Das Granulit-Massiv
Die Typuslokalität des Gesteins Granulit
Das Granulit-Massiv fällt auf der geologischen Karte sofort durch seine ovale Form im Zentrum von Sachsen auf. Die Granulite im Kern dieser regionalen Einheit wurden von Weiss (1803) erstmals beschrieben, sodass das Granulit-Massiv die Typuslokalität für das Gestein Granulit wurde. Granulit ist ein hochmetamorphes felsisches Gestein, welches sich bei Temperaturen von >650 Grad Celsius bildet. Wie der Granit besteht es überwiegend aus Feldspat und Quarz. Die dunklen Gemengteile des Gesteins sind jedoch vollständig wasserfreie Pyroxene, im Gegensatz zu den Glimmern und Amphibolen, die man in Graniten findet. Die sächsischen Granulite sind außergewöhnlich, denn sie entstanden bei Temperaturen von ca. 1000 Grad Celsius in einer Tiefe von ca. 80 Kilometern. Nur dadurch, dass sie vollständig wasserfrei waren, entgingen sie der Aufschmelzung, denn Wasser senkt den Schmelzpunkt eines Gesteins. Ebenfalls bemerkenswert ist die Exhumierung dieser festen Gesteine an die Erdoberfläche, die so schnell vorwärtsging, dass der heiße aufsteigende Granulitkörper sein Umfeld kontaktmetamorph überprägt hat, wie man es sonst nur von magmatischen Tiefengesteinen kennt.
Ausführliche Beschreibungen des Granulit-Massivs kann man in Rötzler und Romer (2010) sowie in Rötzler und Timmermann (2018) finden.
Der Aufbau des Granulit-Massivs
Das Granulit-Massiv bildet eine Domstruktur, in welcher vier tektono-metamorphe Einheiten unterschieden werden: Die Granulit-Einheit bildet das Zentrum des Doms. In ihrer unmittelbaren Nachbarschaft, im Dach und an den Rändern des Granulitkörpers, werden vereinzelte Gesteinsblöcke angetroffen, die beim Aufstieg des Granulits mitgerissen wurden: Die Cordierit-Gneis-Einheit und die Metagabbro-Serpentinit-Einheit. Diese drei Einheiten werden von einem Schiefermantel konzentrisch umgeben. Die darin enthaltenen Gesteine wurden bei der Platznahme des Granulits in der Oberkruste zur Seite bewegt.
Weißsteingranulit
Dunkler Granulit
Granulit mit Schleppfaltung der Foliation entlang einer steilstehenden Scherzone im Zschopautal nördlich von Waldheim.
Die Granulit-Einheit bildet die unterste Einheit sowie das Zentrum der Struktur. Geochemische Daten zeigen, dass der sächsische Granulit den Chemismus von sauren magmatischen Gesteinen hat (Müller et al. 1987, Werner 1987). Das Alter des Ausgangsgesteins wurde auf 473-485 Millionen Jahre datiert (Kröner et al. 1998). Das deutet darauf hin, dass das Ausgangsgestein des Granulits ein ordovizischer Magmatit war, wie er auch in den Hochdruck-Decken des Erzgebirges nachgewiesen wurde. Während der variszischen Gebirgsbildung wurden diese Gesteine in mindestens 80 Kilometer Tiefe versenkt und auf 1000-1060 Grad Celsius aufgeheizt (Rötzler und Romer 2001; Rötzler et al. 2004). Radiometrische Altersdatierungen belegen, dass der Metamorphose-Höhepunkt vor ca. 341 Millionen Jahren zeitgleich mit dem Metamorphose-Höhepunkt im Erzgebirge erreicht wurde (von Quadt 1993, Kröner et al. 1998). Strukturgeologische Daten, die mit der Versenkung der Gesteine in Zusammenhang gebracht werden, sind Nordost-gerichtete Streckungslineare (Kroner 1995). Sie belegen einen Nordost-gerichteten Transport, wie er auch im Erzgebirge als älteste Deformation D1 dokumentiert wurde. Die Übereinstimmung der Daten wird von Rötzler et al. (2004) als Hinweis auf eine gemeinsame Entstehung von Granulit-Massiv und Erzgebirge angesehen.
