Die geologische Entwicklung und Metamorphose im Erzgebirge, Ein Exkursionsführer durch das Erzgebirge

Kerstin Rötzler

doi:10.3897/gs.71.e147496

Research Article

Die geologische Entwicklung und Metamorphose im Erzgebirge, Ein Exkursionsführer durch das Erzgebirge

The Geological Development and Metamorphism of the Erzgebirge An excursion guide across the Erzgebirge

Kerstin Rötzler^‡

‡ Telegrafenberg, Department 4.6, 14473 Potsdam, Germany

Corresponding author: Kerstin Rötzler ( roetzler@gfz.de )

Academic editor: Jan-Michael Lange

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Citation: Rötzler K (2025) Die geologische Entwicklung und Metamorphose im Erzgebirge, Ein Exkursionsführer durch das Erzgebirge. Geologica Saxonica – Journal of Central European Geology 71: 31-59. https://doi.org/10.3897/gs.71.e147496

Zusammenfassung

Der Exkursionsführer gibt am Beispiel von zwölf ausgewählten Aufschlusspunkten einen Überblick zur komplexen Entstehungsgeschichte des Erzgebirgskristallins. Die Zuordnung der geologischen Aufschlusspunkte zur jeweiligen metamorphen Einheit erfolgt durch eine Zusammenführung und Interpretation geochemisch-lithologischer-, petrologischer- und tektonischer Untersuchungsergebnisse und anhand von Altersdaten. An den Aufschlusspunkten werden Vergleiche zu angrenzenden geologischen Einheiten, wie zur Lausitz, zum Frankenberger Zwischengebirge und zum Münchberger Massiv hergestellt. Entlang eines vom Ost- zum mittleren Erzgebirge verlaufenden Profils können vom Liegenden zum Hangenden die folgenden metamorphen Einheiten unterschieden werden: Im Liegenden stehen Gesteine der Gneiss-Amphibolit-Einheit an. Dazu gehören Orthogneise, mit eingeschalteten Amphiboliten und Metagrauwacken, deren Edukte identisch mit Granodioriten und Grauwacken der Lausitz sind. Darüber folgen fünf verschiedene Deckeneinheiten. Diese weisen gleiche lithologisch-geochemische Merkmale auf, die eine Zuordnung zu Sedimentgesteinen und Vulkaniten thüringischer Fazies zulassen. Die Decken lassen sich petrologisch durch ihre unterschiedlichen maximalen Druck- und Temperaturbedingungen voneinander abgrenzen. Die Metamorphite der fünf Hochdruck-Decken unterlagen einer variszischen Subduktion in unterschiedliche Tiefen und stiegen anschließend bis in die mittlere Kruste auf. Die mit dem Aufstieg verbundene Krustenverdickung leitete einen Extensionsprozess ein. Dabei entstand der Kontakt der fünf Deckeneinheiten mit der tiefsten Gneis-Amphibolit-Einheit und der oberen allochthonen Deckeneinheit. Im Tertiär wurde das gesamte Erzgebirgskristallin bruchtektonisch herausgehoben.

Abstract

The field guide gives an overview of the complex history of the formation of the Erzgebirge crystalline on the basis of twelve selected outcrops. The assignment of geological exposures to metamorphic units is based on the combination and interpretation of geochemical, lithological, petrological and tectonic test results and age data. At the exposure points, comparisons are made with neighbouring geological units such as Lusatia, the Frankenberg and the Münchberg Massif. Along a profile running from the eastern to the central Erzgebirge, the following metamorphic units can be distinguished from the footwall to the hanging wall: In the footwall, rocks of the Gneiss-Amphibolite Unit are present. These include orthogneisses with intercalated amphibolites and metagrauwackes, whose ptotoloiths are identical to granodiorites and greywackes from Lausatia. Above these are five different metamorphic units. These have the same lithological-geochemical characteristics, which allow them to be assigned to sedimentary rocks and volcanites of the Thuringian facies. The nappe units can be distinguished petrologically by their different maximum pressure and temperature conditions. The metamorphic rocks of the five high-pressure nappes underwent Variscan subduction to different depths and subsequently rose into the middle crust. The crustal thickening associated with the ascent initiated an extensional process. This brought the five nappes into contact with the deepest Gneiss-Amphibolite Unit and the upper allochthonous nappe unit. In the Tertiary, the entire Erzgebirge crystalline was tectonically uplifted.

