Ursachen der Gesteinsmetamorphose - Steuerfaktor Druck
Blatt 2
Wie groß sind nun lithostatischer Druck und deviatorische Spannungen?
Der Betrag des lithostatischen Drucks lässt sich einfach berechnen. Wir benötigen dazu nur die Dichte der überlagernden Gesteine (bzw. die mittlere Dichte der Gesteinssäule) und ihre Mächtigkeit. Der Druck ergibt sich aus der einfachen Gleichung
ρ = gh
mit ρ = Gesteinsdichte [gcm-3 oder kgm-3], g = Schwerebeschleunigung [ms-2], h = Mächtigkeit der Gesteinssäule [m]
Da sich die Minerale in ihrer Dichte unterscheiden, muss auch die Dichte der Gesteine in ihrer Zusammensetzung variieren. Unter den häufig vorkommenden Gesteinen weisen ultrabasische Magmatite und basische Metamorphite die größten Dichten auf (> 3 gcm-3), terrigene Sedimentite und Steinsalze die geringsten (< 2,2 gcm-3). Diese und die in der Tabelle angegebenen Werte gelten nur an der Erdoberfläche. Die mittlere Dichte der Kruste beträgt 2,8 gcm-3.
Da der Druck generell in Nm-2 angegeben wird, berechnen wir ihn beispielhaft für eine Bodenfläche von 1 m2. Für eine 1 km mächtige Gesteinssäule mit einer mittleren Gesteinsdichte von 2,8 gcm-3 (= 2.800 kgm-3) resultiert ein Druck von 1000 m x 2,8 kgm-3 x 9,81 ms-2 = 27.468 kgm-1s-2 = 274,68 hPa oder 274,7 bar.
Da die kontinentale Kruste eine durchschnittliche Mächtigkeit von ca. 40 km hat, benutzt man in der metamorphen Petrologie nicht bar, sondern kilobar [kbar] oder die SI-Einheit Pascal, mit 1 kbar = 0,1 Giga-Pascal [GPa].
Die oben berechnete Gesteinssäule übt also einen Druck von 0,275 kbar oder ca. 0,03 GPa aus. UmgAekehrt wird für einen lithostatischen Druck von 1 kbar = 0,1 GPa eine ca. 3,6 km mächtige Gesteinssäule benötigt.
Wie gesagt, dies gilt für die mittlere Gesteinsdichte der Kruste. Vergleichen Sie diesen Wert bitte mit den Angaben in dieser Tabelle.
Die deviatorische Spannung ist wesentlich geringer, maximal kann sie etwa n x 106 Pa betragen. Grund dafür ist die schlechte Verformbarkeit von Gesteinen.
Deviatorische Spannungen führen zu keiner Veränderung der Lage der Stabilitätsfelder der metamorphen Minerale im pT-Raum. Sie können aber Reaktionsgeschwindigkeiten erhöhen bzw. die Aktivierungsenergie, die für den Anstoß einer metamorphen Reaktion benötigt wird, verringern.
Deviatorische Spannungen bewirken zudem die Deformation der Gesteine, in deren Verlauf Minerale eingeregelt werden bzw. ihre Form ändern, wodurch gerichtete Gefüge entstehen. Mehr dazu erfahren Sie im Kapitel über metamorphe Gefüge.
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