Die retrograde Metamorphose, welche beim Aufstieg des Granulits an die Erdoberfläche ablief, war zuerst von einer isothermalen Dekompression geprägt. Das heißt, dass die Gesteine so schnell an die Erdoberfläche aufstiegen und dabei vom Überlagerungsdruck entlastet wurden, dass sie keine Zeit hatten um abzukühlen. In einem kurzen geologischen Zeitraum von nur 8 Millionen Jahren stieg der Gesteinskomplex aus 80 Kilometern Tiefe in die Oberkruste. Dazu mussten die überlagernden und umlagernden Gesteine „zur Seite geschafft“ werden. Entsprechende Deformationsstrukturen findet man in den Umgebungsgesteinen. Im Granulit selbst bildete sich während des Aufstiegs die Hauptfoliation, welche ein umlaufendes Streichen aufweist.
Der Cordierit-Gneis kommt in Scherlinsen vor, welche auf dem Granulit liegen. Er hat tektonische Kontakte zum Granulit. Das belegt, dass er durch tektonische Bewegungen in die Nachbarschaft des Granulits gelangte. Geochemische Daten weisen darauf hin, dass sich der Cordierit-Gneis aus Sedimenten bildete.
Rötzler et al. (1994) bestimmten die Druck-Temperatur-Bedingungen, denen der Cordierit-Gneis während seiner Bildung ausgesetzt war. Sie konnten zeigen, dass dieser sich von 730 auf 790 Grad Celsius aufheizte, während er aus 20 in 15 Kilometer Tiefe aufstieg (Rötzler et al. 1994). Damit wurde der Metamorphose-Peak des Gesteins erst während seines Aufstiegs in die Oberkruste erreicht. Das ist sehr ungewöhnlich, denn normalerweise kühlen Gesteine ab, wenn sie zur Erdoberfläche hin transportiert werden. Radiometrische Altersbestimmungen haben den Metamorphose-Peak des Cordierit-Gneises mit 340 Millionen Jahren datiert (Franke und Stein 2000), also innerhalb der Analysegenauigkeit zeitgleich mit dem Metamorphose-Höhepunkt des Granulits.
Die Metagabbro-Serpentinit-Einheit tritt in der Umrandung des Granulits in vereinzelten Blöcken auf. Auch hier ist der Kontakt zum Granulit tektonischer Natur. Die Metagabbros entwickelten sich aus ozeanischer Kruste (Ophiolith), die Serpentinite aus Gesteinen des Erdmantels.
Metamorphose-Bedingungen und Alter der Metagabbros wurden von Rötzler und Timmermann (2018) ermittelt. Sie bestimmten einen amphibolitfaziellen Metamorphose-Peak bei Versenkungstiefen von ca. 35 Kilometern und 700 Grad Celsius. Das Alter des Metamorphose-Peaks wurde auf 384 Millionen Jahre datiert. Das heißt, dieser wurde schon deutlich früher erreicht als im Granulit und im Cordierit-Gneis. Diese Daten zeigen regionalmetamorphe Prozesse an, die vor der Bildung des Granulitdoms abliefen. Danach kühlten die Gesteine bis vor 341 Millionen Jahren unter 600 Grad Celsius ab, wurden jedoch anschließend erneut auf ca. 700 Grad Celsius erhitzt. Dieses zweite Metamorphose-Ereignis kann mit der Bildung des Granulit-Massivs in Verbindung gebracht werden.
Der Schiefermantel besteht aus Gneis, kristallinen Schiefern, z. B. Glimmerschiefer, aus Phyllit und Tonschiefer. Er umschließt das Granulit-Massiv vollständig an seinen Rändern. Als Ausgangsgestein lassen sich ordovizische bis oberdevonische Sedimente anhand von biostratigraphischen Untersuchungen identifizieren (Leiteritz 1957, Lorenz und Nitzsche 2000).