Schlüsselworte

Geochemie, Geologisches Modell, Lithologie, Petrologie, Varisziden

Key words

Geochemistry, geological model, lithology, petrology, Variscides

1. Einführung

Das Erzgebirge bildet den Nordwestrand der Böhmischen Masse und befindet sich am Ostrand der Varisziden. Es besteht aus einer Abfolge von NW–SE streichenden Antiklinorien und Synklinorien und metamorphen Einheiten, die sich durch ihre Bildungsbedingungen, durch ihre geochemischen Signaturen und ihre unterschiedlichen Protolith- und Metamorphosealter voneinander abgrenzen lassen. Der Aufbau des Erzgebirges ist sehr komplex. Bis jetzt sind noch nicht alle Fragen zur Untergliederung und zur metamorphen Entwicklung umfassend geklärt. Im Osten grenzt die Elbezone, eine seit dem Unterkarbon aktive Blattverschiebungszone, an das Erzgebirgskristallin. Sie stellt die Grenze von hochruckmetamorphen Einheiten und nur niedrigmetamorphen Phylliten der Elbezone dar. Im Nordwesten folgt auf die hochkristallinen metamorphen Einheiten des Erzgebirges eine nur gering metamorph überprägte Phyllitzone, an die sich in westlicher Fortsetzung der Bergaer Sattel und das Thüringische Schiefergebirge anschließen. Granitkörper, wie der Eibenstocker- und Kirchberger Granit, durchschlagen die höher metamorphen Einheiten und entstanden im Zuge der spätvariszischen, Krustenerwärmung und extensionalen Tektonik, in deren Folge die notwendigen Intrusionsräume geschaffen wurden. Im Zuge der alpidischen Gebirgsbildung fand im Tertiär eine bruchtektonische Heraushebung des Erzgebirges statt. Basalte, wie der Scheibenberg und Phonolithe des Westerzgebirges sind Zeugen einer damit verbundenen weitreichenden vulkanischen Aktivität. Das Erzgebirge ist seit dem Mittelalter für seinen Erzreichtum bekannt. Es zählt zu den ältesten Bergbaugebieten Deutschlands. Der Silberbergbau führte schon 1162 zur Gründung der Bergstadt Freiberg und verhalf ihr zu frühem Reichtum (Stadtgeschichte von Freiberg). Silber, Zinn, Wolfram, Gold, aber auch Lithium und Uran wurden hier abgebaut. Die Quelle dieser Erze sind altpaläozoische Lithologien, die schon während ihrer Sedimentation im Ursprungsgestein und während der Metamorphose diese Elemente anreicherten.

2. Geologische Konzepte

Im Laufe der Geschichte wurden unterschiedliche, z. T. konträre Theorien und geologische Konzepte zur Entstehung des Erzgebirges entwickelt. Sie spiegeln den jeweiligen Kenntnisstand wider, der mit den verfügbaren wissenschaftlichen und technischen Methoden erarbeitet werden konnte. Die Dateninterpretation und die Hypothesen zur geologisch-tektonischen Entwicklung unterlagen zudem konträren Anschauungen, die durch verschiedene Arbeitsgruppen verfolgt wurden.

