Metamorphismus

Metamorphismus (Metamorphose) der Gesteine (hierzu die Tafel »Metamorphismus«), die Umbildung eines Gesteins in ein andres, im weitesten Sinne jede Veränderung, die ein Gestein seit seiner ursprünglichen Bildung oder Ablagerung betroffen hat; so die Veränderung der Gesteine durch die Einwirkung der Atmosphärilien (Luft, Wasser und Kohlensäure) oder die Verwitterung, die Verfestigung des Tonschlammes zu Schieferton und Tonschiefer, des Kalkschlammes zu Kalkstein, die Umänderung der vegetabilischen Substanz in Torf, Braunkohle, Steinkohle und Anthrazit, die Umbildung des Anhydrits durch Wasseraufnahme in Gips, die Umwandlung schwach dolomitischer Kalksteine durch Auslaugung von kohlensaurem Kalk in zellige Dolomite, die Umbildung des Eisenspats in Brauneisenstein. Man hat diesen M., bei dem das Wasser und die bei der Verwitterung der Gesteine entstandenen Lösungen eine hervorragende Rolle spielen und wesentlich hydrochemische Vorgänge sich vollziehen, als hydatogenen M. bezeichnet und ihn dem sogen. atmogenen und pyrogenen M. gegenübergestellt. Bei dem atmogenen M. sind die wirkenden Kräfte vulkanische Gase und Dämpfe, auch Quellen; so werden Trachyte durch die Schweflige Säure der Solfataren umgewandelt in Alaunstein, Kalksteine in Gips; dunkle Laven werden gebleicht und in weiche, tonige Massen verwandelt, welche die widerstandsfähigern Bestandteile oft noch in deutlich erkennbaren Kristallen einschließen. Der pyrogene M. äußert sich besonders an Gesteinen, die von Eruptivgesteinen durchbrochen worden sind, und zwar in Form von Frittung, Anschmelzung, Verglasung, Verkokung, Umkristallisierung etc., also in einer Veränderung der Struktur (s. Basalte). Diese Art des M. ist auch wohl als Kontaktmetamorphismus bezeichnet worden. Allgemein versteht man aber unter letzterm M. die in Berührung mit Eruptivgesteinen überhaupt eingetretene Umwandlung der Gesteine. Bei den Ergußgesteinen pflegt sie eine andre zu sein als bei den plutonischen Gesteinen. Während man bei den erstern (z. B. beim Basalt) hauptsächlich Umschmelzungen etc. begegnet, die sich aus der hohen Temperatur der Ergußgesteine in einfacher Weise erklären und selbst experimentell nachahmen lassen (kaustische Metamorphose), sind die an die plutonischen Gesteine geknüpften kontaktmetamorphischen Umbildungen viel komplizierter und in der Regel nicht ohne die Annahme zu erklären, daß das Magma der plutonischen Gesteine in großer Menge wässerige Lösungen enthielt, die bei seiner Erstarrung zum Teil in das Nebengestein eindrangen und dort oft weitgehende Veränderungen hervorriefen (hydatothermische Metamorphose). So sind Kalksteine verschiedenen Alters im Kontakt mit plutonischen Gesteinen innerhalb einer weiten Zone um das Eruptivgestein, dem sogenannten Kontakthof, in Marmore umgewandelt, die Kalksilikate, wie Granat, Vesuvian, Wollastonit, grünen Augit etc., aber auch Magnesiasilikate, Spinelle, Korund etc. (sogen. Kontaktmineralien), oft in großer Menge enthalten, z. B. die Triaskalke bei Predazzo in Südtirol im Kontakt mit Syenit, die Triaskalke am Adamello mit Quarzdiorit, Silurkalke bei Christiania mit Granit etc. Tonschiefer im Kontakt mit Granit kennt man von verschiedenen Orten. In den Vogesen gehen dieselben, je mehr man sich in dem bis an 1000 m breiten Kontakthof dem Granit nähert, allmählich in Knoten- und Fleckschiefer, Knotenglimmerschiefer (Andalusitglimmerschiefer) und ungeschichtete Hornfelse (Glimmerhornfelse, Andalusithornfelse, Cordierithornfelse) über, und ganz ähnlich sind die Erscheinungen am Granitkontakt im Harz, in Sachsen, im Fichtelgebirge etc., wo ebenfalls Knotenschiefer, Fruchtschiefer, Andalusit- oder Chiastolithschiefer und als weitestes Stadium der Umwandlung, dem Granit am nächsten gelegen, Hornfelse (Cornuvianit etc.) beobachtet werden. Die Metamorphose dieser Tonschiefer besteht oft lediglich in einer molekularen Umlagerung (Umkristallisierung), nur in manchen Fällen ist eine Zufuhr von Kieselsäure, Borsäure und Fluor nachweisbar, die auch in der reichlichen Ausscheidung von Quarz und Turmalin direkt zum Ausdruck kommt. Anders als am Granit erscheint die Kontaktmetamorphose der Tonschiefer am Diabas, indem sich hier im Kontakthof natronreiche Kontaktgesteine (Hornschiefer, Spilosite, Desmosite, Adinole etc.) einstellen. Außer den Umwandlungsvorgängen im Nebengestein (exomorpher M.) läßt sich bei vielen Eruptivgesteinen auch eine strukturelle, seltener stoffliche Veränderung an den Kontaktstellen (endomorpher M.) nachweisen. So sind die Variolite (Perldiabase) eine endomorphe Kontakterscheinung des Diabases.

