Die Erde ist ein gestresster Planet. Wenn sich Platten bewegen, Magma aufsteigt und Gletscher schmelzen – um nur einige Szenarien zu nennen –, unterliegen Gesteine unterschiedlichem Druck sowie Druck- und Dehnkräften. Die Auswirkung dieser Spannungen auf die Gesteinsmineralogie und -textur ist für die tektono-metamorphe Gemeinschaft von großem Interesse. Dennoch bleibt der Zusammenhang zwischen Prozess und Ergebnis schwer zu fassen.
Es gibt zwei mögliche Spannungszustände: Entweder sind alle Hauptspannungen gleich (lithostatischer oder hydrostatischer Druck), oder es herrscht eine vor (Differenzspannung). Beide Szenarien sind in der Natur allgegenwärtig.
Das herkömmliche Wissen besagt, dass der lithostatische Druck allein (ohne Differenzspannung) ausreicht, um das thermodynamische Gleichgewicht zu beeinflussen und somit selbst metamorphe Reaktionen auszulösen. Die im System gespeicherte Energie führt zu einer Änderung der Phasenstabilität, und es finden Reaktionen statt, um dies entsprechend der Massenzusammensetzung auszugleichen.
Metamorphe Gewebe wie Lineation und Foliation erfordern stattdessen eine unterschiedliche Belastung, um sich zu entwickeln. Aber wie viel Differenzialstress ist wirklich nötig? Über die elastische Belastung hinaus besteht kein Zweifel – wir wissen, dass Mineralorientierung und Spannungen zusammenhängen. Ob eine reversible, elastische Verformung ausreicht, um die Gewebeentwicklung auszulösen, muss noch ermittelt werden. Dies ist eine grundlegende Frage, da sie den Kern der Rolle von Stress bei der Metamorphose ausmacht.
Dr. James Gilgannon, ein Strukturgeologe, der derzeit als Postdoktorand an der Universität Edinburgh forscht, hat eine Reihe von Experimenten durchgeführt, um mögliche Auswirkungen elastischer Differenzspannung auf die Entwicklung von Mineralgefügen zu bewerten. Das Papier ist veröffentlicht im Tagebuch Geologie.
Die Arbeit seines Teams fügt sich in ein Gesamtbild ein, das gemeinsam aus hochmodernen Synchrotronexperimenten zur Rolle von Differenzspannung und Elastizität bei Metamorphose und Tektonik hervorgeht.
Sie dehydrierten Gipsproben unter verschiedenen elastischen Spannungszuständen und ihre Experimente fanden in einer Synchrotronlinie statt, sodass Probenveränderungen in 4D dokumentiert werden konnten. „Der Vorteil dieser Technik besteht darin, dass man alles sehen kann, was passiert, während Gesteine in der Natur eine sehr komplexe, verborgene Geschichte haben“, erklärt Gilgannon.
Was sie sahen, war die früh einsetzende Entwicklung eines Gewebes orthogonal zur größten Hauptspannung in einer Probe, die einer elastischen Differenzspannung ausgesetzt war, lange bevor sich eine irreversible Spannung ansammelte. Und wenn der elastische Begriff, der normalerweise vernachlässigt wird, einen Stoff erzeugt, wird dies alles beeinflussen, was als nächstes kommt.
Er erklärt: „Elastizität könnte man als langweilig bezeichnen, aber sie ist wirklich spannend. Sie könnte ausreichen, um eine anisotrope Textur zu erzeugen, die dann den Flüssigkeitsfluss steuern würde.“
Es sind noch viele Fragen zu beantworten. Zum einen ist noch unklar, wie elastische und dauerbeanspruchte Stoffe in der Natur unterschieden werden können. „Ich gehe davon aus, dass viele metamorphe Gesteine Muster aufweisen, die mit dieser kleinen elastischen Spannung zusammenhängen – nicht mit der großen permanenten“, sagt Gilgannon. „Aber es könnte sein, dass es schwierig sein wird, ihren Beitrag zu entfalten, da die elastische Spannung immer vorhanden ist.“
Die nächste Reihe geplanter Experimente wird eine noch höhere räumliche Auflösung haben und sich darauf konzentrieren, was mit der Stoffprobe passiert, wenn die elastische Spannung nachlässt.
Mehr Informationen:
James Gilgannon et al., Elastische Spannungen können metamorphe Stoffe bilden, Geologie (2023). DOI: 10.1130/G51612.1