Auf den ersten Blick scheint vom Westrand zum mittleren Erzgebirge der Metamorphosegrad der Gesteine kontinuierlich anzusteigen. Auf eine Phyllitzone im Westen folgt in östlicher Richtung zunächst eine Glimmerschiefer- und dann eine Gneiszone im zentralen Teil des Erzgebirges. Es entsteht der Anschein eines zwiebelschaligen Aufbaus. Mehreren Deformationsphasen, z. T. liegende und überkippte Faltenstrukturen und späte S-C-Gefüge, weisen auf eine komplexe tektonische Entwicklung hin.

2.1. Geologisches Deckenkonzept von Kossmat

Eine intensive Erforschung des Erzgebirges wurde durch umfangreiche Kartierungsarbeiten in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts erstmals möglich. Die Spezialkartierung von Sachsen durch Sauer, Gäbert oder Beck gab einen detaillierten Überblick zur Verbreitung der unterschiedlichen Metamorphite des Erzgebirges. Kossmat (1916, 1925), der Erfahrungen aus seiner Arbeit an den Universitäten Wien und Graz in den slowenischen Alpen auf die tektonischen und geologischen Gegebenheiten im Erzgebirge übertrug, erkannte erstmals, dass im Erzgebirge, ähnlich wie in den Alpen, eine Stapelung von Decken vorliegt. Als Leiter des Geologischen Landesamtes und Direktor des Geologisch-Paläontologischen-Instituts der Universität Leipzig widmete er sich intensiv der Erforschung des variszischen Gebirges. Scheumann (1932) untermauerte seine Deckentheorie.

2.2. Autochthones Entstehungsmodell

Ein konträres Modell zur Entstehung des Erzgebirges entwarfen Lorenz und Hoth (1964, 1990), Abbildung 1. Sie gingen von einer kontinuierlich ansteigenden Metamorphose mit zunehmenden Bildungsaltern der metamorphen Gesteine vom Westrand zum zentralen Teil des Erzgebirges aus und ordneten die Gesteine stratigraphischen Horizonten zu. Die nach ihrer Meinung jüngsten metamorphen Phyllite ordneten sie in das Silur und Devon ein, während die ältesten Gneise im Zentralteil des Erzgebirges dem Proterozoikum zugeordnet wurden. Daraus entsteht der Anschein einer von West nach Ost kontinuierlich zunehmenden Metamorphose. Darauf aufbauend wurde angenommen, dass auch die Metamorphosealter von West nach Ost kontinuierlich zunehmen. Entsprechend dieser Theorie wurden das westliche und mittlere Erzgebirge in stratigraphische Serien und Folgen untergliedert. Die Unterteilung des Osterzgebirges beruhte auf der Unterscheidung einer unteren und oberen Serie (Hofmann 1974), deren Entwicklung monozyklisch, ohne Diskordanzen und Metamorphosesprünge erfolgt sein soll. Neben sillimanit- und cordieritführenden Gneisen sind auch migmatitische und anatexitische Gneise mit verschiedenen Einschaltungen basischer Boudins in der unteren Serie des Osterzgebirges anzutreffen. Brause und Hirschmann (1964) führten die Entstehung der unteren osterzgebirgischen Serie auf frühpaläozoische Wärmedome zurück, deren Ursprung im Kruste-Mantelbereich gesehen wurde. Die definierte bunte, obere osterzgebirgische Serie enthält neben Glimmerschiefern und Gneisen auch Marmore, Metabasite und Geröllgneise. Der im Mittel- und Osterzgebirge aufgeschlossene Verband aus schwach bis stark texturierten Gneisen wurde als Intrusion von Orthogneisedukten (Rotgneise) in einen existierenden Rahmen von proterozoisch gebildeten Paragneisen (Graugneise) interpretiert (Hoth und Lorenz 1979; Kemnitz 1986; Frischbutter 1988). Bankwitz und Bankwitz (1982) erklärten die tektonische Entwicklung im Erzgebirge mit verschiedenen, aufeinanderfolgenden durch Kompression verursachten Faltungsphasen.

