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ZWEIFACH IN DIE TIEFE VERSENKT
Druck-Temperatur-Pfade der Metamorphose von Blauschiefern
Gesteine werden in die Tiefe versenkt und wieder nach oben transportiert,
wenn bei der Kontinentaldrift die Platten mit den Erdteilen aufeinanderprallen.
Dabei entstehen Gesteinsarten mit einem anderen Gefüge und
einem veränderten Bestand an Mineralen, die bald darauf wieder
zerstört werden können. Zusammen mit französischen
Forschern hat PD Dr. Bernhard Schulz vom Institut für Geologie
und Mineralogie der Universität Erlangen-Nürnberg eines
der raren alten Blauschiefer-Vorkommen untersucht, das eine solche
Feuertaufe aus wechselnder Hitze und schwankendem Druck überstanden
hat. Mittels chemischer Mikro-Analysen ist es gelungen, die Entwicklungsgeschichte
des Gesteins so präzise zu rekonstruieren, dass numerische
Modelle der Gebirgsbildung darauf aufbauen können.
Blauschiefer stammen aus dem Erdaltertum, das zwischen 550 und 250
Millionen Jahren zurückliegt. Sie sind sehr selten zu finden,
denn nur unter ganz bestimmten Druck- und Temperaturverhältnissen
wird ein Basalt zu diesem Gestein umgewandelt. Der Druck muss dabei
mit weit über vier Kilobar vergleichsweise hoch sein, was im
Gestein zur Bildung von "Hochdruck-Mineralen" führt.
Die Temperatur bleibt mit 300 bis 500°C eher niedrig.
Solche
Bedingungen sind nur zu Beginn einer Kontinent-Kollision zu erwarten.
Später, wenn die Ränder der Krustenplatten übereinandergeschoben
werden und sich aufstapeln, heizt sich die verdickte Erdkruste rasch
auf. Die Hochdruck-Minerale werden instabil. Stattdessen entstehen
andere Mischkristalle, die bei höheren Temperaturen und mittleren
Drücken erhalten bleiben. Steigen Blauschiefer und und ihre
Nebengesteine genügend schnell nach oben, während ein
Gebirgskörper am Kontinentalplatten-Rand aufgetürmt wird,
können sie dieser Zersetzung und Umwandlung entkommen. Auf
dem Dach des neuen Gebirges wären sie dann aber der Erosion
stark ausgesetzt und bald abgetragen.
Chemische Zonierung löst das Rätsel
Auf der Île de Groix vor der südbretonischen Küste
liegen Blauschiefer-Vorkommen, deren Entstehung auf die Zeit vor
380 - 330 Millionen Jahren datiert werden kann. Bei einer Kontinent-Kollision
bildete sich damals das variskische Gebirge, das inzwischen durch
Verwitterungsprozesse stark abgetragen ist. Wie kam es, dass die
Blauschiefer allein auf der 16 Quadratkilometer großen Atlantikinsel
so lange und so gut erhalten blieben? Auskunft darüber gibt
der Druck-Temperatur-Pfad, der Verlauf dieser beiden physikalischen
Größen während der Gesteinsmetamorphose, sofern
er mit großer Exaktheit rekonstruiert werden kann.
Druck
und Temperatur als unabhängige Variablen bestimmen mit, welche
Elemente in welchen Anteilen in das Kristallgitter von Mineralen
eingebaut werden. Umgekehrt lässt die Zusammensetzung komplexer
Mischkristalle qualitative und quantitative Rückschlüsse
auf die Druck- und Temperaturverhältnisse zur Entstehungszeit
zu. Ändert sich die Zusammensetzung eines solchen Mischkristalls
systematisch, so dass "Wachstumszonen" voneinander abgegrenzt
werden können, kann man die wechselvolle Druck- und Temperaturentwicklung,
den P-T-Pfad, den das Gestein innerhalb etlicher Millionen von Jahren
durchlief, aufspüren.
Im
Blauschiefer kristallisiert Glaukophan, ein blassblau gefärbtes
Hochdruck-Mineral der Amphibolgruppe, das durch seinen hohen Natriumgehalt
charakterisiert ist. Außerdem finden sich im Gestein der südbretonischen
Insel blaugrüne Amphibol-Mischkristalle mit weniger Natrium
und viel Calcium. Sie überwuchsen zum Teil den blassblauen
Glaukophan und sind demnach später entstanden. Die Stabilitätsbedingungen
für die beiden unterschiedlichen Mischkristalle sind jedoch
so weit gespannt, dass sich daraus noch kein klares Bild über
den Druck- und Temperaturverlauf ergibt.
Was
beim Aufwachsen des variskischen Gebirges tatsächlich geschah,
konnte erst mit Hilfe einer Elektronenstrahl-Mikrosonde geklärt
werden. Die Blauschiefer wurden in zwei aufeinanderfolgenden Stufen
in die Tiefe der Erdkruste versenkt. Beide Male stiegen Druck und
Temperatur zunächst an und sanken dann wieder; im zweiten Prozess
lagen die Temperaturen allerdings wesentlich höher. Dass das
Schiefergestein dabei nicht umgewandelt und verbraucht wurde, hatte
eine zusätzliche Ursache: es fehlte an Wasser. Die zweite Versenkung
hat die Blauschiefer wahrscheinlich
für etliche Millionen Jahre vor der Erosion bewahrt.
Die
Geothermobarometrie, die die Berechnung von Druck-Temperatur-Pfaden
aus der chemischen Zonierung von Mischkristallen ermöglicht,
will das deutsch-französische Forscherteam bei weiteren Untersuchungen
in der Nordwestbretagne einsetzen. Zur Gruppe gehören Dr. Claude
Audren und Dr. Claude Triboulet vom Centre Nationale de la Recherche
Scientifique (C.N.R.S.) in Rennes und Paris. Die Zusammenarbeit
mit dem Institut für Geologie der FAU dauert bereits zwölf
Jahre.
Mediendienst
FORSCHUNG Nr. 622 vom 28.02.2002
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