Metamorphose
Metamorphe Prozesse:
Metasomatismus: Komposition ändert sich während metamorphose (Chemie ändert sich)
- Kontaktmetamorphose druck bleibt konstant
- Regionalmetamorphose: Druck und Temp ändern sich
Metamorphose bedingt änderung in:
- Druck ρgh: Lithostatischer Druck
- 1KBar ~3.5km Tiefe
- Temperatur
- Fluid
- Deformation
- Zusammensetzung
- Zeit ist wichtiger Faktor
Geotherm leicht exponentiell, da Zunahme mit tiefe bedingt durch Radioaktive Zerfälle und Mantelwärme (bei 600° an Krusten-Mantel Grenze)
prograde Metamorphose ist schnell, retrograd immer langsam
→ Wird bei retrograder Metamorphose kein Wasser zugeführt, so bleibt die Peak-Metamorphose erhalten (Gesteine Zeigen Metamorphose mit geringstem Wassergehalt an)
Mineralwachstum:
- Präkinematisch (Umflossen von Struktur)
- Synkinematisch (eingeregelt)
- Postkinematisch (überwächst schieferung)
Absolute Altersbestimmung:
- fission tracks apatite
- Zircon
- Ar-Ar Biotit, Muskovit oder Amphibol
- Sm-Nd Granat oder clonopyroxen (gut für hohe T, 600-700+°)
- U-Pb Zirkon oder Monazit (Gut für hohe T, 600-700+°)
\(\to \) Raten von Metamorphen Prozessen bestimmen
\(\to\) Faziesdiagramm nur für krustale Metamorphose (Zb Diamant-fazies ~not realized on planet earth)
Phasendiagramm
\(C+2-\phi = \omega\)
- C=Components
- \(\phi\) = Phasen
- \(\omega\) = Freiheitsgrad
- \(\omega\) = 0: Invarianter Punkt (3 Coexistierende Phasen, PT Fixiert)
- \(\omega\) = 1: Univariante Reaktion (2 coexistierende Phasen, P oder T fix)
- \(\omega\) = 2: Divariantes Feld (1 Phase)
Immer kleinstmögliche Phasenanzahl wählen!
Reaktionsseite mit tieferer Gibbsenergie ist immer stabiler
ausserdem ist in Reaktionen die Seite mit Volatilen Phasen (Wasser, CO2) immer die Hochtemp. Seite und sind steiler als fest-fest Reaktionen
dG= VdP - SdT
\(\frac{dP}{dT}=\frac{\Delta S}{\Delta V}\)
Retrograde Entwicklung
- isobaric cooling: Abkühlung bei gleichbleibendem Druck (abkühlung, bs Gesteine wieder am Geotherm sind); typisch untere Krustale Granulite
- granulitfazielle Foliation
Isothermal decompression: Schnelle Exhumation bei einem rifting Process, assoziiert mit teilweise dehydratation der Gesteine
- lokalisierte Scherzonen
- lokalisierte Scherzonen
Durch auseinanderbrechen von Kontinenten kann sogar Mantel exhumiert werden
Ophiolite zeigen Suturzone Europa - Afrika und sind geeignet um Eklogitfazielle Gesteine zu finden
Metamorphose in Subduktion:
- Mafische Gesteine:
- Gabbro zu Eklogit Transition
- Wasserfreigabe während subduktion
- Ultramafische Gesteine (serpentinite)
- Wassertransport
- Strukturen, Rheologie, Erdbeben
- Felsische Gesteine (sedimente)
- Subduktion von KK
- UHP Metamorphismus
Gabbro -> Eklogit:
- Cpx wird zu Omphacit
- Plagio wird zu jadeit/Omphacit und Quarz oder Granat (Anorthit)
Olivin wird zu Granat
Albit + Druck = Jadeit + Quarz, Jadeit macht Mischreihe mit Omphaci
Wasserfreigabe komplett vor 100km tiefe
Wichtige Wasserhaltige Minerale: Chlorit, Amphibol, Zoisit, Lawsonit, Chloritoid
Mafisches NCMASH System
Na, Ca, Mg, Al, Si, H2O
- \(\omega\) = 2 \(\to\) divariantes Feld
lektion13-15, F20
