Stable association wollastonite-anorthite, and other cale-silicate assemblages in amphibolite-facies crystalline schists of Nanga Parbat, Northwest Himalayas

Zusammenfassung

Progressive Regionalmetamorphose und Granitisation einer vorherrschend politischen Gesteinsfolge vollzog sich in einem im wesentlichen konstanten Druckintervall und war bedingt durch Temperaturzunahme in horizontaler Richtung (steile Aufwölbung der Geiso thermen). Der Druck war recht hoch aber blieb innerhalb des Feldes der Amphibolitfazies. Der Übergang von der Disthenzone zur Sillimanitzone fällt nicht mit der Grenze zwischen Gesteinen mittleren und hohen Grades zusammen, sondern ist in der Richtung höherer Temperatur verschoben. Viele der Al-Si-reichen hochgradigen Gesteine enthalten stabilen Muskowit. Staurolit, Andalusit und Cordierit sind bezeichnenderweise abwesend. In den höchstgradigen Gesteinen ist die Reaktion Muskowit + Quarz → Sillimanit + Kalifeldspat + H₂O örtlich komplett. Grüne Hornblende ist in Gesteinen geeigneter Zusammensetzung in dem ganzen Gebiete hochgradiger Metamorphose vorhanden, gelegentlich von Cummingtonit begleitet.

Kalkige Einlagerungen lassen drei verschiedene Zonen hochgradiger Metamorphose erkennen. Diese Zonen und ihre Grenzreaktionen sind:

• 1. „Wollastonit-Anorthit-Zone”; höchster Metamorphosegrad hier erreicht a) Ca₃Al₂Si₃O₁₂ + SiO₂ ⇌ 2 CaSiO₃ + CaAl₂Si₂O₈

• 2. „Wollastonit-Grossular-Zone” b) CaCO₃ + SiO₂ ⇌ CaSiO₃ + CO₂ ↑

• 3. „Kalzit-Quarz-Grossular (Bytownit)-Zone” (untere Grenze = untere Grenze von Bytownit ≈ obere Grenze von Zoisit).

Reaktion b) ist abhängig von P_CO2. Es ist anzunehmen, daß die meisten hier beschriebenen Gesteine, besonders diejenigen mit SiO₂-Überschuß, mehr oder weniger offene Systeme für CO₂ waren, so daß P_CO2 sehr viel geringer war als der Gesamtdruck. Örtlich, und besonders in manchen undurchlässigen Marmoren, konnte CO₂ nicht entweichen, und die Wollastonitreaktion wurde zum Halt gebracht oder gänzlich verhindert; Beispiele finden sich nicht nur in Zone 2 sondern auch in Zone l. Verdünnung von CO₂ durch andere flüchtige Bestandteile, besonders H₂O, mag auch zur Herabsetzung von P_CO2 beigetragen haben.

Reaktion a), bei der keine Gasphase beteiligt ist, hängt nur von P, T ab. Unter den bestehenden hohen Drucken müssen recht hohe Temperaturen nötig gewesen sein, um diese Reaktion nach rechts verlaufen zu lassen.

Diopsidführende Paragenesen mit SiO₂-Überschuß und mit CaCO₃- Überschuß werden für die drei Kalksilikatzonen beschrieben. Mit ihnen vergesellschafteter Kalifeldspat ist Orthoklas mit recht kleinen Achsenwinkeln. Metamorphose von tonigen dolomitischen Kalken folgt dem Prinzip der bevorzugten Dekarbonatisierung von Mg. Die hauptsächlichen Paragenesen sind, den vorherrschenden Kalzit auslassend: Forsterit-Spinell-Phlogopit, nur in Zone 1 angetroffen; Phlogopit-Diopsid-(Tremolit); Diopsid-(Tremolit)-Orthoklas; Diopsid-(Tremolit)-Anorthit-(Orthoklas); Diopsid-Wollastonit-Grossular, nur in Zone 2; Diopsid-Grossular-Quarz, nur in Zone 3 (mit Kalzit). Die Beziehungen der in den drei Kalksilikatzonen angetroffenen Mineralgesellschaften zu den Pauschalzusammensetzungen der Gesteine werden erörtert.

Grenzlagen zwischen den diopsidführenden Kalksilikatgesteinen und benachbarten pelitischen Schiefern werden beschrieben. In der Regel ist an dem Kontakt ein dünnes Band von Paraamphibolit vorhanden, das die granatfreie Paragenese grüne Hornblende Anorthit (Bytownit)-Quarz aufweist. In direkt benachbarten, teilweise almandinführenden Biotit-Quarz-Plagioklas-Schiefern liegt die Plagioklaszusammensetzung zwischen saurem Andesin und Bytownit. Dieser Plagioklas hat sehr häufig inversen Zonenbau. Das wird gedeutet als das Resultat von langsamer, auf einige Zentimeter beschränkter Diffusion von Anorthitbausteinen von dem benachbarten kalkreicheren Gestein in den Schiefer. Örtlich fehlt das Band von Paraamphibolit, und Diopsid und Biotit kommen in der Grenzlage zusammen vor. Diese örtliche Paragenese erinnert an Pyroxenhornfelsfazies, aber Nachbargesteine haben Mineralgesellschaften der Amphibolitfazies.

