Metamorphe Gesteine

Metamorphe Gesteine bilden sich durch die Veränderung der chemischen und/oder mineralogischen Zusammensetzung und/oder des Gefüges aus allen Gesteinsarten - Magmatite, Sedimenten und Metamorphite - unter dem Einfluss von hohen Temperaturen und Drücken in der Erdkruste, und durch Reaktionen mit Ionen oder chemischen Verbindungen, die durch Lösungen zugeführt werden.

Wo hohe Drücke und Temperaturen großräumig einwirken, unterliegen die Gesteine der Regionalmetamorphose. Sie begleitet die Kollision von Lithosphäreplatten, die mit der Gebirgsbildung und tektonischer Deformation einhergehen. Zahlreiche regionalmetamorphe Gesteine, wie etwa Phyllite, kristalline Schiefer oder Gneise, sind an ihrer Schieferung oder anderen orientierten Gefügen zu erkennen. Das sind häufig wellige oder ebene Flächen, die durch Deformationsprozesse, vor allem durch Faltung im Gestein, entstanden sind.

An den Rändern von (heißen) Magmenintrusionen werden die Gesteine unmittelbar am Kontakt und in einer angrenzenden Zone bei hohen Temperaturunterschieden und bei gleichzeitiger Zu- und Abfuhr von gelösten Komponenten durch die Kontaktmetamorphose (Pyrometasomatose) verändert. Für die meisten dieser Gesteine sind hierbei eher richtungslos körnige Gefüge typisch (sog. Felse).

Eine ähnliche Form der Metamorphose läuft in neu gebildeten Magmatiten entlang der Mittelozeanischen Rücken ab. Dort werden diese Gesteine durch die Einwirkung von heißen wässrigen Lösungen umgewandelt und in ihrem Mineralbestand stark verändert (Meeresbodenmetamorphose).

Metamorphe Gesteinsumwandlungen können auch lokal an Störungen auftreten, wo tektonische Bewegungen die Kruste zerbrechen und Gesteinspakete aneinander vorbeigleiten. Da sich die Gesteine entlang der Störungsfläche gegeneinander bewegen, werden sie mechanisch zertrümmert und zu einer teigigen Masse zermahlen (Mylonite). Das Ergebnis dieser Dislokations- oder Dynamometamorphose ist ein intensiv zerkleinertes, pulverisiertes (kataklastisches) Gefüge, das in stark deformierten Gebirgszonen mit intensiver Bruchtektonik auftritt.

Starke Umwandlungen von Gesteinen (in vielen Fällen bis zur Aufschmelzung) entstehen auch beim Einschlag von extraterrestrischen Materials (Meteorite) auf der Erde. Diese Stoßwellenmetamorphose wird hervorgerufen durch hohe Temperaturen und extrem hohe Drücke. Gesteine und Minerale, die solche Metamorphoseauswirkungen aufweisen, sind wichtige Zeugen für vergangene Meteoriteneinschläge (so z.B. im Nördlinger Ries).

Silikate sind die häufigsten Minerale der Metamorphite, weil diese letztlich die Umwandlungsprodukte anderer silikatreicher Gesteine sind. Typisch sind hierbei Granat, Staurolith, Cordierit, Vesuvian, Sillimanit und Disthen, aber auch die ebenfalls in Magmatiten vorkommenden Minerale Quarz, Feldspat, Glimmer, Pyroxene und Amphibole.

Migmatite

Extreme Metamorphosewirkungen aufgrund hoher Temperatur- und Druckeinwirkung (Ultrametamorphose) leiten über zur Bildung von Migmatiten. Migmatite stellen eine besondere Gesteinsgruppe dar, da bei deren Bildung neben metamorphen und metasomatischen Prozessen auch Teil-Aufschmelzungen und Widerkristallisationen beteiligt waren. Diese in der Erdkruste ablaufenden Prozesse werden als partielle Aufschmelzung oder Anatexis bezeichnet. Verbleiben die sich bildenden Schmelzen am Ort ihrer Entstehung, so entstehen Gesteine, die sowohl eine metamorphe (meist dunkle) als auch eine magmatische (meist helle) Komponente enthalten. Die Mischung dieser Anteile kann in großen Grenzen variieren und die verschiedensten Typen der Migmatit-Gesteine erzeugen. Eine Fülle von unterschiedlichen Migmatiten findet sich im Schwarzwald.

Die Erde ins Labor holen: Experimentelle Mineralogie.

Dank moderner Technologien sind die experimentell arbeitenden Geowissenschaftler heute in der Lage, die Bedingungen in der Erdkruste und im Erdmantel im Labor entsprechend nachzuahmen und in groben Zügen den Druck, die Temperatur und die chemische Zusammensetzung zu bestimmen, unter denen Mineralumwandlungen stattgefunden haben könnten. Die chemischen und mineralogischen Prozesse, die im Zuge der Metamorphose im Gestein ablaufen, können durch vergleichsweise einfache chemische Reaktionen beschrieben werden. An diesen Reaktionsgleichungen beteiligen sich jene Minerale, die für eine bestimmte Metamorphosestufe (Fazies) typisch sind. In Tübingen hat sich eine Arbeitsgruppe speziell mit den Mechanismen und der Kinetik von solchen Mineralreaktionen beschäftigt, die bei der (Kontakt-)Metamorphose von kieseligen Dolomiten ablaufen. Dazu werden im Labor kleine Mengen der Ausgangsminerale (z.B. Quarz und Dolomit) mit Wasser und Kohlendioxid in Goldkapseln eingeschweißt und dann in Autoklaven Temperaturen von 500-700 °C und hohen Drücken ausgesetzt. Nach unterschiedlichen langen Versuchszeiten werden die Reaktionsprodukte (Diopsid, Tremolit, Talk u.v.a.) mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops (REM) analysiert und interpretiert. Es hat sich im Laufe der Untersuchungen gezeigt, dass viele, selbst relativ einfache Mineralreaktionen wesentlich komplizierter ablaufen als bislang angenommen, und dass dabei neben der Temperatur und dem Druck auch metastabile Zwischenphasen sowie die Zusammensetzung und die Verunreinigungen der fluiden und festen Phasen eine große Rolle spielen.