3. Orogene Metamorphose (Regionale Metamorphose...

LV 620.114 Petrologie der Magmatite und Metamorphite , Teil Metamorphite, Orogene Metamorphose 1/12

J.G. Raith

3. Orogene Metamorphose (Regionale Metamorphose;

Thermodynamometamorphose; engl. dynamo-thermal metamorphism)

Prozesse und Ursachen:

• Destruktive Plattenränder: Orogene regionalen Ausmaßes (x00 km * x0 km)

• Subduktionszonen und Kontinent-Kontinent Kollisionszonen: Versenkung von Gesteinen

in große Tiefe

• Kompressionstektonik; Metamorphose wird von Deformation begleitet

• Änderung von P-T und Spannung (stress); geringe Veränderung der Zusammensetzung

durch Dehydration von OH-haltigen Mineralen, Dekarbonatisation von Karbonaten

• Zeitdauer der Prozesse: lange andauernd (x) - x0 Mio. Jahre

Gliederung

geothermischer Gradient kann variieren (-> Kontrolle durch plattentektonische Position)

• Hochdruck-Niedrigtemperatur-Metamorphose : Subduktionszonen; niedrig (~10°C/km)

• Normale Regionalmetamorphose ("Barrow-Typ"): Kollision mit Krustenverdickung;

normaler mittel (~30°C/km)

• Niedrigdruck-Hochtemperatur-Metamorphose ("Abukuma-Typ"): Extension mit Krusten-

ausdünnung; Vulkanismus und Plutonismus an Inselbögen; erhöht (>30°C/km)

Protolithe (engl. protholith): breites Spektrum möglich; subduzierte ozeanische Kruste

(Basalte etc.), diverse Sedimente und Vulkanite, ältere metamorphe und plutonische

Krustengesteine

Gefüge (engl. fabric):

• feinkörnig, ungeregelt, teilweise Mineralumwandlung (Pseudomorphosen) bei niedrig

gradiger Metamorphose (Zeolithfazies);

• mittel- bis grobkörnig, oft porphyroblastisch, deutlich geregelte Gefüge bei mittel- bis

hochgradiger Metamorphose (z.B. Schiefer, Gneise der Grünschiefer und

Amphibolitfazies);

• granoblastische weniger deutlich gerichtete Gefüge bei Glimmer- und Amphibol-freien

Gesteinen (z.B. Quarzit, Marmor);

• nicht gerichtete granoblastische Gefüge bei einigen hochgradig metamorphen Gesteinen

(z.B. Eklogit, Granulit)


J.G. Raith

3.1. Hochdruck-Niedrigtemperatur-Metamorphose

• Starke Perturbation der thermischen Struktur und des isostatischen Gleichgewichtes in der

Kruste und im Mantel im Bereich von Subduktionszonen: kühle ozeanische Lithosphäre

wird rascher subduziert als sich ein thermisches Gleichgewicht einstellen kann.

• Direkte Beziehung von Hoch-P Niedrig-T Metamorphose zu aktiven Subduktionszonen

kann beobachtet werden: z.B. Japan; Westküste der USA; Ägäis


J.G. Raith

Fazies der Hoch-P Niedrig-T Metamorphose

• Zeolith Fazies und Prehnit-Pumpellyit Fazies (Subgreenschist facies)

• Blauschiefer Fazies

• Eklogit Fazies

Selten sind Faziesübergänge im Gelände dokumentiert (z.B. Coastal Ranges, Kalifornien)


J.G. Raith

Charakteristische Minerale und Gesteine

Blauschiefer

auch als Glaukophanschiefer bezeichnet, entstehen aus basaltischen Protolithen.

Namengebend ist der blaue Na-Amphibol Glaukophan (Na1+ - Al3+ Substitution für Ca2+ -

Mg2+ ). Ein weiteres typisches Mineral in diesen Gesteinen ist Lawsonit (Ca, Al2 (OH)2

[Si2O7] H2O und im Übergangsbereich zu Eklogiten Na-Al reicher Pyroxen (Omphazit).

Epidot und Na-Glimmer (Paragonit) können auftreten. In Metapeliten sind zusätzlich

phengitische Hellglimmer, Talk, Chlorit neben Quarz wichtig. Die stabile CaCO3-

Modifikation in Metakarbonaten ist Aragonit. Plagioklas (Albit) ist nicht stabil. Oft sind in

den Gesteinen magmatische Reliktgefüge erhalten.