2.3. Aktuelle Konzepte

Seit den 1990-iger Jahren stand das Erzgebirge u. a. durch das Schwerpunktprogramm „Orogene Prozesse, ihre Quantifizierung und Simulation am Beispiel der Varisciden“ erneut im Mittelpunkt petrologischer-, geochemischer- und tektonischer Untersuchungen. Im Ergebnis dieser Forschungsarbeiten entstand ein neues Bild zur Entwicklung des Erzgebirges (Abb. 2). Vor allem im West- und im Zentralteil des Erzgebirges wurden verschiedene Hochdruck- und Ultrahochdruck-Metamorphite identifiziert. Zwischen den metamorphen Hochdruck-Einheiten (HP-Einheiten) wurden beträchtliche Druck- und Temperatursprünge nachgewiesen (Schmädicke 1992, 1995, 1997; Rötzler 1994, 1995; Rötzler et al. 1998; Willner et al. 1998; Schumacher et al.1999; Jouvent et al. 2022; Collett et al. 2017).

Abbildung 1.

Lithostratigraphische Gliederung des Erzgebirges (Lorenz und Hoth 1964).

Figure 1.

lithostratigraphic subdivision of the Erzgebirge (Lorenz and Hoth 1964).

Abbildung 2.

Geologische Karte des Erzgebirges (Rötzler und Plessen 2010).

Figure 2.

Geological map of the Erzgebirge (Rötzler and Plessen 2010).

Darüber hinaus gelang es, lithologisch-geochemisch vergleichbare, sich wiederholende Gesteinsassoziationen paläozoischen Ursprungs diesen HP-Einheiten im West- und mittleren Erzgebirge zuzuordnen (Mingram 1996, 1998). Demnach bestehen mehrere HP-Einheiten jeweils aus Metasedimenten und bimodalen Metavulkaniten, die stratigraphisch definierten Horizonten des Thüringischen Normalprofils des Schwarzburger Sattels zugeordnet werden können. Einige dieser Lithologien sind charakteristisch, z. B. die an der Grenze vom Kambrium zum Ordovizium entstandene, typische Frauenbach-Formation oder die bimodalen Vulkanite mit Basalten, die eine typische MORB-Signatur aufweisen und die typischerweise mit Rhyolithen assoziiert vorkommen. Diese markanten Gesteine lassen sich in unterschiedlich metamorph überprägten Krustenstapeln auf Basis ihrer charakteristischen Chemie eindeutig wiederfinden (Mingram 1998). Im Osterzgebirge stehen darüber hinaus Ortho- und Paragneise an, die lediglich amphibolitfaziell überprägt worden sind (Rötzler 1994; Rötzler und Plessen 2010) und deren Geochemie eher mit Granodioriten und Metagrauwacken der Lausitz korreliert werden kann (Kemnitz 2025).

Umfangreiche Altersdatierungen zur Bestimmung der Eduktalter der Metamorphite des Erzgebirges zeigen im Wesentlichen zwei wichtige Gruppen: Orthogneise, deren Eduktalter 550–530 Ma (Kröner et al. 1995; Kröner und Willner 1998; Tichomirowa 2001, 2002; Mingram und Kröner 2004; Schulz und Krause 2024) beträgt und Orthogneise und Metabasite, die Eduktalter von 500–480 Ma aufweisen. Letztere werden mit einer frühen Riftentwicklung an der Grenze vom Kambrium zum Ordovizium in Verbindung gebracht (Linnemann und Romer 2010). Die Entstehung der mit 550–530 Ma datierten Orthogneise wird durch eine älteren Schmelzbildung über einer proterozoischen Subduktionszone erklärt (Kemnitz 2025).

