Geologie

Die Gesteinsmetamorphose ist meistens eine Anpassung von Mineralinhalt und Gefüge an veränderte Temperatur- und/oder Druckbedingungen. Dabei ist die Zuführung von thermischer Energie der bei weitem wichtigere auslösende physikalische Faktor. Durch Hitzezufuhr kommt es zu Reaktionsvorgängen zwischen sich berührenden Mineralkörnern, weil die meisten Mineralumwandlungen der Metamorphose endotherm (Energie verbrauchend) ablaufen.

Die für eine Temperatursteigerung notwendige thermische Energie kann aus einer zunehmenden Versenkung stammen, wie sie z.B. eine Sedimentfolge innerhalb eines Geosynklinalraums erfährt. Der Temperaturanstieg von 10 °C/km Sedimentauflast, der sich bei der Versenkungsmetamorphose mit wachsender Sedimentmächtigkeit nach der Tiefe hin vollzieht, ist allerdings gering.
Eine viel stärkere Temperatursteigerung ist bei einem zusätzlichen Magmenaufstieg im Orogen zu erwarten. Über einem derartigen Wärmedom oder einer Wärmebeule im Orogen kann örtlich oder regional der thermische Gradient eine Steigerung bis zu mehr als 100 °C/km erreichen. Die aus dem Magma abgegebene Wärme bewirkt im angrenzenden Nebengestein eine thermische Umkristallisation. Erfolgt dabei die Umkristallisation unter Beibehaltung des Mineralbestands, z.B. nur eine durch Kornvergröberung vom Kalkstein zum Marmor, so liegt eine isophase, wenn - wie im Regelfall - andere Minerale entstehen, eine allophase Umkristallisationsmetamorphose vor.
Weiterhin können örtlich oder regionale Wärmezufuhren auf radioaktiven Zerfallsreaktionen oder auf tektonische Reibung (sogenannte Friktionswärme) zurückgehen. In den tieferen Teilen der Erdkruste muß auch mit Wärmezufuhr aus dem Oberen Erdmantel gerechnet werden.
Eine ausschließlich durch Wärmezuführung ausgelöste Umkristallisation liegt besonders bei der Kontaktmetamorphose bzw. der Pyrometamorphose vor.
Die Temperaturen der Gesteinsmetamorphose reichen für alle Fälle etwa von 200 - 1.000 °C.

Druck wirkt bei der Gesteinsmetamorphose meistens als Belastungsdruck, der sich aus der Last der überlagernden Gesteinsschichten ergibt. wie z.B. bei der Versenkungsmetamorphose. In Abhängigkeit von der Dichte des überlagernden Gesteinspakets ergeben sich Drücke von 250 - 300 bar je km Tiefe für die Verhältnisse der kontinentalen Kruste. Es wird angenommen, daß dieser Belastungsdruck allseitig, hydrostatisch, wirkt. Der wahrscheinliche Belastungsdruck an der Untergrenze der Erdkruste variiert zwischen rund 10 kbar für die kontinentale Kruste und rund 2 kbar für die ungestörte ozeanische Kruste. Die größte zu erwartende Tiefe innerhalb der heutigen kontinentalen Kruste einschließlich der känozoischen orogenen Gebirgsketten beträgt etwa 70 km mit Drücken in der Größenordnung von 20 kbar an deren Basis. Einige metamorphe Gesteine, die ihre Metamorphose innerhalb von Subduktionszonen oder Zonen kontinentaler Kollision erfahren haben, können innerhalb von Tiefen bis zu 100 km und mehr noch höhere Bildungsdrücke erreicht haben. Die charakteristischen Minerale für derartig hohe Drücke sind Coesit und Diamant, die unter Drücken von rund 30 kbar und darüber stabil sind.

Der Ausgangschemismus erfährt bei der Gesteinsmetamorphose im allgemeinen keine Änderung. Das betrifft sowohl die Haupt- als auch die Neben- und Spurenelemente. Die Metamorphose verläuft in den meisten Fällen isochemisch. Wenn z.B. ein Bänderton durch Metamorphose umkristallisiert, so bleibt seine Bänderung im metamorphen Gestein noch immer erkennbar. Die feinen, sedimentär angelegten stofflichen Unterschiede werden durch die metamorphen Mineralbestand fixiert und im metamorphen Gestein übernommen.
Genaugenommen werden bei zahlreichen Zerfallsreaktionen unter höheren Temperaturen bei der Gesteinsmetamorphose häfig H₂O, in manchen Fällen auch CO₂ oder andere Gase frei, die das Gestein verlassen können. Im Hinblick auf diese mobilen Komponenten verläuft die Metamorphose allochemisch.
Nur in besonderen, wenn auch nicht seltenen Fällen kommt es zu Umsetzungen und Austauschreaktionen mit überkritischen Gasen oder hydrothermalen Lösungen, die fast stets zugeführt worden sind. Sie können lokal einen erheblichen Stoffaustausch bewirken. Eine solche Metamorphose mit beachtlicher Stoffänderung (Stoffzufuhr oder Stoffwegfuhr) wird als Metasomatose bezeichnet. Sie findet bevorzugt im Wirkungsbereich einer Kontaktmetamorphose statt, die dann als Kontaktmetasomatose bezeichnet wird.