Ein Teil der diopsidführenden Kalksilikatgesteine der Zone 1 zeigen den Beginn rückschreitender Metamorphose unter den Bedingungen der Zone 2 und 3, wobei das Paar Wollastonit-Anorthit (Bytownit) in Grossular umgewandelt wird, der die beiden älteren Minerale „parasitisch” überwuchert. Diaphthorese unterhalb der Untergrenze von Zone 3 weist örtlich die Paragenese Zoisit-Labrador-Grossular auf. Kalkreicher Skapolit kommt in manchen der hochgradigen Kalksilikatgesteine vor, aber er ist diaphthoritischen Ursprungs. Er hat sich auf Kosten von Anorthit (Bytownit) und örtlich auch von Orthoklas gebildet.

Höhermittelstufige Kalksilikatglimmerschiefer enthalten kalkreichen Skapolit in Gleichgewicht mit Andesin und Zoisit, zusammen mit Kalzit, Quarz, gelegentlichem Epidot, Biotit, Muskowit und Granat. Der Plagioklas hat sehr häufig Zonenbau, wobei inverse Zonen von normalen Zonen abgelöst werden. Diese Zonenfolge wird als ein Dokument der Temperatur-veränderung während der Metamorphose gedeutet (erst steigende, dann fallende Temperaturen). Vergesellschaftete nichtkalkige Glimmerschiefer, die oft Disthen und Almandin führen, enthalten einen saureren Plagioklas ohne Zonenbau. Benachbarte Granatamphibolite enthalten Andesin und Zoisit oder Epidot, örtlich auch Diopsid.

Zum Schluß werden die physikalischen Bedingungen, unter denen die hochgradigen Kalksilikatgesteine kristallisierten, im Lichte von experimentellen Daten erörtert. Ferner wird die metamorphe Fazies der verschiedenen in dieser Arbeit beschriebenen Gesteine behandelt.

Abstract

Progressive regional metamorphism and granitization of a dominantly pelitic sequence was essentially isobaric and proceeded on a level of rather high P within the field of amphibolite facies. The transition from kyanite to sillimanite zone does not coincide with the boundary between medium- and high-grade rocks but is displaced toward higher T. Many of the Al-Si-rich high-grade rocks carry stable muscovite. Staurolite, andalusite, and cordierite are characteristically absent. Green hornblende occurs throughout the high-grade zone in rocks of appropriate composition.

Calcareous intercalations permit recognition of three distinct zones of high-grade metamorphism. They, and the reactions defining their boundaries, are

• 1. „Wollastonite-anorthite zone”; highest grade attained a) Ca₃Al₂Si₃O₁₂ + SiO₂ ⇌ 2 CaSiO₃ + CaAl₂Si₂O₈

• 2. „Wollastonite-grossularite zone” b) CaCO₃ + SiO₂ ⇌ CaSiO₃ + CO₂ ↑

• 3. „Calcite -quartz-grossularite (bytownite) zone” (lower limit defined by lower limit of bytownite).

Reaction (b) is sensitive to P_CO2. It is suggested that most of the rocks, especially those with excess silica, were open systems for CO₂, so that P_CO2≪ P_total. Locally, as in some tight marbles, CO₂ was retained, and the wollastonite reaction was arrested or altogether prevented, in zone (2) and even in zone (1). Reaction (a), involving no gas phase, is dependent only on P, T. Under the prevailing high pressures, the temperatures required to make reaction (a) proceed to the right, must have been rather high.

Quartz-excess and calcite-excess, diopside-bearing assemblages of the three zones are described. Associated K-feldspar is orthoclase with very small — 2V. Metamorphism of argillaceous dolomitic limestones illustrates the principle of preferential decarbonation of Mg. Assemblages include (omitting dominant calcite) : forsterite-spinel-phlogopite, found only in zone (1) ; phlogopite-diopside-(tremolite); diopside-(tremolite)-orthoclase; diopside-(tremolite)-anorthite-(orthoclase); diopside-wollastonite-grossularite (zone 2); diopside-grossularite-quartz (zone 3).

Relations of mineral assemblages found in the three talc-silicate zones to bulk compositions are discussed. Boundary layers between diopsidic tale-silicate rocks and associated pelitic schists are described. As a rule, a thin band of para-amphibolite is developed at the contact, characterized by the garnet-free assemblage, green hornblende-anorthite (bytownite)-quartz. In adjacent, partly almandine-bearing biotite-quartz-plagioclase schists, plagioclase ranges from sodic andesine to bytownite. Widespread reverse zoning of this plagioclase is attributed to slow, short-range (a few centimeters) diffusion of anorthite-building substance from the adjacent Ca-richer rock into the schist. Locally, the amphibolite band is lacking, and diopside and biotite mingle in the boundary layer. Although this local association recalls pyroxene hornfels facies, nearby rocks have amphibolite facies mineralogy.

Part of the diopsidic tale-silicate rocks of zone (1) show incipient retrogression under conditions of zone (2) or (3), the pair, wollastonite-anorthite (bytownite), being “parasitically” replaced by grossularite. Retrogression below the limits of zone (3) locally displays the assemblage, zoisite-labradorite-grossularite. Calcic scapolite found in some of the high-grade tale-silicate rocks is retrogressive, replacing anorthite (bytownite).

Cale-silicate mica schists of higher-medium grade carry mutually stable calcic scapolite, andesine and zoisite, associated with calcite, quartz, local epidote, biotite, muscovite, and garnet. Much of their plagioclase is zoned. Reverse followed by normal zoning is interpreted as a record of the thermal history of metamorphism. Associated non-calcareous mica schists, commonly with almandine and kyanite, carry more sodic plagioclase which is unzoned. Garnet amphibolites of this zone have andesine plus zoisite or epidote, and some contain diopside.

Physical conditions of the metamorphism of the high-grade tale-silicate rocks are discussed further, in the light of available experimental data.