"Im Inneren des Erdballs hausen geheimnisvolle Kräfte, deren Wirkungen an der Oberfläche zutage treten: Als Ausbrüche von Dämpfen, glühenden Schlacken und neuen vulkanischen Gesteinen, als Auftreibungen zu Inseln und zu Bergen."
Alexander von Humboldt
Am Ende des 19 Jahrhunderts, nach dem ide(ge)ologischen Sieg des "Plutonismus", wurde klar das magmatischen Gesteinen aus der "feurigen Tiefe der Erde" stammen mussten. Allerdings ergab sich jetzt ein neues Problem - die große Gesteinsvarietät - von dunklen "basischen" Basalten zu hellen "sauren" Granitgestein - war schwer mit einer vergleichbaren Varietät im Erdinneren zu erklären.
Abb.1. Beispiel von "Brixner Granit" - links Pegmatitgang mit großen (hier chloritisierten) Glimmerplättchen und derben Quarzaggregat, rechts - typisches Granitgefüge mit kleinen Kristallen von Feldspat, Quarz und Glimmer.
Eine gängige Idee zur damaligen Zeit war, dass sich die verschiedenen magmatischen Gesteine durch Aufschmelzung bereits vorhandener Gesteine bildeten - vor allem die seltsame Zusammensetzung und Verbreitung des Granits (der zumeist auf Kontinenten gefunden wird) schien damit erklärbar. Der französische Geologe P.T. Virlet d´Aoust prägte in 1847 sogar den Begriff "Granitisierung" um diese Denkschule zu charakterisieren. Alle Granit-Varietäten (die sich deutlich von den "basaltischen" Gesteinen des Erdmantels unterscheiden) bildeten sich durch mehr oder weniger starke Aufschmelzung und chemischen Austausch in festem Zustand (Metasomatose) von anderen Gesteinen. Allerdings hatte diese Hypothese zwei große Schwachpunkte:
- Eine graduelle Diffusion von Elementen zwischen Schmelze und aufzuschmelzendes Gestein konnte nicht die oft scharfe Grenze zwischen Granit und Umgebung erklären.
- Die benötigten Energiemengen erschienen außerordentlich hoch und die Diffusion im teilweise aufgeschmolzenen oder gar festen Gestein vernachlässigbar klein.
Eine alternative war die "Magmatisierung", die davon ausging das unterschiedliche Schmelzen unterschiedliche Gesteine ausbilden konnten, wobei das erwähnte Problem der "Variabilität" durch unterschiedliche Ansätze überwunden wurde.
Der deutsche Chemiker Robert Wilhelm Bunsen (bekannt durch den "Bunsen-Brenner") schlug in 1851 vor das es grundsätzliche nur zwei Magmatypen auf der Erde gab - den basischen "Pyroxenit" und den sauren "Trachyt", die aus verschiedene Tiefen der Erdkruste aufsteigen. Dabei kann es zu einer Mischung der beiden Magmatypen kommen, die somit auch die restlichen intermediären Lavatypen bilden können ("Über die Processe der vulkanischen Gesteinsbildung Islands").
Abb.2. Idealisierter Querschnitt durch die Erdkruste, aus Emile With "L´Ecorce terrestre" (1874), die die damalige Vorstellung des schaligen Erdaufbaus gut darstellt. Konzentrische Schalen aus unterschiedlichen Magmatypen konnten laut einigen Geologen die unterschiedliche chemische Zusammensetzung von Vulkangesteinen erklären - je nachdem wo die Wurzelzone eines Vulkans lag dominierten basische oder saure Eruptivgesteine.
Diese Hypothese schien durch die Entdeckung von Andesiten und Daciten in den San-Juan-Bergen (Colorado) bestätigt zu werden. Der amerikanische Geologe Larsen beschrieb hier in 1938 große Plagioklas-Kristalle die in einer feinkörnigen Matrix mit völlig unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung eingebettet waren. Für Bunsen schien es klar dass die Kristalle nachträglich in die Laven eingemischt wurden.
Geologe Charles Darwin hatte auf seine fünfjährigen Reise um die Welt am Bord der "Beagle" viel Zeit und viele Gelegenheiten um vulkanische Gesteine zu studieren und über sie nachzudenken:
"Die größten Schwierigkeiten die Geologen erfahren, wenn sie versuchen die Zusammensetzung der vulkanischen und plutonischen Gesteine zu vergleichen, kann, so denke ich, überwunden werden, wenn man, wie ich glaube, annimmt dass die meisten plutonischen Massen zu einem gewissen Zeitpunkt, und in einem gewissen Ausmaß, ihre verhältnismäßig schweren und leicht lösbaren Elementen verloren haben, die [dann] die Trapp- und Basaltlaven bilden."