Zirkonalter von 360, 350 und 340 Ma (Kröner und Mingram 2007; Massonne et al. 2007; Collett et al. 2020; Schmädicke und Will 2023), die an verschiedenen Metamorphiten des Erzgebirges ermittelt wurden, zeigen unterschiedliche Stadien einer karbonischen Subduktion an, während Ar-Ar Abkühlalter an Hellglimmern von ca. 338–332 Ma (Werner et al. 2000) den späten Aufstieg der Metamorphite aus der Subduktionszone und eine Neubildung von Hellglimmern während einer späten Extension widerspiegeln.

Vereinzelt wurden ältere Metamorphosealter von 390–370 Ma ermittelt, deren Einordnung zunächst schwierig schien, die aber mit den Metamorphosealtern der Zwischengebirge (Münchberg, Frankenberg, Wildenfels) korreliert werden können. Die dazugehörigen Metamorphite unterscheiden sich durch ihre chemische Signatur von den hochmaturen metamorphen HP-Einheiten thüringischer Fazies des Erzgebirges und können eher mit der bayerischen Fazies bzw. mit Inselbogensignaturen verglichen werden. Diese Metamorphite gehören also wahrscheinlich zu einer separaten, älteren metamorphen Einheit.

Mit der Kontinent-Kontinent-Kollision verbunden war eine Krustenverdickung, die zusammen mit dem Aufstieg heißer Metamorphite aus der Subduktionszone zu Schmelzbildungen führte. Erst gegen Ende der Extension wurde der Raum für Granitintrusionen frei. Das belegen auch die Datierungen an undeformierten Graniten, deren Bildungsalter im Bereich von 325 bis 318 Ma liegen (Förster und Tischendorf 1994; Tichomirowa et al. 2019).

Der Ursprung für den Erzreichtum liegt in einer extremen Verwitterung an der Grenze vom Kambrium zum Ordovizium, die zur frühen Anreicherung von Elementen wie Zinn, Silber, Gold, Uran oder Lithium in den unterschiedlichen, frühpaläozisch entstandenen Sedimenten führte (Mingram 1998). Romer et al. (2022) wiesen in der Frauenbach-Formation der Granat-Phyllit-Einheit eine Kassiteritbildung schon während der frühen Dehydratationsphase vor 395 Ma nach. Eine weitere Zeitmarke für die Kassiteritbildung setzt ein zweites Altersdatum von 367.8±11 Ma (Romer et al. 2022). Weber et al. (2023) untersuchten die petrologische Entwicklung Sn-führender Phyllite von Beucha und zogen wichtige Schlussfolgerung für die Lagerstättenprospektion. Die gewonnenen Erkenntnisse veranschaulichen, dass in den sedimentären Edukten der heutigen Metamorphite bereits eine Elementanreicherung, z. B. von Sn, W, U, Ag stattfand.

Die tektonische Entwicklung des Erzgebirges kann in mehrere Phasen untergliedert werden. Die ältesten Strukturen (D₁) sind ausschließlich als Mikrofaltung in Mikrogefügen erhalten geblieben. Die Hauptfoliation (D₂) mit mylonitischen bis feinkörnigen Gefügeregelungen folgt einem E–W-Streckungslinear und wird von einem erneuten Mineralwachstum begleitet. Der Übergang in ein typisches S-C-Gefüge (D₃), in dem Quarz, Feldspat und vor allem neu gewachsene Hellglimmer eingeregelt sind, markiert die späte Phase der Extension im Erzgebirge (D₃). Diese wird durch eine Krustenverdickung in Folge des Aufstiegs der HP-Einheiten aus der Subduktionszone ausgelöst und führt in den oberflächennahen Bereichen auch zu passiven Rücküberschiebungen bereits exhumierter, älterer Metamorphite (390–370 Ma). Die in die Rücküberschiebung einbezogenen Kristallinbereiche zeigen Parallelen zu den Zwischengebirgen (Frankenberg, Wildenfels, Münchberg). Abbildung 2 zeigt den prinzipiellen Aufbau der metamorphen Einheiten des Erzgebirges.

