Die Geheimnisvolle Genese des Granits

Granit ist ein häufiger und beliebter Dekorstein, es mag daher überraschen das ein anscheinend so gewöhnliches Gestein in Wahrheit ein ziemliches geologisches Rätsel ist.

Mineralogisch gesehen ist Granit nicht allzu kompliziert. Zur Granit-Gruppe zählen laut Definition körnige magmatische Tiefengesteine mit einem Quarzanteil von mehr als 20% aber weniger als 60%, zwei verschiedene Feldspäte, sowie Glimmer und akzessorische Minerale (wie Hornblende, Pyroxen, Chlorit, Epidot, Zoisit, Prehnit, Calcit, Turmalin, Granat, Zeolithe, Flourit und Talk). Je nach Anteil von Feldspat und dunkle Minerale (vor allem Glimmer, Hornblende und Pyroxen) wird die Granit-Familie in Alkalifeldspatgranit, Granit i.e.S., Granodiorit und Tonalit unterteilt (um nur die wichtigsten zu nennen).

Feldspat, Quarz und Glimmer, die drei vergess ich nimmer (Credit: David Bressan).

Am Ende des 19. Jahrhunderts wurde klar das magmatischen Gesteinen aus der „feurigen Tiefe der Erde“ stammen mussten. Allerdings ergab sich jetzt ein neues Problem. Die große Gesteinsvarietät, von den dunklen „basischen“ (Quarz-arm) Basalt zu hellen „sauren“ (Quarz-reich) Granitgestein, war schwer mit einer vergleichbaren Varietät im Erdinneren zu erklären. Eine gängige Idee zur damaligen Zeit war, dass sich die verschiedenen magmatischen Gesteine durch Aufschmelzung bereits vorhandener Gesteine bildeten. Vor allem die seltsame Zusammensetzung und Verbreitung des Granits (der zumeist auf Kontinenten gefunden wird) schien damit erklärbar. Der französische Geologe P.T. Virlet d´Aoust prägte in 1847 sogar den Begriff „Granitisierung“ um diese Hypothese zu beschreiben. Alle Granit-Varietäten (die sich deutlich von den „basaltischen“ Gesteinen des Erdmantels unterscheiden) bildeten sich durch mehr oder weniger starke Aufschmelzung und chemischen Austausch in festem Zustand von anderen Gesteinen. Allerdings hatte diese Hypothese zwei große Schwachpunkte:

  • Eine graduelle Diffusion von Elementen zwischen Schmelze und aufzuschmelzendes Gestein konnte nicht die oft scharfe Grenze, die zwischen Granit und umgebenes Gestein gefunden werden konnte, erklären.
  • Die benötigten Energiemengen erschienen außerordentlich hoch und die Diffusion im teilweise aufgeschmolzenen oder gar festen Gestein vernachlässigbar klein.

Gang aus magmatischen Gestein, das in ein älteres metamorphes Gestein eingedrungen ist (Credit: David Bressan).

Der deutsche Chemiker Robert Wilhelm Bunsen (bekannt durch den Bunsen-Brenner) schlug in 1851 vor, dass es grundsätzliche nur zwei Magmatypen auf der Erde gab – den basischen „Pyroxenit“ und den sauren „Trachyt“, die aus verschiedene Tiefen der Erdkruste aufsteigen. Dabei kann es zu einer Vermischung der beiden Magmatypen kommen, die somit auch die restlichen Gesteine bilden können.

Geologe Charles Darwin hatte auf seine fünfjährigen Reise um die Welt am Bord der „Beagle“ viel Zeit und viele Gelegenheiten um vulkanische Gesteine zu studieren und über sie nachzudenken: „Die größten Schwierigkeiten die Geologen erfahren, wenn sie versuchen die Zusammensetzung der vulkanischen und plutonischen Gesteine zu vergleichen, kann, so denke ich, überwunden werden, wenn man, wie ich glaube, annimmt dass die meisten plutonischen Massen zu einem gewissen Zeitpunkt, und in einem gewissen Ausmaß, ihre verhältnismäßig schweren und leicht lösbaren Elementen verloren haben, die [dann] die Trapp- und Basaltlaven bilden.“ Hier schlägt Darwin eine erste Art von magmatischer Differentiation (Entmischung) und Fraktionierung (Trennung) vor. Kristalle bilden sich aus dem Magma aus und sinken der Schwerkraft folgend auf den Grund der Magmakammer, die restliche Schmelze verarmt an gewissen Elementen, die in diese Kristalle eingebaut wurden, und  Damit können sich aus einem Stamm-Magma unterschiedlichen Schmelzen und Gesteine bilden.