"Geological Observations on the Volcanic Islands" (1844)
Hier schlägt Darwin eine erste Art von magmatischer Differentiation vor. Kristalle fällen sich aus dem Magma aus und sinken der Schwerkraft folgend auf den Grund der Magmakammer, die restliche Schmelze verarmt an gewissen Elementen die in diese Kristalle eingebaut wurden. Damit können sich aus einem Stamm-Magma unterschiedlichen Schmelzen und Gesteine bilden.
Einen entscheidenden Schritt im Verständnis von magmatischen Gesteinen gelang durch die Experimente von Norman Levi Bowen (1887-1956). Bowen wurde in 1887 in Kingston (Ontario, Kanada) geboren, studierte zunächst auch in Kanada, wechselte dann aber zum Massachusetts Institute of Technology wo er Arthur L. Day kennenlernte. Day war Direktor am Geophysikalischen Labor in Washington und sehr an den mineralogischen Bildungen und Reaktionen in magmatischen Gesteinen interessiert.
Er schlug Bowen daher vor das Verhalten von Feldspat in Schmelzen zu untersuchen. Day wußte (auch aufgrund der Expeditionen und petrographischen Beobachtungen des deutschen Mineralogen Wolfgang Sartorius Freiherr von Waltershausen, 1809-1876) das Plagioklas zumeist ein Mischkristall zwischen den Endgliedern Anorthit und Albit ist, war aber darin gescheitert den Verlauf der Schmelzkurve dieser Mischung zu bestimmen. Dank elektrischer Heizöfen, genauen Temperatursonden und neuartiger Analysemethoden (z.B. dem "quenching", bei den die Proben rasch abgekühlt werden und danach analysierte werden können) konnte Bowen das Phasendiagramm des Plagioklas-Feldspats schließlich in 1913 publizieren.
Abb.3. Phasendiagramm der Plagioklase aus der Originalarbeit von Bowen ("The melting phenomena of the plagioclase feldspars", 1913). Dieses Diagramm erklärt wie sich beim Abkühlen durch kontinuierliche Reaktionen zwischen Kristall und Schmelze der Chemismus von Kristall und Schmelze verändern können. Wird nun der Kristall oder die Schmelze aus diesem System abgeführt, verändert sich der Ausgangschemismus - neue Kristalle und Gesteine können sich aus dieser "neuen Schmelze" bilden. Das Diagramm kann auch umgekehrt gelesen werden - werden Kristalle erhitzt entsteht zunächst eine Schmelze mit unterschiedlicher Zusammensetzung.
Bowen war restlos davon überzeugt das allein fraktionierte Kristallisation bzw. fraktionierte Aufschmelzung die Genese von magmatischen Gesteinen erklären konnte.
Allerdings hatten auch die Hypothese der "Magmatisierung" und die weiterentwickelte Hypothese der Kristall-Fraktionierung einige schwerwiegende Schwachpunkte:
- Um die beobachteten Volumen an Granit zu erklären benötigte man ungefähr das 9-fache an basaltischem Stamm-Magma, da die Fraktionierung ein sehr ineffizienter Vorgang ist.
- Wieso sind Granitintrusionen nur auf den Kontinenten verbreitet? Fraktionierung sollte überall auf der Erde stattfinden können.
"Das merkwürdige liegt nicht in den gegenwärtigen Meinungsverschiedenheiten der Petrographen über den Ursprung des Granits, sondern darin, daß wir überhaupt so leidenschaftlich und starr an Meinungen festzuhalten vermögen, die sich gegenseitig ausschließen."
M. Walton (1955)
Abb.4. Feinkörnige Granit-Intrusion (rechts) in verfalteten Gneis (links). Der Gneis wurde dabei teilweise aufgeschmolzen es bildeten sich Taschen mit weißlichen Schmelzresten, während in der eigentlichen Schmelze große Plagioklase auskristallisierten. Ein späterer Pegmatit-Gang durchschlägt beide Gesteine.
Heutzutage wird ein intermediäres Modell bevorzugt um die große Variabilität innerhalb der magmatischen Gesteine zu erklären - die verschiedensten Mechanismen spielen dabei eine Rolle:
- Genese von Stamm-Magmen durch partielles Aufschmelzen der Gesteine des Erdmantels (Herkunft der Basalte) oder der unteren Erdkruste (dies würde die Verteilung der Granite erklären).
