verlassen. Geht die Versenkung und Erwärmung weiter, so zerfällt bei 350-400ºC auch der Pyrophyllit je nach geothermischem Gradienten unter Bildung von Disthen (bei niedrigeren) oder Andalusit (bei höheren Gradienten). Das wiederum frei werdende Wasser spielt für den Fortgang der Reaktion eine wichtige Rolle. Mit weiterer Erwärmung werden sowohl Disthen als auch Andalusit in Sillimanit umgewandelt. Im Gegensatz zu den rasch ablaufenden Entwässerungsreaktionen ist die Kinetik dieser polymorphen Transformationen jedoch sehr träge, so daß die Umwandlung nicht vollständig sein muß.

Um metamorphe Ereignisse untereinander vergleichen zu können, wurde zu Beginn des 20. Jahrhunderts das Konzept der metamorphen Fazies entwickelt. Es besagt, daß zu einer metamorphen Fazies alle Mineralparagenesen zusammengefaßt werden, die wiederholt in Raum und Zeit zusammen auftreten, so daß eine regelmäßige und damit vorhersehbare Beziehung zwischen dem Mineralbestand und der chemischen Zusammensetzung eines metamorphen Gesteins besteht. Benannt wurden die einzelnen Fazies nach den jeweiligen metabasischen Gesteinen (Metabasit). Das Faziesprinzip beruht auf der Annahme, daß die beobachtbaren Mineralparagenesen chemische Gleichgewichte repräsentieren und daß unterschiedliche Druck-Temperatur-Bedingungen für ihre Entstehung verantwortlich sind. Untersuchungen der experimentellen Petrologie haben den einzelnen metamorphen Fazies bestimmte P-T-Bereiche zugeordnet.

Nicht zuletzt die Anwendung geochronologischer und geophysikalischer Methoden auf metamorphe Gesteine hat deutlich gemacht, daß jedes metamorphe Gestein seinen eigenen Weg im Druck-Temperatur-Zeit-(P-T-t)-Raum zurückgelegt hat. Die P-T-t-Pfade sind daher charakteristisch für die jeweiligen geotektonischen Verhältnisse, unter denen die Metamorphose abgelaufen ist, und sie müssen nicht notwendigerweise mit dem Verlauf von stationären Geothermen übereinstimmen. Zum Beispiel ergeben sich bei der schnellen Subduktion von ozeanischer Kruste zunächst sehr geringe Temperaturzunahmen mit der Tiefe (entsprechend den hochdruckmetamorphen Blauschiefer- und Eklogitfazies), während sich bei der anschließenden Heraushebung je nach tektonischem Mechanismus deutlich höhere geothermische Gradienten einstellen (entsprechend der Grünschieferfazies). Im P-T-Diagramm zeigen solche Gesteine einen Verlauf im Uhrzeigersinn ( Abb. 1 ), während Gesteine, die in Gebieten mit großräumigen magmatischen Intrusionen versenkt werden, einen P-T-t-Verlauf entgegen dem Uhrzeigersinn zeigen können. Eines der Hauptziele in der modernen metamorphen Petrologie ist daher, mit Hilfe der Geothermobarometrie solche P-T-t-Pfade zu rekonstruieren, um Aussagen über die Art der tektonischen Prozesse, welche die Bildung metamorpher Gesteine verursachen, zu gewinnen.

Aufgrund der großen Vielfalt an chemischen Ausgangszusammensetzungen und aufgrund des weiten Bereichs der Bildungsbedingungen zeigen die metamorphen Gesteine sehr unterschiedliche Gefüge und Mineralbestände. Es gibt daher keine einfache, allgemein akzeptierte Gesteinsklassifikation (wie bei den magmatischen Gesteinen mit dem Streckeisen-Diagramm (QAPF-Doppeldreieck) oder IUGS-Klassifikation). Andererseits ist die Zahl der für Metamorphite verwendeten Gesteinsnamen relativ gering. Die wichtigsten Namen, die sich entweder auf das vorherrschende Gefüge oder den Mineralbestand beziehen, sind im folgenden kurz aufgelistet (zusätzlich haben sich die Vorsilben ortho- für aus magmatischen und para- für aus Sedimentgesteinen entstandene Metamorphite eingebürgert): a) Gesteinsnamen, die über das Gefüge definiert sind: Phyllit (Parallelgefüge mit sehr guter Teilbarkeit im Millimeterbereich), Glimmerschiefer (Parallelgefüge mit Teilbarkeit im Zentimeterbereich), Gneis (Teilbarkeit im Dezimeterbereich), Hornfels (feinkörnig-massig), Mylonit (feinstkörnig-gebändert); b) Gesteinsnamen, die in erster Linie den Mineralbestand beschreiben: Grünschiefer (Albit, Chlorit, Epidot, Aktinolith), Amphibolit (Hornblende, Plagioklas), Blauschiefer (Glaukophan), Eklogit (Omphacit, Granat), Marmor (Carbonate). [SMZ,MS]

Literatur: [1] Wimmenauer, W. (1985): Petrographie der magmatischen und metamorphen Gesteine. – Stuttgart. [2] Selverstone, J. (1988): Metamorphic Rocks. – London. [3] Spear, F.S. (1988): Metamorphic Phase Equilibria and Pressure-Temperature-Time Paths. – Washington. [4] Bucher, K. & Frey, M. (1994): Petrogenesis of Metamorphic Rocks. – Berlin.


Metamorphose 1: Druck-Temperatur-Bedingungen und prinzipielle Typen der metamorphen Prozesse in der Lithosphäre (in bezug zu möglichen geothermischen Gradienten und mit einem typischen Metamorphoseverlauf im Uhrzeigersinn). Metamorphose 1:

Metamorphose 2: Druck-Temperatur-Diagramm der prograden Metamorphose eines Kaolinit-Quarz-Sandsteines zu einem Sillimanit-Quarzit. Die gestrichelten Linien zeigen zwei unterschiedliche P-T-Pfade vom Edukt zum Metamorphit. Metamorphose 2:

Metamorphose (Tab.): die fünf wichtigsten chemischen Gruppen der metamorphen Gesteine. Metamorphose (Tab.):

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