Geologie

Es gibt bislang kein international anerkanntes, beschreibendes System der metamorphen Gesteine. Für eine Ordnung der vielfältigen Gesteinsentwicklungen bei der Metamorphose ist bislang die metamorphe Fazies (Mineralfazies) am besten geeignet. Vor der Schaffung eines solchen Prinzips sind in historischer Folge nur regional ausgerichtete Zonengliederungen metamorpher Gesteine und ihrer Minerale vorgenommen worden.

Definition der Mineralfazies nach TURNER: "Eine metamorphe Fazies umfaßt alle Gesteine der verschiedenen chemischen Zusammensetzungen, die während der Metamorphose in einem bestimmten Bereich physikalischer und chemischer Bedingungen stabil gebildet worden sind." Nach dieser Definition erfordert eine Mineralfazies ausdrücklich stabil gebildete Mineralassoziationen. Allgemein geht man jetzt davon aus, daß eine Mineralparagenese durch Berührungsparagenesen von Mineralkörnern nachgewiesen sein muß. Eine bestimmte Mineralfazies sagt andererseits nichts aus über das Ausgangsprodukt oder eine metasomatische Veränderung eines metamorphen Gesteins. Diese Fragen können nur durch einen chemische Nachweis, Reliktgefüge oder Feldbeobachtungen geklärt werden.
Die einzelnen Mineralfazies werden nach einem für die betreffende Fazies charakteristischen und womöglich kritischen Mineral oder nach einem Gestein, in dem kritische Minerale enthalten sind benannt. Jedoch ist die metamorphe Fazies trotzdem nicht immer so benannt, daß kennzeichnende Faziesmerkmal in ihr zum Ausdruck kommen.

weiteres hierzu: Klassifikation der metamorphen Gesteine nach ihrer Mineralfazies

Innerhalb einer natürlichen Mineralkombination im metamorphen Gestein läßt sich ein Gleichgewichtszustand nicht nachweisen. Nur für bestehende Ungleichgewichte gibt es Kriterien, die, soweit sie auftreten, auch eindeutige Schlüsse zulassen.
Auf vorhandene Ungleichgewichte weisen besonder shin:
1. Zonarbau bei Mischkristallen, etwa bei Plagioklas,
2. die (metastabile) Erhaltung von magmatischen oder sedimentogenen Relikten, auch von metamorphen Relikten aus einer vorangegangenen abweichenden Mineralfazies,
3. Reaktinsgefüge, Reaktionssäume zwischen 2 oder mehreren Mineralarten und auffällig unausgeglichene Gefüge,
4. das Nebeneinanderauftreten von unverträglichen (inkompatiblen) Mineralphasen wie z.B. Quarz neben Forsterit, Quarz neben Korund oder Graphit neben Hämatit,
5. Verletzung der Phasenregel, indem mehr Mineralphasen auftreten als Komponenten abgezählt werden können. Eine solche Überprüfung stößt bei den meisten chemisch komplexen Gesteinen auf Schwierigkeiten wegen Unsicherheit in der Auswahl und Abzählung der Komponenten. In einfachen Modellsystemen ist die Phasenregel hingegen strikt anwendbar.
Die aufgeführten Kriterien sind im Dünnschliff unter dem Mikroskop überprüfbar. Es gibt weiter, geochemische Kriterien, die sehr nützlich sein können.