Der Metamorphose-Grad der Gesteine nimmt von der Granulit-Einheit nach außen hin ab. Die Hauptfoliation des Schiefermantels fällt von der Granulit-Einheit weg, die Streckungslineare zeigen einen Schersinn von Top-nach-Südost an (Kroner 1995).
Für den Metamorphose-Peak ermittelte Rötzler (1992) 660-680 Grad celsius und eine Versenkungstiefe von ca. 10 Kilometern. Das heißt, die Gesteine lagen bereits in der Oberkruste, als sie vom Granulit aufgeheizt wurden. Ein Abkühlalter wurde mit 333 Millionen Jahren ermittelt (Werner und Reich 1997).
Ein kulturhistorisch interessantes Gestein, welches lokal im Schiefermantel vorkommt, ist der Staurolithschiefer. Aus diesem Gestein wurden die Innenverkleidungen des Naumburger Doms sowie der historische Tisch des Melanchton gefertigt, der im Melanchton-Haus in Wittenberg ausgestellt ist.
Staurolithschiefer mit Sprossungen von Staurolithkristallen aus dem Schiefermantel im Dom zu Naumburg. Die Gesteine kommen in der Natur in einer NE-streichenden Zone zwischen Waldenburg, Wechselburg, Rochlitz und Elsdorf vor.
Detail des Staurolithschiefers im Naumburger Dom.
Granit von Berbersdorf mit zahlreichen Xenolithen von Biotit-Sillimantit-Schiefern des Schiefermantels.
Interpretation der Entstehung des Granulit-Massivs
Im Laufe der geologischen Erforschung des Granulit-Massivs wurden sehr unterschiedliche Ideen entwickelt, wie das Granulit-Massiv entstanden sein könnte. Diese zeigen, wie vieldeutig geologische Daten interpretiert werden können und wie schwierig es ist, die Geschichte eines vor mehreren hundert Millionen Jahren entstandenen Gesteinskomplexes zu rekonstruieren. Moderne Analysemethoden wie die Geothermobarometrie zur Bestimmung der Druck-Temperatur-Bedingungen von Mineralassoziationen und die radiometrische Altersdatierung erlaubten in den vergangen 30 Jahren, die Bildungsbedingungen der Gesteine genauer zu bestimmen.
Aufgrund des radialen Schiefermantels mit nach innen höher werdendem Metamorphose-Grad sowie der temperaturbetonten Metamorphose der Umgebungsgesteine wurde das Granulit-Massiv zuerst als Intrusivkörper interpretiert (Weiss 1803). Eine tektonische Platznahme des Gesteins wurde von Lehmann (1884) diskutiert. Scheumann (1935) interpretierte das Granulit-Massiv als Deckenkomplex, der auf das Erzgebirge überschoben wurde. Behr (1961) untersuchte Mikrostrukturen im Granulit und fand dabei Indizien für einen diapirischen (blasenartigen) Aufstieg des Granulit-Massivs aus großen Tiefen durch das Umgebungsgestein hindurch bei gleichzeitiger Scherung der Ränder während der Exhumierung. Diese Interpretation von Behr (1961) wird auch vom modernen mobilistischen Konzept vertreten.
In den 1970iger und 80iger Jahren wurde das Granulit-Massiv im Rahmen des lithostratigraphischen Konzeptes interpretiert. Gemäß dem sedimentären Ablagerungsgesetz von Steno (1669) wurde die tiefste Einheit als älteste betrachtet und alle Gesteinsgrenzen als sedimentär interpretiert (Neumann 1975, Lorenz und Hoth 1990). Da nur in den Gesteinen des äußeren Schiefermantels biostratigraphische Altersnachweise mit altpaläozoischen Altern vorhanden sind, musste man das Alter der strukturell darunterliegenden Gesteinseinheiten schätzen. Gemäß dem Stenoschen sedimentären Ablagerungsgesetz ging man davon aus, dass die Gesteine mit absteigendem strukturellen Niveau immer älter wurden. Deshalb nahm man ein archaisches Alter für den Granulit an. Dabei wurde der hoher Metamorphose-Grad als Indiz für ein außergewöhnlich hohes Alter interpretiert. Moderne radiometrische Altersdatiertungsmethoden, wie die oben zitierten, falsifizieren die lithostratigraphische Interpretation des Granulit-Massivs.
