Der Bildung von hochgradigen Gesteinen der Böhmischen Masse

Die Böhmische Masse befindet sich in Mitteleuropa und erstreckt sich über den zentralen Teil der Tschechischen Republik, Ostdeutschland und dem nördlichen Österreich. Das Gebiet stellt einen exhumierten und gut erhaltenen Teil der Kollisionszone zwischen den Superkontinenten Laurasia (nördlicher Teil) und Gondwana (südlicher Teil) dar. Die Akkretion der verschiedenen Terrane (variszische Orogenese) erfolgte im Paläozoikum (vor 300 500 Millionen Jahre). Die tektonische und metamorphe Entwicklung ist teilweise schwer nachvollziehbar, da die Anzahl, Struktur und geometrische Form der involvierten Mikroplatten nicht genau bekannt ist. Zu den interessantesten lithologischen Einheiten dieses Orogens zählen die hochgradigen Gneise und Granulite, die kontinentale Kruste repräsentieren, die von der Oberfläche zu sehr großen Tiefen (> 60 km) versenkt wurden. Zuerst erfolgte eine Deformation und Metamorphose bei hohen Drucken (HP/UHP), gefolgt von einer hochtemperaturbetonten (UHT) Metamorphose und schließlich einer Überprägung bei mittleren bis höheren Temperaturen im Zuge der Exhumierung. Verschiedene Geologen schlugen unterschiedliche tektonische Szenarien vor, die zur Bildung dieser Gesteine in der Böhmischen Masse führten. Einerseits wird eine kontinentale Subduktion vorgeschlagen, bei der Krustengesteine mit dichterer ozeanischer Kruste zu großen Tiefen versenkt und anschließend nach Loslösung der ozeanischen Anteile aufgrund der geringeren Dichte wieder exhumiert wurden. Andererseits wird ein Modell vorgeschlagen, bei dem krustales Underthrusting für die Bildung der hochgradigen Gesteine verantwortlich gemacht wird. Krustenmaterial wird dabei nicht subduziert sondern entlang der Krusten/Mantelgrenze über eine Distanz transportiert, hochgradig metamorph und tektonisch überprägt und schließlich exhumiert. Keines dieser tektonischen Modelle wurde auf ihre Konsistenz mittels numerischer Modellierung getestet. In diesem Projekt ist geplant genau dies zu machen und mit verfügbaren geologischen und petrologischen Daten zu vergleichen. Dieses Projekt dient auch dazu, eines der modernsten plattentektonischen Modellierungswerkzeuge (in Kooperation mit Prof. T. Gerya, ETH Zürich) in der österreichischen Forschungslandschaft am Standort Universität Graz zu etablieren und die geologischen und petrologischen Arbeitsgruppen dort zu stärken und zu unterstützen. Die zu erwartenden Ergebnisse werden mit den zahlreichen Daten zur Entwicklung der böhmischen Masse in Kooperation mit Prof. Faryad (Charls University Prague) und Prof. Harald Fritz (Universität Graz) interpretiert und ausgewertet.

In diesem Projekt haben wir mögliche Szenarien für die Entstehung der Böhmischen Masse untersucht. Trotz jahrelanger Forschung gibt es dafür kein eindeutiges tektonisches Konzept. Es gibt einige interessante Gesteine im Massiv, die Geologen aus der ganzen Welt anziehen. Diese Krustengesteine wurden bei der Kollision in eine Tiefe von bis zu 150 km gebracht und dann auf die Krusten ebene von 50 bis 60 km exhumiert, wo sie intensiv erhitzt wurden. Im Projekt nahmen wir diese Daten als Bezugspunkt und führten eine Reihe von numerischen Experimenten durch, bei denen wir eine Kontinentalkollision simuliert haben, um ein mögliches Modell zu finden, das in der Lage ist, die in den Felsen der Böhmischen Masse festgestellten besonderen Veränderungen zu erzeugen. Schließlich fanden wir ein Modell, das uns sehr ähnliche Ergebnisse lieferte, wie die in der Natur beobachteten. Der Hauptmechanismus in diesem Modell ist eine kurze Phase des Plattenrückgangs während der Kontinentalkollision. Dieser Mechanismus hat zwei Auswirkungen auf das subduzierte Gestein: 1) er schafft einen schwachen Kanal entlang des Kontakts mit dem Mantelkeil, der eine schnelle Exhumierung aus großen Tiefen ermöglicht; 2) er erzeugt eine Exhumierung von heißem Mantel, die zu einer intensiven Aufheizung der exhumierten Gesteine führt. Dieser Mechanismus lässt sich nicht nur auf das Böhmische Massiv anwenden, sondern auch auf andere Kollisionorogene, in denen wir es mit ähnlichen zweistufigen Aufzeichnungen in der metamorphen Entwicklung der Krustengesteine zu tun haben. Im zweiten Teil des Projekts haben wir uns auf die Gesteine des Mantels in der Böhmischen Masse konzentriert, in denen sehr hohe Drücke und Temperaturen herrschen und die nun in den Gesteinen der Kruste auftauchen, die viel niedrigere Drücke und Temperaturen aufweisen. Wir haben eine Reihe von Experimenten mit verschiedenen Arten der Exhumierung der kontinentalen Kruste durchgeführt und alle Mantelgesteinspartikel analysiert, die am Ende der Kollision in den Krustengesteinen auftreten. Dabei haben wir eine große Vielfalt an Mantelgestein festgestellt: Einige Materialien stammen aus dem Mantelkeil, der sich oberhalb der subduzierenden Platte befindet, andere Materialien stammen aus sehr weit entfernten Regionen des Mantels und kamen durch Konvektion im Mantel über Hunderte von Kilometern in die Nähe des Subduktionskanals. Abgesehen davon, dass es sich hierbei um eine Pionierarbeit auf diesem Gebiet handelt, die allgemein zur Rekonstruktion der Orogene auf der Grundlage dieser Analyse beitragen könnte, erlaubt sie uns die Schlussfolgerung, dass einige hochgradige Mantelgesteine im Böhmischen Massiv höchstwahrscheinlich durch vertikal oder diapirisch exhumierendes Krustenmaterial gewonnen wurden. Auf der Grundlage des Modells aus dem ersten Teil des Projekts mit dem Plattenrückgang, bei dem die vertikale Krustenextrusion der vorherrschende Mechanismus war, glauben wir, dass dieses Szenario tatsächlich als möglicher Mechanismus für die Exhumierung der kontinentalen Kruste im Böhmischen Massiv in Betracht gezogen werden könnte.