Zur Hydratation von hochgradig metamorphen Terranes

Die Verfügbarkeit von Wasser ist einer der wichtigsten Faktoren für unseren Planeten. Leben so wie wir es kennen wäre ohne es nicht möglich. Wasser ist zudem auch ein unverzichtbarer Bestandteil bei geologischen Prozessen die tief innerhalb der Erde ablaufen. Sogenannte metamorphe Gesteine werden über Jahrmillionen durch sich verschiebende tektonische Platten geknetet, erhitzt und zusammengequetscht. Extreme Hitze und Druck bedingen, dass sich die Elemente in den Gesteinen je nach Umgebungsbedingungen zu neuen Mineralen organisieren. Wasser spielt hierbei eine Schlüsselrolle, da es die Mobilität der Elemente extrem beschleunigt und daher deren Umverteilung in neue Minerale erleichtert. In diesem Projekt werden genau diese Prozesse genauer untersucht: wie genau unterstützt Wasser die Element-umverteilung und die Bildung neuer Minerale? Wie viel Wasser ist notwendig damit der Prozess auch wirklich effizient ist? Woher kommt das Wasser, das hierzu tief in der Erdkruste benötigt wird? Ist es möglich, dass der Wassereintrag zusätzlich Energie frei werden lässt die den Prozess der Umverteilung noch weiter vorantreibt? Um diese Fragen zu beantworten werden wir Gesteinsproben aus den österreichischen Ostalpen untersuchen. Obwohl wir sie heute auf der Oberfläche finden, haben sie eine lange und ereignisreiche Reise hinter sich, die vor rund 300 Millionen Jahren ihren Anfang nahm. Die Gesteine wurden intensiv geknetet und tief im Erdinneren erhitzt, wobei meist nur wenig bis kein Wasser zur Verfügung war. Ohne die katalysierende Wirkung des Wassers konnten sich die Elemente nur wenig bis gar nicht in neue Minerale umorganisieren. In einigen Schlüsselmomenten ihres Daseins jedoch war Wasser kurzfristig vorhanden. In genau diesen Momenten hat das Wasser dazu beigetragen, dass sich Gesteine in relativ kurzer Zeit beinahe vollständig umwandeln konnten. Anhand unseres Projektes hoffen wir die genaue Rolle des Wassers tief im Untergrund besser verstehen zu können, und somit die Prozesse, die unsere Erde seit jeher formen und für ihr heutiges Erscheinungsbild mitverantwortlich sind.

In diesem Projekt "Zur Hydratation von hochgradig metamorphen Terranes" geht es um die Wechselwirkung zwischen Wasser und Gestein im Zuge des geologischen Materialkreislaufes. Die Verfügbarkeit von Wasser ist nicht nur für die Entstehung von Leben einer der wichtigsten Faktoren auf unserem Planeten. Wasser ist auch ein unverzichtbarer Bestandteil bei geologischen Prozessen, die tief innerhalb der Erde ablaufen. Metamorphe Gesteine werden über Jahrmillionen durch sich verschiebende tektonische Platten geknetet, erhitzt und zusammengequetscht. Hitze und Druck bewirken, dass sich die Elemente in den Gesteinen je nach Umgebungsbedingungen zu neuen Mineralen organisieren. Wasser spielt hierbei eine Schlüsselrolle, da es die Mobilität der Elemente beschleunigt und somit deren Umverteilung in neue Minerale erleichtert. Dies hat Auswirkungen auf die Materialeigenschaften der Erdkruste und beeinflusst unter anderem die Festigkeit und Dichte der Gesteine. Dadurch beeinflusst Wasser den geologischen Kreislauf, wo solche Dichteunterschiede eine Schlüsselrolle spielen. In diesem Projekt wurden diese Prozesse untersucht: Wie unterstützt Wasser die Elementumverteilung und die Bildung neuer Minerale? Wie viel Wasser ist notwendig, damit der Prozess effizient verläuft? Woher kommt das Wasser, das hierfür tief in der Erdkruste benötigt wird? Ist es möglich, dass der Wassereintrag zusätzlich Energie freisetzt, die den Prozess der Umverteilung weiter vorantreibt? Untersuchungen von Hochdruckgesteinen der Kor- und Saualpe (Steiermark & Kärnten, Österreich) sowie der italienischen Westalpen haben gezeigt, dass selbst geringste Mengen Wasser ausreichen, um die Transformation in hochdichte Gesteine (sogenannte Eklogite) in Gang zu setzten. Es wurde veranschaulicht, dass anders als weitläufig angenommen, das notwendige Wasser nicht unbedingt von außen eingetragen werden muss, um die Umwandlung und Verdichtung der kontinentalen Kruste in der Tiefe voranzutreiben. Es wurde gezeigt, dass die Mineralumwandlungen, welche mit einem Dichteanstieg einhergehen, allein durch den Zusammenbruch wasserhaltiger Minerale angetrieben werden, und somit potentiell weitläufiger stattfindet, als bisher gedacht. Ein weiterer Aspekt der komplexen Wasser-Gesteinswechselwirkung ist das Freiwerden von Wärme während Wasser in den Mineralverband eingebaut wird. Ähnlich dem Freisetzen von Hydratationswärme beim Aushärten von Zement, bedingt der Einbau von Wasser in Mineralen ein Aufheizen der betroffenen Gesteinskörper. Dies hat zur Folge, dass temperatursensitive Isotopensysteme, welche zur Altersdatierung herangezogen werden (z.B. Argon-Argon in Glimmern), gestört werden und die berechneten Alter vom Normalfall abweichen. Im Zuge dieses Projekts konnte gezeigt werden, dass Wasser-Gesteinswechselwirkung eine signifikante Verzerrung der berechneten Alter bedingen kann, und dadurch Mineralalter bis zu 10% jünger erscheinen. Dies hat Auswirkungen auf die Interpretation geologischer Prozesse, wie die Hebungsrate von Gebirgen und insbesondere oberflächennahe Prozesse wie z.B. klimagekoppelte Erosionsraten. Da solche Datensätze häufig zur Untersuchung der vergangenen Klimaevolution und auch zum Verständnis der zukünftigen Entwicklung herangezogen werden, ist diese Erkenntnis ein interdisziplinärer Beitrag zum Verständnis des Systems Erde.