- Die klassische fraktionierte Kristallisation wie sie von Bowen vorgeschlagen wurde (wobei allerdings nicht nur die Schwerkraft und Dichteunterschiede wie von Darwin gedacht, sondern auch Magmaströmungen und die Topographie der Magmakammer eine Rolle in der Ausscheidung und Ansammlung von verschiedenen Kristallen und Restschmelzen spielen).
- Entmischung im schmelzflüssigen Zustand
- Mischung von Magmen unterschiedlicher Herkunft, ungefähr so wie sie Bunsen vorschlug
- Assimilation und Aufschmelzung von weiteren Fremdgestein beim Aufsteigen des Magmas durch die Erdkruste (weiterer wichtiger Mechanismus um die Genese und Verbreitung von Granit zu erklären)
Literatur:
HÖLDER, H. (1989): Kurze Geschichte der Geologie und Paläontologie - Ein Lesebuch. Springer Verlag, Heidelberg: 243
YOUNG, D.A. (2002): Norman Levi Bowen (1187-1956) and igneous rock diversity. From OLDROYD, D.R. (ed.); The Earth Inside and Out: Some Major Contributions to Geology in the Twentieth Century. Geological Society, London, Special Publications Nr. 192: 99-111
Alexander von Humboldt
Am Ende des 19 Jahrhunderts, nach dem ide(ge)ologischen Sieg des "Plutonismus", wurde klar das magmatischen Gesteinen aus der "feurigen Tiefe der Erde" stammen mussten. Allerdings ergab sich jetzt ein neues Problem - die große Gesteinsvarietät - von dunklen "basischen" Basalten zu hellen "sauren" Granitgestein - war schwer mit einer vergleichbaren Varietät im Erdinneren zu erklären.
Eine gängige Idee zur damaligen Zeit war, dass sich die verschiedenen magmatischen Gesteine durch Aufschmelzung bereits vorhandener Gesteine bildeten - vor allem die seltsame Zusammensetzung und Verbreitung des Granits (der zumeist auf Kontinenten gefunden wird) schien damit erklärbar. Der französische Geologe P.T. Virlet d´Aoust prägte in 1847 sogar den Begriff "Granitisierung" um diese Denkschule zu charakterisieren. Alle Granit-Varietäten (die sich deutlich von den "basaltischen" Gesteinen des Erdmantels unterscheiden) bildeten sich durch mehr oder weniger starke Aufschmelzung und chemischen Austausch in festem Zustand (Metasomatose) von anderen Gesteinen. Allerdings hatte diese Hypothese zwei große Schwachpunkte:
- Eine graduelle Diffusion von Elementen zwischen Schmelze und aufzuschmelzendes Gestein konnte nicht die oft scharfe Grenze zwischen Granit und Umgebung erklären.
- Die benötigten Energiemengen erschienen außerordentlich hoch und die Diffusion im teilweise aufgeschmolzenen oder gar festen Gestein vernachlässigbar klein.
Eine alternative war die "Magmatisierung", die davon ausging das unterschiedliche Schmelzen unterschiedliche Gesteine ausbilden konnten, wobei das erwähnte Problem der "Variabilität" durch unterschiedliche Ansätze überwunden wurde.
Der deutsche Chemiker Robert Wilhelm Bunsen (bekannt durch den "Bunsen-Brenner") schlug in 1851 vor das es grundsätzliche nur zwei Magmatypen auf der Erde gab - den basischen "Pyroxenit" und den sauren "Trachyt", die aus verschiedene Tiefen der Erdkruste aufsteigen. Dabei kann es zu einer Mischung der beiden Magmatypen kommen, die somit auch die restlichen intermediären Lavatypen bilden können ("Über die Processe der vulkanischen Gesteinsbildung Islands").
Diese Hypothese schien durch die Entdeckung von Andesiten und Daciten in den San-Juan-Bergen (Colorado) bestätigt zu werden. Der amerikanische Geologe Larsen beschrieb hier in 1938 große Plagioklas-Kristalle die in einer feinkörnigen Matrix mit völlig unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung eingebettet waren. Für Bunsen schien es klar dass die Kristalle nachträglich in die Laven eingemischt wurden.
Geologe Charles Darwin hatte auf seine fünfjährigen Reise um die Welt am Bord der "Beagle" viel Zeit und viele Gelegenheiten um vulkanische Gesteine zu studieren und über sie nachzudenken:
"Die größten Schwierigkeiten die Geologen erfahren, wenn sie versuchen die Zusammensetzung der vulkanischen und plutonischen Gesteine zu vergleichen, kann, so denke ich, überwunden werden, wenn man, wie ich glaube, annimmt dass die meisten plutonischen Massen zu einem gewissen Zeitpunkt, und in einem gewissen Ausmaß, ihre verhältnismäßig schweren und leicht lösbaren Elementen verloren haben, die [dann] die Trapp- und Basaltlaven bilden."