3. Untersuchungsmethodik

Die komplexe geologische Entwicklung des Erzgebirges führt dazu, dass eine Zuordnung der Gesteine zu einer der genannten metamorphen Einheiten auf Basis von Geländebefunden schwierig ist. Eine genaue und sichere Zuordnung der Metamorphite zu bereits identifizierten HP-Einheiten erfordert eine kombinierte Auswertung von petrologischen, geochemischen und lithologischen Daten und wird durch den Vergleich mit verfügbaren Altersdaten ergänzt. Nur die Kombination verschiedener Untersuchungsmethoden ermöglicht eine prinzipielle Einordnung in definierte Erzgebirgseinheiten und damit eine Gruppierung und Klassifizierung der Gesteine des Erzgebirges (Tab. 1).

Tabelle 1.

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Klassifizierung und Gruppierung der Metamorphite des Erzgebirges.

Table 1.

Classification and grouping of the metamorphites of the Erzgebirge.

Lithologie/Edukte	Eduktalter (Gruppen)	Gesteinschemie	Mineralchemie/ Metamorphose	Metamorphosealter	Tektonik (variszisch)
Vergleich der HP-Einheiten mit Thüringischer Fazies im Westerzgebirge und Mittleren Erzgebirge (Hochmature Sedimente und bimodale Vulkanite)	480–500 Ma	Gleiche Gesteinschemie der lithologisch wiedererkennbaren Einheiten in Thüringen und im Erzgebirge (Phycoden-, Frauenbach-, Gräfenthal-Formation; bimodale Vulkanite (kambrisch)	Mineralchemie spiegelt Chemie der unterschiedl. Lithologien wider; Durch Ableitung der PT-Pfade der Metamorphose der Gesteinsassoziationen können HP-Einheiten mit unterschiedlichen PT-Maxima unterschieden werden	360–358 Ma (prograde Metamorphose; 340 Ma (P-T-Maxima); 336–332 Ma (Abkühlalter)	Subduktion-Kontinent-Kontinent-Kollission-Krustenverdickung-Extension (Hochdruck-Metamorphose, metamorphe Einheiten gleicher Lithologie mit verschiedenen PT-Maxima)
Vergleich Osterzgebirge mit Lausitzer Granodioriten	550–570 Ma (cadomisch)	Gleiche Gesteinschemie Granodiorite-Lausitz und Metagranodiorite Osterzgebirge	Bestimmung der PT-Maxima für variszische Überprägung der Lausitzer Granodiorite im Erzgebirge möglich	340 Ma (PT-Maximum) 335–332 Ma (Abkühlalter)	Subduktion in geringere Tiefe (Mitteldruck-Metamorphose)
Vergleich von Deckenrelikten im Erzgebirge mit varisz. Zwischengebirgen (Münchberg, Frankenberg, Wildenfels)	480–500 Ma	MORB-Inselbogensignaturen, Grauwacken	Bestimmung der PT-Maxima der Metamorphose	390 Ma (PT-Maximum) 370–320 Ma (Abkühlalter)	Subduktion des Inselbogens (Hochdruck-Metamorphose) Frühere Obduktion im Vgl. zu HP-Einheiten Thüringischer Fazies im Erzgebirge-Rücküberschiebung auf die HP-Einheiten Thüringischer Fazies während der Extension

3.1. Lithologie

Anhand lithologischer, geochemischer und petrologischer Merkmale können die Metasedimente des Erzgebirges sehr gut mit den definierten stratigraphischen Einheiten des Thüringischen Normalprofils des Schwarzburger Sattels (Lützner et al. 1986) verglichen werden.