Die Anwendung der GIBBS-Phasenregel in der Petrologie gibt Auskunft darüber, wieviele Minerale (Mineralphasen) bei einem gegebenen Gesteinschemismus maximal in einem metamorphen (oder magmatischen) Gestein nebeneinander im Gleichgewicht auftreten können. Ihre Zahl ist begrenzt. Die GIBBS-Phasenregel hilft, hierzu präzise Angaben zu machen.
Die GIBBS-Phasenregel lautet:
p = k + 2 - f
Als Phase (p) bezeichnet man die physikalisch verschiedenen und mechanisch trennbaren Teile eines Systems. Sie können kristallin, flüssig oder gasförmig sein. Nur kristalline Phasen können in größerer Zahl nebeneinander in einem stabilen thermodynamischen Gleichgewicht auftreten.
Als Komponente (k) eines System bezeichnet man die Mindestzahl der chemischen Molekülgattungen, die zum Aufbau der Phasen erforderlich sind.
Die Freiheitsgrade (f) eines Systems werden durch die beiden veränderbaren Größen Druck (P) und Temperatur (T) bestimmt.
Nach der GIBBS-Phasenregel ist die maximal mögliche Zahl der Phasen gegeben, wenn f = 0 ist (p_max = k + 2 - 0).
In der Natur ist es recht unwahrscheinlich, daß sowohl der Druck als auch die Temperatur während des Ablaufs der Metamorphose in einem Gestein festgelegt sind. Die metamorphen Reaktionen laufen vielmehr innerhalb eines größeren P,T-Intervalls ab, das heißt, ihre Größe ändert sich. Es liegen somit in der Regel 2 Freiheitsgrade vor. Diese zuerst von GOLDSCHMIDT begründete Feststellung vereinfacht die GIBBS-Phasenregel in
p ≤ k,
als Mineralogische Phasenregel bezeichnet. Sie besagt, daß bei nicht festgelegtem Druck und nicht festgelegter Temperatur die Zahl der auftretenden Mineralphasen die Zahl der Komponenten nicht übersteigen kann. Häufig liegt die Zahl der Mineralphasen unter der Zahl der Komponenten.

Beispiel:
Abb. 1
Das System der Al₂SiO₅-Polymorphen Andalusit, Disthen und Sillimanit (nach HOLDAWAY, 1971) mit Angabe der Dichten
Al₂SiO₅ kommt je nach gegebenen Druck und Temperaturbedingungen in verschieden Modifikationen vor. Bei hohem Druck bildet sich das Mineral Sillimanit, bei niedrigen Temperaturen Disthen und bei mittleren Temperaturen und niedrigem Druck Andalusit.
Es handelt sich hierbei um ein Einkomponentensystem, da nur die Komponente Al₂SiO₅ vorliegt. Somit ist f = 1. Im Tripelpunkt dieses Einkomponenetensystems - in Abb. 1 im Punkt A - kommen alle drei Minerale (Mineralphasen) stabil nebeneinander vor. Damit ergeben sich nach der GIBBS-Phasenregel (3 = 1 + 2 - f) keine Freiheitsgrade (f = 0). D.h. Temperatur und Druck sind festgelegt, bei einer Abweichung von den vorgegebenen Werte sind die 3 Phasen nicht mehr stabil nebeneinander. Ein System in dem es keine Freiheitsgrade gibt ist invariant.
Auf der Geraden B-A in Abb. 1 treten Disthen und Andalusit stabil nebeneinander auf. Es sind somit nur noch 2 Phasen gegeben. Damit ergibt sich nach p = k + 2 - f (2 = 1 + 2 - f) ein Freiheitsgrad. D. h. die Temperatur kann (innerhalb eines gewissen Rahmen) frei gewählt werden, damit das Gleichgewichtsfeld bzw. -gerade erreicht wird ist dann der Druck vom System festgelegt. Umgekehrt kann der Druck gewählt werden, dann ist aber die Temperatur festgelegt. Ein solches System mit einem Freiheitsgrad ist univariant.
Im Stabilitätsfeld von z.B. Disthen ist nur noch eine Phase gegeben. Somit ergeben sich nach der GIBBS-Phasenregel zwei Freiheitsgrade. Es kann sowohl die Temperatur als auch der Druck (innerhalb eines gewissen Rahmen) frei gewählt werden, ohne das Stabilitätsfeld des Disthens zu verlassen. Ein System mit zwei Freiheitsgraden wird als divariant bezeichnet.