Blauschiefer - Eklogit Transition
- CNFMASH - System
- Fe bewirkt, das Dehydratation bei tieferen PT bedingungen stattfindet
- Kontinuierliche Reaktion
- Übergang ist abhängig von Gesteinszusammensetzung
- Wasserfreigabe über Temperaturintervall
Wichtige Dehydratationsreaktionen:
- Antigorit \(\to\) Ol + Opx + Chl + H2O
- Chl + Cpx \(\to\) Ol + Grt + H2O
- Chl + Opx \(\to\) Ol + Grt + H2O
- Antigorit hat grosses Stabilitätsfeld
- plötzliche Wasserfreigabe in Ultramafika
\(\to\) Wichtigste Wasserquelle für Vulkanismus entlang Inselbögen
- Serpentinite treten oft zusammen mit Eklogiten auf
UHP Metamorphismus:
- Coesite entstehung bei UHP
- Weissschiefer (Grt + Cpx + Ky + Phe + Coe, KCMASH System)
\(\to\) Fast kein Eisen
letzte 2 VL nicht gut angeschaut
Magmatismus
Wilson Zyklus
- Stabile Kruste (Kraton)
- Frühes Riftstadium
- Ocean basin
- Subduktion
- schliessen des ocean basin
- Kontinent - Kontinent Kollision
Wärmequellen in der Erde:
- Radioaktiver Zerfall
- in Kruste Radioaktive Elemente angereichert
- Restwärme der Akkretion
- Kristallisation des inneren Erdkerns
- Gezeitenreibung
Wärmetransport
- Konduktion: Wärme wird transportier ohne Bewegung von Materie
- Konvektion: Wärme wird transportiert durch Bewegung von Materie
- Strahlung: nur durch Transparentes Material möglich
30MPa = 1km im Mantel
Wärmefluss:
\(q=-K \nabla T\) k=Wärmeleitfähigkeit
Urey ratio:
\(\frac{Wärmeproduktion\ im\ Mantel}{Wärmeverlust\ der\ Erde}\)
Zeitkonstante \(\tau\)
\(\tau =\frac{l^2 \rho Cp}{K}\)
Steady State (T verteilung mit Tiefe)
\(T(z)=T_0+q \int^z_0 \frac{dz}{K}\)
q=Wärmefluss, K=Wärmeleitfähigkeit
z=Tiefe
Geothermischer Gradient in Oz Kruste sehr steil, ab kont Kruste langsamere zunahme (steiler, aber nicht so extreme zunahme)
Schmelze
- Schmelztemp 1240°C \(\to\) adiabatisches aufsteigen der Schmelze aus Tiefe
ab ca 120km Tiefe bildet sich bei Subduktion Schmelze
\(\to\) Wasserentweichung, bevor Schelzbedingungen erreicht sind
Schmelzbildung:
- Druckentlastung; Heisses Material gelangt in Bereiche mit tieferem Druck
- Chemismus veränderung: Zugabe von H2O
- woher kommt wasser? Minerale dehydrieren zu früh?? Folie16, VL3
durch adiabatischer aufstieg?
- woher kommt wasser? Minerale dehydrieren zu früh?? Folie16, VL3
\(\to\) je mafischer, desto höher der Schmelzpunkt!
Zusammensetzung des Erdmantels herleiten:
- Xenolithe (Gesteinsfragmente aus Mantel durch Vulkane)
- Ophiolite (Oz. Kruste auf kont. ränder aufgeschoben)
- schmelzen (Basalt - Spurenelemente)
- Modelle (Seismik, Meteorite, Experimente)
Mantel:
Mineralogie bedingt durch Metamorphe Minerale
- Plag schnell instabil bei Druck
plag+Ol = 2Opx +Cpx +Spi - Spi auch eher schnelle umwandlung
spi+4Opx = Ol+Grt
Grt dann relativ lange stabil
- Plag schnell instabil bei Druck
Olivin hat verschiedene Strukturen:
- \(\alpha\)-Olivin: Orthorhombisch
- \(\beta\)-Olivin: Kubisch
- \(\gamma\)-Olivin: Kubisch
Modaler Mineralbestand
= Real existierende Minerale in Gestein
Normativer Mineralbestand
= berechnete Minerale aus chemischer Analyse des Gesteins
Azeotrop= Temperatur Minimum in geologisch relevanten Systemen ??