Die amtliche geologische Karte des Freistaates Sachsen ist noch in lithostratigraphischer Gliederung verfasst, weshalb in der Tabelle die Namen der lithostratigraphischen und der tektono-metamorphen Gliederung gegenübergestellt werden.
Entstehung der Granulite
In mobilistischen Modellen (Kroner 1995, Kroner et al. 2007) wird das Granulit-Massiv als metamorpher Kernkomplex interpretiert. Darunter versteht man einen Gesteinskomplex, in dem ursprünglich tief in der Erdkruste gelegene hochmetamorphe Gesteine innerhalb von deutlich niedriggradigeren oder nicht metamorphen Gesteinen liegen. Als Bildungsmechanismen werden der Auftrieb des hochmetamorphen Gesteins und Dehnungstektonik diskutiert. Da der Granulit im sächsischen Granulit-Massiv sehr schnell aufstieg, liegt wahrscheinlich eine Kombination aus beiden Mechanismen vor.
Die hohen Drücke, welche in den metamorphen Mineralen bestimmt wurden, deuten darauf hin, dass sich der Granulit in einer kontinentalen Subduktionszone bildete. Wie oben erwähnt, interpretieren Rötzler et al. (2004) die Übereinstimmung des Granulits mit den (Ultra)Hochdruck- (U)HP-Gesteinen des Erzgebirges in den Altersdaten, Strukturen sowie der großen Versenkungstiefe als einen Hinweis darauf, dass sich beide Gesteinseinheiten in der gleichen kontinentalen Subduktionszone gebildet haben.
Des Weiteren gibt es noch Übereinstimmungen mit anderen Gesteinen, nämlich den Granuliten im Moldanubikum in Südböhmen. Diese Gesteine weisen ebenfalls gleichartigen Chemismus, Metamorphose-Grad und Alter auf. Deshalb formulierten Cooke et al. (2000) die weitgehend akzeptierte Idee, dass sich die Granulite beider Lokationen in einer Subduktionszone bildeten, die von Südwesten her unter den cadomischen Krustenblock des Tepla-Barrandiums einfiel. Von dort aus wurden die Gesteine des Erzgebirges und Granulit-Massivs in nordwestliche bzw. westliche Richtung exhumiert. Dabei legten Sie einen weiten Transportweg durch die Erdkruste zurück, auf welchem sie mehrfach Umgebungsgesteine mitrissen.
Entstehung der metamorphen Umgebungsgesteine
Die metamorphen Gesteine in der unmittelbaren Nachbarschaft der Granulit-Einheit weisen unterschiedliche Ausgangsgesteine, Versenkungstiefen und Metamorphose-Alter auf. Sie werden von Scherzonen begrenzt. Das deutet darauf hin, dass sie aus unterschiedlichen strukturellen Einheiten und Niveaus der Varisziden stammen und beim Aufstieg und der Exhumierung des Granulits mitgeschleppt oder zur Seite bewegt wurden. Aufgrund der Druck-Temperatur-Daten sowie der Struktur der Gesteine kann man davon ausgehen, dass die Coriderit-Gneis-Einheit sowie die Metagabbro-Serpentinit-Einheit aus der Mittelkruste in Scherlinsen mitgeschleppt wurden. Die Gesteine des Schiefermantels befanden sich in der Oberkruste und wurden durch den Aufstieg des Granulits zur Seite befördert.
Allen Gesteinen im Kontakt mit dem Granulit ist gemeinsam, dass ihr Metamorphose-Peak mit einer starken Temperaturerhöhung einhergeht, z. T. sogar während des Aufstieges in die kalte Oberkruste. Die Ursache für diesen Prozess sieht man darin, dass der heiße Granulit Wärme an seine Umgebungsgesteine abgab und diese aufheizte.
Erst relativ spät in der Entwicklungsgeschichte des Granulitdoms gelangten alle Gesteine der vier tektono-metamorphen Einheiten nebeneinander und kühlten gemeinsam ab.
Quellenangaben
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