Gesteine, metamorphe Gesteine & Umgebungen
Erfahren Sie, wie metamorphe Umgebungen natürlichen Graphit bilden, einschließlich der Gesteinsarten, Temperatur- und Druckbedingungen sowie der geologischen Prozesse, die die Graphitentstehung beeinflussen.
Die meisten natürlichen Graphitmaterialien entstehen in geologischen Umgebungen, die als metamorphe Zonen bezeichnet werden. Der Begriff „metamorph“ bedeutet Umwandlung; metamorphe Gesteine oder Minerale sind folglich solche, die im Laufe ihrer geologischen Geschichte Veränderungen durchlaufen haben. Diese Veränderung wird typischerweise durch Einwirkung von Hitze und Druck in der Erdkruste verursacht.
Der meiste Graphit bildet sich in metamorphen Umgebungen. Vor diesem Hintergrund entspricht eine grundlegende Beschreibung des Metamorphismus und der metamorphen Umgebungen den in anderen Abschnitten dieses Artikels dargestellten Inhalten. Die folgenden Informationen bieten dem Leser eine grundlegende und allgemeine Einführung in den geologischen Metamorphismus.
Hinsichtlich ihrer Zusammensetzung werden Gesteine im Allgemeinen entweder als „monomineralisch“ (d. h. aus nur einem Mineral bestehend) oder als „polymineralisch“ (d. h. Gemische aus zwei oder mehr Mineralen) klassifiziert. Ein Beispiel für ein monomineralisches Gestein ist Quarzit, der ausschließlich aus Quarz besteht. Ein Beispiel für ein polymineralisches Gestein ist Granit, der typischerweise aus Quarz, Feldspat und Glimmer aufgebaut ist.
Die drei grundlegenden Gesteinsarten sind magmatische, metamorphe und sedimentäre Gesteine. Gesteine gelten als magmatisch (Magmatite), wenn sie aus der Erstarrung einer signifikanten Schmelze hervorgehen, d. h. einer Aufschmelzung, die über ein punktuelles Aufschmelzen infolge lokaler metamorpher Reaktionen hinausgeht. Magmatische Gesteine werden in plutonische (Intrusivgesteine) und vulkanische (Extrusivgesteine) unterteilt. Intrusivgesteine entstehen unterhalb der Erdoberfläche durch das Erstarren von Magma. Extrusivgesteine treten an die Oberfläche aus und erstarren aus Lava. Granit, Basalt und Andesit sind typische Magmatite.
Gesteine gelten als metamorph (Metamorphite), wenn das Ausgangsgestein („Protolith“) ausreichend Hitze und Druck ausgesetzt ist, um die Mineralogie, das Gefüge und/oder die chemische Zusammensetzung ohne vollständiges Aufschmelzen zu verändern. Jeder Gesteinstyp kann in ein metamorphes Gestein umgewandelt werden (unter den richtigen Bedingungen und mit genügend Zeit kann sich letztlich jeder Gesteinstyp in jeden anderen umwandeln). Metamorphose muss unterhalb der Erdoberfläche stattfinden, da sie das Ergebnis einer Anpassung des Gesteins an Hitze und Druck ist. Aus diesem Grund ist hier keine Unterscheidung zwischen intrusiv und extrusiv erforderlich. Typische Beispiele für metamorphe Gesteine sind Meta-Quarzit, Gneis und Schiefer.
Gesteine gelten als sedimentär (Sedimentite), wenn sie durch Verfestigung und Kompaktierung von Verwitterungsprodukten anderer Gesteine, durch die Ablagerung und Verfestigung biologischer Materialien (wie etwa Kohlenstoff aus fossilen Pflanzen) oder durch chemische Ausfällung aus wässrigen Lösungen (wie Salz- oder Karbonatablagerungen) entstehen. Sedimentgesteine können sich unter relativ hohen Drücken bilden, wie sie durch die Überlagerung von einigen Kilometern Erdkruste entstehen, bilden sich jedoch typischerweise bei Temperaturen unter 100 °C. Tonstein, Steinsalz und Kalkstein sind Beispiele für Sedimentgesteine.
Metamorphe Umgebungen werden von Geologen und Geochemikern anhand der Druck- und Temperaturbedingungen des umgebenden Gesteins in logische Kategorien unterteilt. Grundlegende Einteilungen metamorpher Zonen, die auch Nicht-Geologen geläufig sind, umfassen beispielsweise niedriggradige, mittelgradige und hochgradige metamorphe Umgebungen. Die Abstufungen von niedrig bis hoch spiegeln ein höheres Niveau geologischer Energie wider, also steigende Temperaturen und Drücke bei zunehmendem Metamorphosegrad. Diese Begriffe eignen sich für allgemeine Beschreibungen, lassen jedoch viel Interpretationsspielraum. In diesem verallgemeinerten System kann Flockengraphit beispielsweise als „hochgradig metamorphes Mineral“ bezeichnet werden. Doch wie lässt sich mit dieser Terminologie zwischen einer hochgradigen graphitbildenden Umgebung und einer anderen Stufe unterscheiden, die bei gleichem Druck vielleicht nur 100 °C kühler ist? Um dieses Problem zu lösen, definieren Geologen sogenannte „metamorphe Fazies“. Eine „Fazies“ bezeichnet eine definierte Kombination aus Druck- und Temperaturbedingungen zur Charakterisierung einer metamorphen Umgebung. Es gibt etwa 12 beschriebene Fazies, die von etwa 1 Kilobar (15.000 PSI) und 100 °C bis zu über 17 Kilobar (255.000 PSI) und 1000 °C reichen.
Am unteren Ende der metamorphen Energieskala stehen Faziesgruppen wie die Zeolith- und Pumpellyit-Fazies (gelegentlich zusammengefasst als Subgrünschiefer-Fazies). Diese Fazies decken Druck- und Temperaturbereiche von 1–6 Kilobar und 100–400 °C ab. Der mittlere Metamorphosegrad umfasst die Grünschiefer- und Amphibolit-Faziesgruppen. Diese erstrecken sich über Drücke von etwa 3–12 Kilobar und Temperaturen von 400–700 °C. Hochgradig metamorphe Umgebungen werden schließlich der Granulit-Fazies zugeordnet. Umgebungen der Granulit-Fazies bewegen sich im Bereich von etwa 4–15 Kilobar Druck und 700–1000 °C.
Jede metamorphe Fazies lässt sich weiter unterteilen, um ein spezifisches geologisches Umfeld präzise zu beschreiben. Natürlicher Flockengraphit gilt als metamorphes Mineral der Granulit-Fazies. Typische Bildungsbedingungen für Flockengraphit liegen bei etwa 750 °C und 5 Kilobar (75.000 PSI). Für eine detaillierte Beschreibung metamorpher Fazies empfiehlt sich das Standardwerk „Petrogenesis of Metamorphic Rocks“ von Bucher & Frey (Springer-Verlag, 1994), eine fundierte Referenz zur metamorphen Petrologie.
