Physikalische Geologie

Alle uns bekannten wichtigen Prozesse der Metamorphose können in direktem Zusammenhang mit geologischen Prozessen stehen, die durch die Plattentektonik verursacht werden. Die Beziehungen zwischen Plattentektonik und Metamorphose sind in Abbildung 7.14 und detaillierter in den Abbildungen 7.15, 7.16, 7.17 und 7.19 zusammengefasst.

Der größte Teil der regionalen Metamorphose findet innerhalb der kontinentalen Kruste statt. Während Gesteine in den meisten Gebieten in der Tiefe metamorphosiert werden können, ist das Potenzial für Metamorphose in den Wurzeln von Gebirgszügen am größten, wo eine hohe Wahrscheinlichkeit besteht, dass relativ junges Sedimentgestein in großen Tiefen begraben wird, wie in Abbildung 7.15 dargestellt. Ein Beispiel wäre das Himalaya-Gebirge. An dieser konvergenten Grenze zwischen Kontinent und Kontinent wurden Sedimentgesteine sowohl in große Höhen (fast 9.000 m über dem Meeresspiegel) geschoben als auch in große Tiefen vergraben. In Anbetracht der Tatsache, dass der normale geothermische Gradient (die Temperaturanstiegsrate mit der Tiefe) etwa 30 ° C pro Kilometer beträgt, könnte das bis zu 9 km unter dem Meeresspiegel vergrabene Gestein in dieser Situation nahe 18 km unter der Erdoberfläche liegen, und es ist vernünftig, Temperaturen bis zu 500 ° C zu erwarten.

An einem ozeanischen Spreizkamm entfernt sich die kürzlich gebildete ozeanische Kruste aus Gabbro und Basalt langsam von der Plattengrenze (Abbildung 7.16). Wasser innerhalb der Kruste wird gezwungen, in dem Bereich nahe der Quelle der vulkanischen Hitze aufzusteigen, und dies zieht mehr Wasser von weiter außen an, was schließlich ein konvektives System erzeugt, in dem kaltes Meerwasser in die Kruste und dann wieder auf den Meeresboden in der Nähe des Kamms gezogen wird. Der Durchgang dieses Wassers durch die ozeanische Kruste bei 200 ° bis 300 ° C fördert metamorphe Reaktionen, die das ursprüngliche Pyroxen im Gestein zu Chlorit und Serpentin verändern. Da diese Metamorphose bei Temperaturen weit unter der Temperatur stattfindet, bei der sich das Gestein ursprünglich gebildet hat (~ 1200 ° C), wird sie als retrograde Metamorphose bezeichnet. Das Gestein, das sich auf diese Weise bildet, wird als Greenstone bezeichnet, wenn es nicht foliert ist, oder Greenschist, wenn es so ist. Chlorit ((Mg5Al) (AlSi3) O10 (OH) 8) und Serpentin ((Mg, Fe) 3Si2O5 (OH) 4) sind beide „hydratisierte Mineralien“, was bedeutet, dass sie Wasser (als OH) in ihren chemischen Formeln haben. Wenn metamorphosierte Ozeankruste später subduziert wird, werden Chlorit und Serpentin in neue nicht wasserhaltige Mineralien umgewandelt (z., Granat und Pyroxen) und das freigesetzte Wasser wandert in den darüber liegenden Mantel, wo es zum Schmelzen des Flusses beiträgt (Kapitel 3, Abschnitt 3.2).

In einer Subduktionszone wird die ozeanische Kruste in den heißen Mantel gedrückt. Da die ozeanische Kruste jedoch jetzt relativ kühl ist, insbesondere entlang ihrer oberen Oberfläche am Meeresboden, erwärmt sie sich nicht schnell und das subduzierende Gestein bleibt mehrere hundert Grad kühler als der umgebende Mantel (Abbildung 7.17). Eine besondere Art von Metamorphose findet unter diesen Bedingungen mit sehr hohem Druck, aber relativ niedriger Temperatur statt und erzeugt ein Amphibolmineral, das als Glaukophan (Na2 (Mg3Al2) Si8O22 (OH) 2) bekannt ist, das blau gefärbt ist und ein Hauptbestandteil eines Gesteins ist, das als Blauschiefer bekannt ist.

