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Eingangsbild: Glaukophanschiefer mit Übergang zu Eklogit, Cap Corse, Korsika (© Meschede, 2009)
Feste Erde
5.2 Metamorphose in Subduktionszonen
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Kapitel 5.2
Metamorphose in Subduktionszonen
In Abb. 5.2.1 wird das Grundprinzip der Subduktion mit einem vereinfachten Schnitt durch eine Subduktionszone erklärt. Die Animation zeigt, wie eine Platte unter die andere geschoben wird, wenn sich zwei Platten aufeinander zu bewegen. Die subduzierte Platte wird dabei in den Mantel zurückgeführt, allerdings ist nur ozeanische Lithosphäre und davon insbesondere die ozeanische Kruste aufgrund der hohen Dichte in der Lage, in den Mantel abzutauchen. Kontinentale Kruste ist zu leicht, sie wird nicht in größere Tiefen abtauchen können.
Abb. 5.2.1: Animation: Subduktion ozeanischer Lithosphäre mit Bildung eines Vulkanbogens über der Subduktionszone (Meschede unveröff. 2025).
Als Metamorphose bezeichnen wir einen Vorgang, bei dem Gesteine durch die Einwirkung von hohen Temperaturen und Drücken grundlegend verändert werden. Sie werden dabei allerdings nicht aufgeschmolzen, sondern die Veränderungen finden durch chemische Austauschprozesse und Kristallwachstum im festen Zustand statt. Die prozentualen Anteile der chemischen Elemente in den Gesteinen bleiben dabei gleich, aber der strukturelle Aufbau und die Zusammensetzung der Minerale werden durch die Metamorphose verändert.
Die Minerale, die ein Gestein aufbauen, sind über einen bestimmten Temperatur- und Druckbereich hinweg stabil. So ist z.B. Basalt, der die Minerale Pyroxen, Olivin und Plagioklas enthält, in der Nähe der Oberfläche, also dort, wo die ozeanische Kruste sich befindet, stabil. Wenn das Gestein nun aber in einer Subduktionszone in die Tiefe gezogen wird, verändern sich die Druck- und Temperaturbedingungen.
Abb. 5.2.2: Temperaturanomalien in einer Subduktionszone (aus Frisch & Meschede, 2025)
In der Subduktionszone steigt mit zunehmender Tiefe der Druck, der auf den Gesteinen lastet, denn je tiefer das Gestein nach unten gezogen wird, desto höher steigt der Druck durch die immer größer werdende Auflast. Die Temperaturen steigen zwar mit zunehmender Tiefe auch an, aber es braucht eine gewisse Zeit, um die kühle ozeanische Lithosphäre aufzuheizen. Während der Druck durch die Auflagerung unmittelbar zunimmt, hinkt die Temperaturerhöhung der Druckerhöhung hinterher.
In der Subduktionszone entsteht dadurch eine thermische Anomalie, weil Gesteine schlechte Wärmeleiter sind und sie sich erst allmählich an eine veränderte Umgebungstemperatur anpassen. Der Transport der kühlen ozeanischen Lithosphäre nach unten geht schneller als die Angleichung der Gesteinstemperatur an die normalerweise in den Tiefen herrschenden Temperaturen. Die Temperatur-Isograde, die die Bereiche mit gleicher Temperatur anzeigen, sind in der Subduktionszone deutlich nach unten ausgelenkt wie man es in Abb. 5.2.2 an den blau hinterlegten Bereichen sehen kann. Diese Bereiche sind eine Zone, in der bei hohen Drucken (HP, engl. high pressure) relativ niedrige Temperaturen herrschen (LT, engl. low temperature). Hier kommt es zur sogenannten Hochdruck-Niedrigtemperatur-Metamorphose (HP/LT Metamorphose).
Abb. 5.2.3: Druck-Temperatur-Diagramm für unterschiedliche Metamorphosearten (verändert nach Frisch & Meschede, 2025).
Bei der Metamorphose unterscheidet man im Wesentlichen drei Haupttypen: die fast ausschließlich von der Temperatur bestimmte Hochtemperaturmetamorphose, wie sie im Umfeld Magmaintrusionen u.a. in Vulkanbögen über einer Subduktionszone verwirklicht ist, die Regionalmetamorphose, die vor allem bei Gebirgsbildungsprozessen, bei denen kontinentales Krustenmaterial in große Tiefen versenkt wird, von Bedeutung ist, und die druckbetonte Hochdruckmetamorphose, die für die abtauchende Platte in Subduktionszonen charakteristisch ist.
Die bei der Metamorphose entstehenden Gesteine verändern sich mit zunehmender Intensität der Metamorphose. Am Anfang stehen bei niedrigen Metamorphosegraden die Schiefer, wie z.B. Grünschiefer der Glaukophanschiefer, die dann bei höheren Metamorphosegraden von Amphiboliten, Gneisen oder Eklogiten abgelöst werden. Granulite entstehen bei der höchstmöglichen Metamorphose. Bei noch höheren Temperaturen und Drucken kommt es schließlich am Ende zur Aufschmelzung, der Anatexis.
Die verschiedenen Metamorphosetypen können unterschiedlichen tektonischen Situationen zugeordnet werden. So ist die Hochtemperaturmetamorphose begrenzt auf die Kontaktmetamorphose, die sich auf die Metamorphose im unmittelbaren Grenzbereich zu Magmakörpern bezieht. Hier geht es ausschließlich um die Erhöhung der Temperatur. Die Abukuma-Typ-Metamorphose, mit der die temperaturbetonte Metamorphose über den Vulkangürteln charakterisiert ist, gehört eigentlich schon zur Regionalmetamorphose, da hier auch Druckerhöhungen – allerdings in einem geringeren Ausmaß – bereits eine Rolle spielen.
Abb. 5.2.4 Schnitt durch eine Subduktionszone mit Temperatur-Isograden (aus Frisch & Meschede, 2025)
Die Metamorphosezonen ergeben sich aus unterschiedlichen tektonischen Situationen: In einer Subduktionszone wird „kalte“ ozeanische Lithosphäre relativ schnell in große Tiefen transportiert. Der Druck wird unmittelbar ausgeglichen, die Temperatur hinkt hinterher. Im Vulkanbogen führt der Magmaaufstieg zu einem stark erhöhten Wärmefluss so dass Gesteine in seichten Tiefen hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Temperaturanomalien in der Subduktionszone spiegeln dies wider: Typisch für konvergente Plattenränder ist das Nebeneinander von zwei speziellen Metamorphosezonen in gepaarten Metamorphosegürteln: Hochdruck-Niedrigtemperatur-Metamorphose (HP/LT) neben Hochtemperatur-Niedrigdruck-Metamorphose (HT/LP).
Abb. 5.2.5: Gepaarte metamorphe Gürtel in Japan (aus Frisch & Meschede, 2025)
In Japan, das schon seit vielen hundert Millionen Jahren an einer Subduktionszone liegt, sind gepaarte metamorphe Gürtel erhalten, die als Anzeiger ehemaliger Subduktionstätigkeit dienen. Es gibt dort die heute in Gebirgen herausgehobenen Gürtel von Ryoke und Sanbagawa, die während Jura und Kreide gebildet wurden, und die Gürtel von Hida und Sangun, die vom Perm bis zum Jura aktiv waren. Das Abukuma-Plateau ist Teil des Ryoke-Gürtels, der durch die temperaturbetonte Metamorphose charakterisiert ist. Dieses Plateau ist namensgebend für die temperaturbetonte Abukuma-Metamorphose.
5.2 Metamorphose in Subduktionszonen
5.3 Entstehung eines Akkretionskeils