Eklogite: Bei noch höheren Drucken entstehen aus basaltischen Ausgangsgesteinen Gesteine

mit der diagnostischen Mineralvergesellschaftung Mg-reicher Granat + Omphazit (Na-

reicher Klinopyroxen) ± andere Minerale. Plagioklas ist nicht stabil. P >12-14 kbar; T 400-

1000 °C.


J.G. Raith

Granat:

Omphazit:

Wichtige Reaktionen

• Plagioklas und Hornblende, die typische Mineralvergesellschaftung von Metabasiten

der Amphiboitfazies, sind nicht mehr stabil!

Ab = Jadeit + Quarz (Jadeitkomponente in Omphazit)

An = Ca-Tschermak Komponente + Quarz (in Omphazit)

• Verfügbarkeit von Wasser entscheidend für Umwandlung von Plagioklas, da sonst

keine Reaktion (oft bleiben wasserfreie magmatische Relikte (z.B. Gabbros) erhalten.

4An ± H2O = 2 Zoisit + Kyanit + Quarz

• Retrograde Reaktionen laufen in vielen Eklogiten of unvollständig ab ->

Reaktionsgefüge; daraus Rekonstruktion des P-T-t Pfades der immer durch ±

isothermische Dekompression gekennzeichnet ist.


J.G. Raith

3.2. Regionale Dynamothermo-Metamorphose (Barrow-Typ Metamorphose)

Ursachen und Prozesse

• Kollision von Lithosphärenplatten an destruktiven Plattengrenzen (fortgeschrittenes

Stadium des Wilson Zyklus) führt zu Krustenverdickung

• Isostatischer Ausgleichsbewegung (engl. buoyancy) der verdickten Lithosphäre

(kontinentale Kruste hat niedrigere Dichte als Mantel!); Hebung (engl. uplift) und

Exhumation; Erosion als gegenwirkende Kraft

• spontaner Anstieg des Drucks in verdickter Kruste; Deformation

• wesentlich langsamerer thermischer Ausgleich (engl. thermal relaxation)

• Modellierung der Druck-Temperatur-Zeit (P-T-t) Entwicklung der Gesteine:

- homogene Verdickung (homogeneous thickening) eines Krustensegmentes

- Verdickung infolge Überschiebung (overthrusting)

Beide Modelle ergeben ähnliche P-T-t Pfade:

• beträchtliche Dekompression;

• thermischer Höhepunkt der Metamorphose wird nach dem Druckhöhepunkt erreicht

("clockwise P-T-t path")


J.G. Raith

Abb. 1. Thermotektonisches Modell für Kontinentkollision infolge homogener Deformation. a. Steady State

Bedingungen am Beginn der Kollision. (b) Deformation eines Blocks der Lithosphäre durch homogene

Deformation nach der Kollision. Die Isothermen sind weiter von einander entfernt. Eine gestörte Geotherme mit

einem niedrigeren geothermischen Gradienten ist die Folge. (c) Situation etwa 100 Ma nach der Kollision mit

Hebung und Erosion und teilweiser thermischer Ausgleich der Isothermen. (d) Vergleich der gestörten

Geotherme mit der Steady State Geotherme. (e) Entwicklung der Geothermen nach 20, 60 und 120 Ma nach der

Kollision. (f) Tiefe – T- t Kurven von Gesteinen aus unterschiedlicher Tiefe des deformierten Blocks (aus

Mason, 1990).


J.G. Raith

Fazies der Barrow-Metamorphose

Faziesentwickung des Mitteldruckbereiches zwischen ca. 200-900°C

• Zeolith Fazies und Prehnit-Pumpellyit Fazies (= Subgrünschieferfazies)

• Grünschieferfazies

• Amphibolitfazies

• Granulitfazies (selten)

Metamorphe Mineralzonen der Regionalmetamorphose (Barrow -Zonen)

Erstmals wurde eine systematische Änderung der mineralogischen Zusammensetzung

metamorpher Gesteine im regionalen Maßstab im SE der schottischen Highlands beschrieben

(Barrow 1912). Metasedimente und Metabasite des Dalradian und Moine (Proterozoikum-

Kambrium), vor allem tonig-siltige Protolithe, spiegeln einen Anstieg der P-T Bedingungen

der Metamorphose von Bedingen der Grünschieferfazies zur Amphibolitfazies wieder.