Experimentell läßt sich zeigen, daß locker gebildetes Material durch Druck verfestigt werden kann, und so wird auch allgemein angenommen, daß der Unterschied zwischen dem lockern Zustand sehr alter Gesteine (der silurischen, devonischen und Steinkohlenformation) in Zentralrußland und den festen Schiefertonen und Sandsteinen derselben Formationen in andern Gegenden auf den Mangel an Bedeckung und deshalb auch des Druckes während jüngerer geologischer Perioden in Rußland zurückzuführen ist. Da, wo die Gesteine bei der Gebirgsbildung (s. Gebirge) von seitlich wirkenden starken Druckkräften betroffen wurden, haben sie häufig eine mechanische Umformung und zuweilen auch eine mit dieser Hand in Hand gehende stoffliche Veränderung erfahren. Die mechanische Umformung macht sich sowohl in einer Biegung, Faltung und Knickung der Schichten (vgl. Fig. 1) als besonders in einer Zerreißung, Zertrümmerung, Zermalmung und Verquetschung geltend. Zuweilen löst sich das ganze Gestein in lauter kleine, eckige Stücke auf, die aber durch sekundär gebildete Mineralsubstanzen wieder verkittet sein können, es ist also eine Breccienstruktur, oder, wie man bei einer ins kleinste gehenden Zerreibung zu sagen pflegt, eine Mikrobreccien- oder Kataklasstruktur entstanden. Die einzelnen Bruchstücke können mehr oder weniger stark gegeneinander verschoben sein, wie bei dem sogen. Ruinenmarmor; sie zeigen auch wohl auf ihren Seitenflächen parallel verlaufende Friktionsstreifen, welche die Richtung der stattgefundenen Verschiebung andeuten; man spricht dann von Rutschflächen oder Harnischen (häufig im Buntsandstein, im Granit, im Serpentin etc.). Bei groben konglomeratischen Gesteinen sind oft die einzelnen Geschiebe geborsten (Fig. 4), und die entstandenen Risse sind durch Quarz oder Kalkspat ausgefüllt; auch zeigen sie bisweilen konkave Eindrücke, die von den angrenzenden Geschieben herrühren und nicht sowohl durch mechanische Aushöhlung entstanden sind, als vielmehr durch chemische Lösung, die gerade an den Lösungsstellen, wo die Geschiebe am stärksten aufeinandergepreßt wurden, eine intensivere sein mußte als seitwärts. In andern Gesteinen lassen nur die eingeschlossenen größern Kristalle und die Petrefakten an den Zerdrückungen und Verschiebungen, die sie erfahren haben, erkennen, daß das Gestein einem stärkern Druck ausgesetzt war; so finden sich nicht selten in dem Glimmerschiefer große zerbrochene und durch neugebildeten Quarz wieder verkittete Kristalle von Turmalin und Granat, in den porphyrartig struierten Graniten zerbrochene und zum Teil später wieder ausgeheilte Feldspate und Quarze.