Einen entscheidenden Schritt im Verständnis von magmatischen Gesteinen gelang durch die Experimente von Norman Levi Bowen (1887-1956). Bowen wurde in 1887 in Kingston (Ontario, Kanada) geboren, studierte zunächst auch in Kanada, wechselte dann aber zum Massachusetts Institute of Technology, wo er Arthur L. Day kennenlernte. Day war Direktor am Geophysikalischen Labor in Washington und sehr an den mineralogischen Bildungen und Reaktionen in magmatischen Gesteinen interessiert. Er schlug Bowen daher vor, das Verhalten von Feldspat in Schmelzen zu untersuchen. Day wußte (auch aufgrund der Expeditionen und petrographischen Beobachtungen des deutschen Mineralogen Wolfgang Sartorius Freiherr von Waltershausen, 1809-1876) das Plagioklas zumeist ein Mischkristall zwischen den Endgliedern Anorthit und Albit ist, war aber darin gescheitert den Verlauf der Schmelzkurve dieser Mischung zu bestimmen. Dank elektrischer Heizöfen, genauen Temperatursonden und neuartiger Analysemethoden konnte Bowen das Phasendiagramm des Plagioklas-Feldspats schließlich in 1913 publizieren.

Phasendiagramm der Plagioklase aus der Originalarbeit von Bowen („The melting phenomena of the plagioclase feldspars“, 1913). Dieses Diagramm erklärt wie sich beim Abkühlen durch kontinuierliche Reaktionen zwischen Kristall und Schmelze der Chemismus von Kristall und Schmelze verändern können. Wird nun der Kristall oder die Schmelze aus diesem System abgeführt, verändert sich der Ausgangschemismus – neue Kristalle und Gesteine können sich aus dieser „neuen Schmelze“ bilden. Das Diagramm kann auch umgekehrt gelesen werden – werden Kristalle erhitzt entsteht zunächst eine Schmelze mit unterschiedlicher Zusammensetzung (Credit: David Bressan).

Bowen war davon überzeugt das allein fraktionierte Kristallisation bzw. fraktionierte Aufschmelzung die Genese von magmatischen Gesteinen erklären konnte. Allerdings hatten auch die Hypothese der „Magmatisierung“ und die weiterentwickelte Hypothese der Kristall-Fraktionierung einige schwerwiegende Schwachpunkte:

  • Um die beobachteten Volumen an Granit zu erklären benötigte man ungefähr das 9-fache an Stamm-Magma, da die Fraktionierung ein sehr ineffizienter Vorgang ist.
  • Wieso sind Granitintrusionen nur auf den Kontinenten verbreitet? Fraktionierung sollte überall auf der Erde stattfinden können.

„Das merkwürdige liegt nicht in den gegenwärtigen Meinungsverschiedenheiten der Petrographen über den Ursprung des Granits, sondern darin, daß wir überhaupt so leidenschaftlich und starr an Meinungen festzuhalten vermögen, die sich gegenseitig ausschließen.“ M. Walton (1955)

Heutzutage wird ein gemischtes Modell bevorzugt um die große Variabilität innerhalb der magmatischen Gesteine zu erklären, dabei spielen die verschiedensten Mechanismen eine Rolle:

  • Genese von Stamm-Magmen durch partielles Aufschmelzen der Gesteine des Erdmantels (Herkunft der Basalte) oder der unteren Erdkruste (dies würde die Verteilung der Granite erklären).
  • Die klassische fraktionierte Kristallisation wie sie von Bowen vorgeschlagen wurde (wobei allerdings nicht nur die Schwerkraft und Dichteunterschiede wie von Darwin gedacht, sondern auch Magmaströmungen und die Topographie der Magmakammer eine Rolle in der Ausscheidung und Ansammlung von verschiedenen Kristallen und Restschmelzen spielen).
  • Entmischung im schmelzflüssigen Zustand.
  • Mischung von Magmen unterschiedlicher Herkunft, ungefähr so wie sie Bunsen vorschlug.
  • Assimilation und Aufschmelzung von weiteren Fremdgestein beim Aufsteigen des Magmas durch die Erdkruste (weiterer wichtiger Mechanismus um die Genese und Verbreitung von Granit zu erklären).

Granit kann durch die teilweise Aufschmelzung von kontinentaler Kruste entstehen, vor allem wenn die Kruste durch eine aufsteigende Magmablase gedehnt und aufgeheizt wird. Granit kommt aber auch entlang den Mittelozanischen Rücken vor, wo basaltisches Magma aufsteigt. Hier trennt sich das basaltische Magma im Lauf der Zeit auf, es entsteht ein basisches und saures Magma, das saure Magma steigt in vulkanischen Gängen auf wo es kristallisiert. Granit entsteht auch bei der Subduktion von Krustenmaterial. Wird die Kruste in den Erdmantel verschluckt, beginnt sie zu schmelzen. Da auch quarzreiche marine Sedimente mitsubduziert und aufgeschmolzen werden, entsteht ein saures Magma. Große Granitkörper entstehen auch bei Kontinent-Kontinent Kollisionen. Hier schmelzen große Bereiche der Kruste direkt auf.

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David Bressan ist freiberuflicher Geologe hauptsächlich in, oder wenn wieder mal ein Tunnel gegraben wird unter den Alpen unterwegs. Während des Studiums der Erdwissenschaften in Innsbruck, bei dem es auch um Gletscherschwankungen in den vergangen Jahrhunderten ging, kam das Interesse für Geschichte dazu. Hobbymäßig begann er daher über die Geschichte der Geologie zu bloggen.

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