Wenn Sie Blueschist noch nie gesehen oder gehört haben, ist das nicht verwunderlich. Was überrascht ist, dass jeder es gesehen hat! Der meiste Blauschiefer bildet sich in Subduktionszonen, wird weiter subduziert, verwandelt sich in etwa 35 km Tiefe in Eklogit und sinkt dann schließlich tief in den Mantel — um nie wieder gesehen zu werden. Nur an wenigen Orten der Welt, wo der Subduktionsprozess durch einen tektonischen Prozess unterbrochen wurde, ist teilweise subduziertes Blauschiefergestein an die Oberfläche zurückgekehrt. Ein solcher Ort ist die Gegend um San Francisco; Der Felsen ist als Franziskanerkomplex bekannt (Abbildung 7.18).

Magma entsteht an konvergenten Grenzen und steigt zur Oberfläche auf, wo es im oberen Teil der Kruste Magmakörper bilden kann. Solche Magmakörper erwärmen bei Temperaturen um 1000 ° C das umgebende Gestein, was zu einer Kontaktmetamorphose führt (Abbildung 7.19). Da dies in relativ geringen Tiefen geschieht, entwickelt das resultierende Gestein in Abwesenheit von gerichtetem Druck normalerweise keine Folierung. Die Zone der Kontaktmetamorphose um eine Intrusion ist sehr klein (typischerweise Meter bis Dutzende Meter) im Vergleich zum Ausmaß der regionalen Metamorphose in anderen Umgebungen (Zehntausende von Quadratkilometern).

Regionale Metamorphose findet auch innerhalb von Vulkanbogengebirgen statt, und wegen der zusätzlichen Wärme, die mit dem Vulkanismus verbunden ist, ist der geothermische Gradient in diesen Umgebungen typischerweise etwas steiler (irgendwo zwischen 40 ° und 50 ° C / km). Infolgedessen können höhere Metamorphismusgrade näher an der Oberfläche stattfinden als in anderen Bereichen (Abbildung 7.19).

Eine andere Möglichkeit, die Metamorphose zu verstehen, besteht darin, ein Diagramm zu verwenden, das die Temperatur auf einer Achse und die Tiefe (die dem Druck entspricht) auf der anderen Achse anzeigt (Abbildung 7.20). Die drei schweren gepunkteten Linien in diesem Diagramm stellen die geothermischen Gradienten der Erde unter verschiedenen Bedingungen dar. In den meisten Gebieten beträgt die Temperaturanstiegsrate mit der Tiefe 30 ° C / km. Mit anderen Worten, wenn Sie 1.000 m in eine Mine hinuntergehen, ist die Temperatur ungefähr 30 ° C wärmer als die Durchschnittstemperatur an der Oberfläche. In den meisten Teilen Südkanadas beträgt die durchschnittliche Oberflächentemperatur etwa 10 ° C. In 1.000 m Tiefe werden es also etwa 40 ° C. Das ist unangenehm heiß, daher müssen tiefe Minen über wirksame Belüftungssysteme verfügen. Dieser typische geothermische Gradient ist in Abbildung 7.20 durch die grün gestrichelte Linie dargestellt. In 10 km Tiefe beträgt die Temperatur etwa 300 ° C und in 20 km etwa 600 ° C.

In vulkanischen Gebieten liegt der geothermische Gradient eher bei 40 ° bis 50 ° C / km, so dass die Temperatur in 10 km Tiefe im Bereich von 400 ° bis 500 ° C liegt. Entlang der Subduktionszonen, wie oben beschrieben, hält die kalte ozeanische Kruste die Temperaturen niedrig, so dass der Gradient typischerweise weniger als 10 ° C / km beträgt. Die verschiedenen oben beschriebenen Arten von Metamorphismen sind in Abbildung 7.20 mit denselben Buchstaben (a bis e) dargestellt, die in den Abbildungen 7.14 bis 7.17 und 7.19 verwendet werden.

Wenn wir beispielsweise die regionale Metamorphose in Gebieten mit typischen geothermischen Gradienten betrachten, können wir feststellen, dass die Bestattung im Bereich von 5 km bis 10 km uns in die Zeolith- und Tonmineralzone bringt (siehe Abbildung 7.20), was der Bildung von Schiefer entspricht. Bei 10 km bis 15 km befinden wir uns in der Greenschist-Zone (wo sich Chlorit in mafischem Vulkangestein bilden würde) und sehr feine Glimmer bilden sich in Schlammgestein, um Phyllit zu produzieren. Bei 15 km bis 20 km bilden sich größere Glimmer, um Schiefer zu produzieren, und bei 20 km bis 25 km bilden sich Amphibol, Feldspat und Quarz, um Gneis zu produzieren. Jenseits von 25 km Tiefe in dieser Umgebung überqueren wir die partielle Schmelzlinie für Granit (oder Gneis) mit vorhandenem Wasser, und so können wir erwarten, dass sich Migmatit bildet.