Gegenüber dieser mit einer deutlichen Zerreißung und Zertrümmerung der Gesteinsgemengteile verbundenen sogen. rupturellen Umformung unterscheidet man die sogen. plastische Umformung, bei der in der Regel die Brüche und Zerreißungen derart zurücktreten, daß man sie wohl auch, allerdings mit Unrecht, als bruchlose Faltung bezeichnet hat. Die plastische Umformung beruht nach der Ansicht von Heim und andern Geologen darauf, daß bei einem sehr starken Druck die Moleküle der gewöhnlich starren Gesteine sich gegeneinander verschieben können, die Gesteine also plastisch werden. Da nun in gewisser Tiefe unter der Erdoberfläche die Gesteine weit über ihre Festigkeit hinaus belastet sind und dieser Druck allseitig auf die Gesteinsteilchen wirkt, müssen dort alle Gesteine sich in einem latent-plastischen Zustande befinden, und bei einem langsam wirkenden gebirgsbildenden Schub werden die Gesteine eine plastische Umformung ohne Bruch erleiden. Gegen diese Theorie von dem latent-plastischen Zustande der Gesteine bei großem Druck sind von Stapff, Pfaff, Gümbel u. a. mancherlei Einwände erhoben worden. Besonders haben Experimente ergeben, daß bei sehr hoher Belastung weit über einen von Heim als Eintrittspunkt der »latenten Plastizität« angenommenen Druck die härtesten Gesteine eben nur zertrümmert werden, nicht aber in einen plastischen Zustand übergehen, und es stimmt damit die Beobachtung, daß sich unter dem Mikroskop bei gebogenen Schichten mikroskopische Risse, durch infiltriertes Material später ausgefüllt, nachweisen ließen (Gümbel), die, übereinstimmend nach einer Seite hin sich keilartig verbreiternd, nicht sowohl eine Biegung der Schichten als vielmehr eine sprungweise Zertrümmerung hervorbringen, die im Groben allerdings den Eindruck einer Biegung hervorrufen kann. Wie dem auch sei, jedenfalls sind, zumal in den Alpen, viele Gesteine, und zwar nicht nur verhältnismäßig weiche Gesteine, wie Ton, Mergel und Schiefer, sondern gerade im gewöhnlichen Zustande ganz spröde Gesteine, wie Gneis, Kalkstein und Kieselschiefer, oft so stark und vollkommen gefaltet, auch wohl in Gestalt keil- und zungenförmiger Apophysen so ineinander gepreßt, als ob sie sich in einem plastischen, breiartigen Zustande befunden hätten (s. die Tafeln »Geologische Formationen I«, »Bergformen III« und »Gebirgsbildungen«, Fig. 4); und wie im großen, so sind viele Gesteine auch im kleinen oft in der feinsten Weise gefältelt (Fig. 6), ohne daß irgend ein Bruch oder eine Zerreißung sichtbar wird. Zuweilen hat sich infolge des starken seitlichen Druckes gleichzeitig neben der Faltung der Schichtgesteine noch eine senkrecht zur Druckrichtung stehende deutliche Spaltbarkeit oder Schieferung ausgebildet, deren Streichrichtung mit derjenigen der Schichtenfaltung zusammen fällt; man nennt sie die transversale oder falsche Schieferung (Fig. 7). Sie durchschneidet die Schichtung unter einem größern oder kleinern Winkel und kann die ursprüngliche Schichtung zuweilen so vollkommen verdecken, daß diese nur noch etwa an den abweichend gefärbten Bändern oder an einzelnen petrefakten führenden Lagen, also an der etwa vorhandenen Wechsellagerung verschieden gefärbter oder verschieden struierter Gesteinslagen, erkannt werden kann. In großer Beständigkeit und Regelmäßigkeit setzt die falsche Schieferung oft durch ganze Gebirgsketten hindurch, ohne in ihrer Richtung irgendwie von der Neigung der Schichten beeinflußt zu werden. Bei gleichzeitiger Erhaltung der ursprünglichen Schichtung, die von der transversalen durchschnitten wird, entsteht eine stängelige Spaltbarkeit (Griffelung) des Gesteins, wie bei dem Griffelschiefer. Mit der Biegung und Schieferung der Schichten stehen häufig Zerreißungen, besonders aber Verzerrungen und Streckungen der in ihnen eingeschlossenen Petrefakten (Fig. 2 u. 3) und Gerölle etc. im Zusammenhang, zuweilen aber auch Umwandlungen in kristallinische Schiefer, deren wirkliche Natur dann an den Einschlüssen der oft stark deformierten Organismen (Belemniten etc. am Nufenenpaß und am Rhonegletscher, Trilobiten auf der Halbinsel Bergen in Norwegen) erkannt werden kann. Auch werden die kleinsten Elemente des Gesteins rechtwinklig zur Druckrichtung gedehnt und ausgezogen, wodurch eine sogen. Streckungsstruktur, das ist eine stängelig-schieferige, holzähnliche Struktur, des Gesteins bedingt wird, wie sie dem sogen. Hochgebirgskalk in den Alpen, vielen schieferigen Gesteinen, manchen Gneisen, Protoginen etc. eigentümlich ist. Zuweilen zeigt das gestreckte Gestein zugleich kleine, rechtwinklig zur Streckungsrichtung stehende Zerreißungsspalten, die mit sekundär gebildeten Mineralien (Quarz, Kalkspat) erfüllt sein können (Fig. 8). Als Druckerscheinungen sind auch die Stylolithen (Fig. 5) und die sogen. Drucksuturen aufzufassen, s. Stylolithen.