- Chlorit-Zone: Chlorit+phengit. Muscovit +Quarz+Albit±Calcit

±Stilpnomelan±Paragonit

- Biotit-Zone: Biotit+ phengit. Muscovit+Chlorit+Quarz+Albit±Calcit

- Granat-Zone: Granat+Biotit+Muscovit+Chlorit+Quarz+Albit+Epidot;

Chloritoid

- Staurolith-Zone: Staurolith+Granat+Biotit+Muscovit+Quarz+Plagioklas (ev.

Chlorit)

- Kyanit (Disthen)-Zone:

Kyanit±Staurolith+Granat+Biotit+Muscovit+Quarz+Plagioklas

- Sillimanit-Zone:

Sillimanit±Staurolith+Granat+Biotit+Muscovit+Quarz+Plagioklas+Kyanit-

Relikte


J.G. Raith

Metamorphosezonierung in Metapeliten der östlichen schottischen Highlands

Mineralvergesellschaftungen in Metapeliten bzw. Metabasiten in den einzelnen Zonen


J.G. Raith

Indexmineral, Isograde, Reaktionsisograde

Nach der Definition von Tilley (1924): Jenes Mineral, das erstmalig in einer Zone auftritt und

nach dem die Zone benannt ist, wurde als Indexmineral (index mineral) bezeichnet. Eine im

Gelände kartierbare Grenze/Linie an der erstmalig ein Indexmineral auftritt wurde als

Isograde (engl. isograde) bezeichnet.

Heutige Definition: Das Erstauftreten eines Minerals hängt nicht nur von P-T ab, sondern

auch vom Gesteins- und Fluidchemismus (X). Eine Linie (in 3D eigentlich eine Fläche),

definiert durch das Erstauftreten einer Mineralvergesellschaftung (Minerale sind miteinander

im chemischen Gleichgewicht!), wird als Reaktionsisograde (reaction isograde) bezeichnet.

Wichtige Gesteine der regionalen Versenkungsmetamorphose

siehe auch Übungsunterlagen!

• Metapelite/Metapsammite: Phyllit, Glimmerschiefer, Paragneis, Quarzit,

Metakomglomerate

• Metakarbonatgesteine: Marmore (Kalk-, Dolomitmarmor); Kalk-Silikatgesteine

• Metamorphe Magmatite: basisch: Grünschiefer, Amphibolit; sauer: Orthogneis

• Meta-Ultramafite: Serpentinit


J.G. Raith

3. 3. Regionalmetamorphose bei niedrigen Drucken (Abukuma-Typ, Buchan-Typ Metamorphose) Ursachen und Prozesse

• Bereiche der kontinentalen Kruste mit erhöhtem Wärmefluß und höheren

geothermischen Gradienten (> 30°km-1) als in stabiler kontinentaler Kruste; nicht

allein mit Verdickung von Kruste erklärbar

• zusätzliche Zufuhr von Wärme durch

o advektiven Transport von Wärme durch Magmen (z.B. Gabbrointrusionen)

o erhöhter Wärmefluß aus dem asthenosphärischen Mantel in die Lithosphäre

durch Extension

Geotektonik

• vulkanische und plutonische Bögen

• Extensionsbereiche von Kruste; kontinentale Riftzonen (z.B. Basin & Range Provinz,

USA), Back Arc Becken

Metamorphe Fazies

Die von Gesteinen durchlaufenen Fazies zwischen der Kontakt- und der Barrow-Typ

Regionalmetamorphose.

• Grünschieferfazies

• Amphibolitfazies

• Granulitfazies.

In einzelnen Gebieten kann man auch charakteristische Zonen kartieren; z.B. Buchan,

Schottland

Biotitzone -> Cordieritzone –> Andalusitzone -> Sillimanitzone (siehe Abb.)

Gesteine

Das gesamte Spektrum an Gesteinen, aber mit Mineralen und Mineralvergesellschaftungen,

die bei niedrigeren Drucken stabil sind.

Metapelite und -psammite sind meist Schiefer oder Gneise mit großen Porphyro- bzw.

Poikiloblasten

• niedriger und mittlerer Metamorphosegrad: Chlorit, Muscovit, Biotit, Andalusit,

Cordierit, ± Staurolith, Quarz;


J.G. Raith

• hoher Metamorphosegrad: Sillimanit, Spinell etc.; teilweise sogar Aufschmelzung ->

Migmatite.

Zonen der Buchan-Metamorphose in den schottischen Highlands

3. Orogene Metamorphose (Regionale Metamorphose...

Documents

Transcript of 3. Orogene Metamorphose (Regionale Metamorphose...