Druck erhöht Schmelzpunkt und verändert somit die Lage des Eutektikum
im Basalt:
- Druckzunahme verlagert Eutektikum von SiO2 saturated zu unsaturated (Alkaline basalts)
Wasser schiebt Eutektikum zu SiO2 reicherer schmelze, CO2 zu SiO2 ärmerer Schmelze
\(\to\) Schmelze startet an berührungspunkten der meisten Minerale
Segregation = Trennung Teilschmelze vom Residuum
Kontaktwinkel/Benetzungswinkel
\(\to\) damit Schmelze extrahiert werden kann, muss Schmelze zwischen Korngrenzen und residualen Mineralen verbunden sein
Dichtetrennung:
\(v=\frac{2gr^2(\rho_s -\rho_l)}{9\eta}\)
MOR
- fast ridge:
- aufwölbung
- starker Vulakinsmus (magmatism)
- komplette Abfolge (Peridotit-gabbro-basalt)
- 10-16cm/a
- slow ridge
- tiefes Tal
- moderater magmatismus
- inkomplette sequenz
2-4cm/a
MORB und Inselbogenvulkanismus haben dieselbe Quelle; Oberer Mantel
Subduktion:
- Langsame Subduktion: junge oz. Lithosphäre
- schnelle Subduktion:alte oz. Lithosphäre
H2O Transport bis zu 300km tiefe
\(\to\) oberer Mantel bei subduktion "verunreinigt"
typische Minerale in Alkaligesteinen:
- Olivin
- Pyroxene
- Amphibole
- Glimmer
im AFM Diagramm kann Tholeiitische Serien von Kalkalkalinen unterschieden werden
\(\to\) Hornblende ist wichtig für Kalkalkaline Serie
Fraktionierung von Hbl führt zu SiO2 Zunahme
HFSE fehlen in Tholeiten (Mehr in MORB)
Karbonat Vulkanismus:
- nur in kontinentalen Platten
- Calcit, Dolomite, Ankerite
Kimberlite:
- Olivin und Phlogopithaltiges Ultramafisches Gestein (Opx, Cpx, Rutil, Perovskit, Granat, Diamant)
\(\to\) sehr starke Explosion! Dadurch bleiben diamanten erhalten (Schneller aufstieg)
Magmatische Differentiation:
- Kristallfraktionierung: Dichtetrennung von Mineralen während kristallisation (Kumulatbildung)
- Assimilation: Aufnahme von Komponenten aus Nebengestein oder anderen Magmen ( magma mixing and mingling)
- Segregation: Physische Abtrennung von chemisch verschiedenen Teilen einer Magma (Kompaktion, Entmischung, filter pressing)
\(\to\) Granit/Rhyolit entstehung von differentiation basaltischer schmelzen (Kalkalkalischer trend und aufschmelzen von Krustengesteinen (migmatite)
Granite
- enthalten 1 entmischten Fsp oder 2 verschiedene
bei tiefem Druck 1 AFsp, bei hohem Druck 2 Afsp
Typen:
- I-Type Granite:
-Ignious (magmatisch); nur magmatische erfahrungen - endprodukt des Kalkalkalischen Trends
- enthält nur Biotit
- S-Type Granite:
- Aufgeschmolzene (Meta)Sedimetäre Gesteine
- reine felsische Schmelze
- 2 Glimmer, Alumosilikate, Granat und Corsierit
- M-Type
- Leukogranit (MOR)
A-Type:
- Rifting
- Rifting