Die Tatsache, daß stark gestörte Schichten an Stellen hochgradiger Biegung eine strukturelle Umformung erfahren haben oder aus Material zusammengesetzt sind, das im Vergleich mit andern Stellen derselben Schichten eine höhergrädige kristallinische oder schieferige Ausbildung besitzt, hat zu der Ausstellung des tektonischen oder Stauungs- (Dislokations-, Dynamo-) M. geführt. Da derselbe in der Regel strich- oder zonenweise weitverbreitet auftritt, hat man ihn auch wohl als regionalen oder allgemeinen M. bezeichnet. Dieser M. geht Hand in Hand mit der mechanischen Umformung der Gesteine und umfaßt Eruptiv- und Sedimentgesteine in gleichem Maße. Der Nachweis des regionalen M. ist nur da möglich, wo, wie bei Wippra im Harz, ein wirklicher Übergang der normalen, nicht veränderten Gesteine (Tonschiefer, Grauwacken, Diabase etc.) in die veränderten Gesteine (Phyllite, Sericitschiefer, Sericitgneise, Amphibolite etc.) nachgewiesen werden kann, oder wo, wie am Nufenenpaß und am Rhonegletscher, in den kristallinischen Schiefern noch deutlich erkennbare, wenn auch stark deformierte Organismen (Belemniten etc.) sich finden. Besonders werden die kristallinischen Schiefer (Glimmerschiefer, Gneise etc.) gern als durch die Dynamometamorphose umgewandelte alte Sedimente und alte, druckschieferige, d. h. durch Druck schieferig gewordene Eruptivgesteine angesehen. Immerhin fehlt es nicht an Einwendungen gegen diese Ansicht. Auch zeigen zuweilen horizontal gelagerte, also nicht ausgerichtete, außerordentlich mächtige und über weite Strecken verbreitete Schiefergesteine ganz die gleiche metamorphische Beschaffenheit; es gehen dann hinsichtlich ihres M. die Meinungen weit auseinander. Suchen die einen die Ursache im Plutonismus, d. h. in einer Einwirkung der innern Erdwärme oder crumpierender Gesteine (plutonischer M.), so sprechen die andern von hydrochemischen Prozessen (hydatogener, hydrochemischer M.), wieder andre huldigen der Theorie der Diagenese (s. d.) oder der Injektion (s. d.). – Der M. ist als eins der wichtigsten, freilich auch schwierigsten Kapitel der Gegenstand eingehender Erörterung in allen Lehrbüchern der Geologie, namentlich in denen der chemischen Geologie, unter denen das von Bischof (2. Aufl., Bonn 1863–66, 3 Bde.; Supplement 1871) speziell in den Fragen des M. epochemachend eingegriffen hat. Daneben sind besonders zu erwähnen: Roth, Allgemeine und chemische Geologie (Berl. 1879–93, 3 Bde.), und Daubrée, Synthetische Studien zur Experimentalgeologie (deutsch von Gurlt, Braunschw. 1880). Vgl. auch C. R. van Hife, Treatise of metamorphisme (U. S. Geological Survey, Nr. 47 f., 1905).