"Geological Observations on the Volcanic Islands" (1844)
Hier schlägt Darwin eine erste Art von magmatischer Differentiation vor. Kristalle fällen sich aus dem Magma aus und sinken der Schwerkraft folgend auf den Grund der Magmakammer, die restliche Schmelze verarmt an gewissen Elementen die in diese Kristalle eingebaut wurden. Damit können sich aus einem Stamm-Magma unterschiedlichen Schmelzen und Gesteine bilden.
Einen entscheidenden Schritt im Verständnis von magmatischen Gesteinen gelang durch die Experimente von Norman Levi Bowen (1887-1956). Bowen wurde in 1887 in Kingston (Ontario, Kanada) geboren, studierte zunächst auch in Kanada, wechselte dann aber zum Massachusetts Institute of Technology wo er Arthur L. Day kennenlernte. Day war Direktor am Geophysikalischen Labor in Washington und sehr an den mineralogischen Bildungen und Reaktionen in magmatischen Gesteinen interessiert.
Er schlug Bowen daher vor das Verhalten von Feldspat in Schmelzen zu untersuchen. Day wußte (auch aufgrund der Expeditionen und petrographischen Beobachtungen des deutschen Mineralogen Wolfgang Sartorius Freiherr von Waltershausen, 1809-1876) das Plagioklas zumeist ein Mischkristall zwischen den Endgliedern Anorthit und Albit ist, war aber darin gescheitert den Verlauf der Schmelzkurve dieser Mischung zu bestimmen. Dank elektrischer Heizöfen, genauen Temperatursonden und neuartiger Analysemethoden (z.B. dem "quenching", bei den die Proben rasch abgekühlt werden und danach analysierte werden können) konnte Bowen das Phasendiagramm des Plagioklas-Feldspats schließlich in 1913 publizieren.
Bowen war restlos davon überzeugt das allein fraktionierte Kristallisation bzw. fraktionierte Aufschmelzung die Genese von magmatischen Gesteinen erklären konnte.
Allerdings hatten auch die Hypothese der "Magmatisierung" und die weiterentwickelte Hypothese der Kristall-Fraktionierung einige schwerwiegende Schwachpunkte:
- Um die beobachteten Volumen an Granit zu erklären benötigte man ungefähr das 9-fache an basaltischem Stamm-Magma, da die Fraktionierung ein sehr ineffizienter Vorgang ist.
- Wieso sind Granitintrusionen nur auf den Kontinenten verbreitet? Fraktionierung sollte überall auf der Erde stattfinden können.
"Das merkwürdige liegt nicht in den gegenwärtigen Meinungsverschiedenheiten der Petrographen über den Ursprung des Granits, sondern darin, daß wir überhaupt so leidenschaftlich und starr an Meinungen festzuhalten vermögen, die sich gegenseitig ausschließen."
M. Walton (1955)
Heutzutage wird ein intermediäres Modell bevorzugt um die große Variabilität innerhalb der magmatischen Gesteine zu erklären - die verschiedensten Mechanismen spielen dabei eine Rolle:
- Genese von Stamm-Magmen durch partielles Aufschmelzen der Gesteine des Erdmantels (Herkunft der Basalte) oder der unteren Erdkruste (dies würde die Verteilung der Granite erklären).
- Die klassische fraktionierte Kristallisation wie sie von Bowen vorgeschlagen wurde (wobei allerdings nicht nur die Schwerkraft und Dichteunterschiede wie von Darwin gedacht, sondern auch Magmaströmungen und die Topographie der Magmakammer eine Rolle in der Ausscheidung und Ansammlung von verschiedenen Kristallen und Restschmelzen spielen).
- Entmischung im schmelzflüssigen Zustand
- Mischung von Magmen unterschiedlicher Herkunft, ungefähr so wie sie Bunsen vorschlug
- Assimilation und Aufschmelzung von weiteren Fremdgestein beim Aufsteigen des Magmas durch die Erdkruste (weiterer wichtiger Mechanismus um die Genese und Verbreitung von Granit zu erklären)
Literatur:
HÖLDER, H. (1989): Kurze Geschichte der Geologie und Paläontologie - Ein Lesebuch. Springer Verlag, Heidelberg: 243
YOUNG, D.A. (2002): Norman Levi Bowen (1187-1956) and igneous rock diversity. From OLDROYD, D.R. (ed.); The Earth Inside and Out: Some Major Contributions to Geology in the Twentieth Century. Geological Society, London, Special Publications Nr. 192: 99-111
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