Metamorphose

Ein Gestein muss nicht schmelzen, um ein anderes zu werden. Es genügt, dass sich Druck und Temperatur ändern: Dann ordnen sich die Minerale neu, ohne dass das Gestein je flüssig wird. Aus Kalkstein wird Marmor, aus Tonstein Schiefer, aus Basalt über mehrere Stufen Eklogit.

Was Metamorphose ist und was nicht

Metamorphose ist die Umwandlung eines Gesteins im festen Zustand. Die Bausteine bleiben dieselben, sie werden nur neu zusammengesetzt: Aus Ton wird Glimmer, aus Calcit größerer Calcit, aus Pyroxen Amphibol. Der Chemismus ändert sich dabei kaum, verloren geht vor allem Wasser.

Nach unten und oben ist der Bereich klar begrenzt, und beide Grenzen sind wichtig:

• Unterhalb von etwa 200 Grad spricht man von Diagenese. Das ist die Verfestigung von Sedimenten, also der Weg von Sand zu Sandstein. Neue Minerale entstehen dabei kaum.
• Oberhalb von etwa 700 bis 800 Grad beginnt das Gestein teilweise zu schmelzen. Das heißt Anatexis, und das Ergebnis ist ein Migmatit, ein halb aufgeschmolzenes Gestein mit hellen Schlieren. Wird alles flüssig, ist man wieder beim Gesteinskreislauf und bei den magmatischen Gesteinen.

Die drei Stellschrauben

Temperatur liefert die Energie, damit Atome ihre Plätze wechseln können. Sie steigt mit der Tiefe, im Mittel um rund 30 Grad je Kilometer, in der Nähe aufsteigender Magmen deutlich schneller.

Druck wirkt auf zwei Arten. Der allseitige Druck der auflagernden Gesteinsmasse begünstigt dichte Minerale, deshalb wächst mit der Tiefe der Anteil schwerer Phasen wie Granat. Wirkt der Druck dagegen gerichtet, werden plattige und stängelige Minerale senkrecht dazu eingeregelt. Genau das erzeugt die Schieferung, die man dem Schiefer und dem Gneis ansieht.

Fluide sind der unterschätzte Faktor. Wasser und Kohlendioxid in den Poren wirken als Transportmittel und beschleunigen Reaktionen um Größenordnungen. Ein trockenes Gestein kann bei Bedingungen, unter denen es längst hätte reagieren müssen, unverändert bleiben. Deshalb überdauern manche Hochdruckgesteine ihren Aufstieg, ohne sich zurückzuverwandeln, und liegen heute an der Oberfläche.

Die Fazies im Druck-Temperatur-Diagramm

Eine metamorphe Fazies ist ein Feld im Druck-Temperatur-Diagramm, in dem eine bestimmte Mineralvergesellschaftung stabil ist. Der Begriff ist praktisch, weil er umkehrbar funktioniert: Aus den Mineralen eines Handstücks lässt sich ablesen, unter welchen Bedingungen das Gestein zuletzt im Gleichgewicht stand.

Die beiden Pfade sind der eigentliche Inhalt der Grafik. Beide starten bei demselben Gestein, etwa einem Basalt der ozeanischen Kruste, und enden völlig verschieden. Der kühle Pfad einer Subduktion führt links oben durch die Blauschiefer- in die Eklogitfazies. Der normale Pfad einer sich verdickenden Kruste läuft flacher und führt über Grünschiefer und Amphibolit zum Granulit.

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Die Umwandlungsreihen

Welches Gestein entsteht, hängt zuerst vom Ausgangsgestein ab, dem Protolithen. Drei Reihen decken fast alles ab, was man im Gelände findet.

Marmor und Quarzit fallen aus der Reihe, weil ihre Ausgangsgesteine chemisch fast einheitlich sind. Kalkstein besteht aus Calcit, und Calcit bleibt Calcit, er wird nur größer. Bei Sandstein ist es Quarz. Deshalb gibt es dort keine Abfolge neuer Minerale, sondern nur eine gröbere Körnung.

Wie man den Grad im Gelände abliest

Bei tonigen Ausgangsgesteinen erscheinen mit steigender Temperatur nacheinander bestimmte Minerale. George Barrow beschrieb diese Abfolge 1893 im schottischen Hochland, und sie trägt bis heute seinen Namen.

Disthen und Sillimanit sind chemisch identisch, beide sind Al₂SiO₅, ebenso wie Andalusit. Welches der drei entsteht, hängt allein von Druck und Temperatur ab. Damit sind sie die einfachsten Druckanzeiger, die die Natur zu bieten hat: Andalusit steht für geringen Druck, Disthen für hohen, Sillimanit für hohe Temperatur.