Geochemische Vergleiche zeigen, dass die feldspatführenden Schiefer der Phycoden-Formation und der Gräfenthal-Formation große Übereinstimmung aufweisen. Die Gräfenthal-Formation unterscheidet sich nur durch mittlere bis hohe C-org-Anteile von der Phycoden-Formation und weist etwas höhere Lithium-Gehalte gegenüber der Phycoden-Formation auf. In den höher metamorphen Einheiten sind Sr und Ca gegenüber der Referenzgruppe der Tonschiefer des Schwarzburger Sattels verarmt (Mingram 1996).

Typisch an der Frauenbach-Formation ist die verwitterungsbedingte Verarmung an Na, Sr, Ca, Li und Ni und eine Anreicherung an großionigen Kationen wie K, Rb, Cs und Ba. Das spricht für eine starke, extreme Verwitterung im Liefergebiet (Mingram 1996). Ein weiteres charakteristisches Merkmal der Frauenbach-Formation sind hohe Sn-, Fe-, Zn-, W- und Sb-Gehalte. Der Mineralbestand dieser extremen Sedimente zeichnet sich insbesondere durch eine Verarmung oder das Fehlen von Plagioklas aus. Eine weitere Besonderheit ist ihr hoher SiO₂- und Al₂O₃- und FeO-Anteil. So sind in den metamorphen Frauenbach-Phylliten ein hoher Quarzanteil sowie viele Quarzmobilisate zu beobachten. In der Granat-Phyllit-Einheit tritt erstmals Chloritoid als Al-reiches Mineral auf. Die Glimmerschiefer der Frauenbach-Formation zeichnen sich durch das Auftreten von hohen Anteilen an Phengit (K), Quarz (Si), Chloritoid (Al, Fe) und almandinreichem (Fe-reichem) Granat aus, in feldspatfreien granat-, disthenführenden Schiefern der Frauenbach-Formation wird Chloritoid durch Disthen (Al) ersetzt. Auch in den disthenführenden Schiefern ist ein almandinreicher Granat (hoher Fe-Anteil) typisch. Dieses Gestein enthält zudem hohe Phengit- und Quarzanteile.

Zu der Gesteinsassoziation der beschriebenen Metasedimente gehören Metarhyolithe und Metabasalte, die ursprünglich durch einen Riftvulkanismus entstanden sind. Riftgebundene Kalke kommen, zu Marmoren überprägt, ebenfalls zusammen mit den Metasedimenten vor. Abbildung 3 zeigt den Vergleich der Metamorphite des Westerzgebirges mit Lithologien des Schwarzburger Sattels. Verglichen wurden die Gräfenthal-, die Phycoden- und Frauenbach-Formation des Thüringischen Normalprofils mit metamorphen Äquivalenten des Erzgebirges. Die Metasedimente der Frauenbach-Formation stechen durch ihre auffallende Geochemie besonders heraus und sind in verschiedenen HP-Einheiten des Westerzgebirges, auch anhand ihres Mineralbestandes, gut identifizierbar (Abb. 4). In untersuchten Bohrprofilen des Erzgebirges kann anhand der Geochemie und des Mineralbestands der unterschiedlichen Gesteine eine eindeutige Zuordnung zu lithologisch definierten Einheiten des Thüringischen Normalprofils erfolgen (Abb. 5). Nur in der UHP-HT-Gneis-Eklogit-Einheit des Erzgebirges funktioniert diese logische Zuordnung so nicht mehr. Diese Einheit unterlag Temperaturen von über 900 °C und somit einer partiellen Schmelzbildung, die natürlich auch mit einer erhöhten Elementmobilisation einhergeht.

Abbildung 3.

Lithologischer Vergleich der Metamorphite des Erzgebirges mit dem Normalprofil des Schwarzburger Sattels in Thüringen.

Figure 3.

Lithological comparison of the metamorphic rocks of the Erzgebirge with the Thuringian normal profile.

Abbildung 4.

Die übereinstimmende Geochemie der Frauenbach-Formation spiegelt sich im Mineralbestand der Phyllite und Glimmerschiefer wider.

Figure 4.

The consistent geochemistry of the Frauenbach Formation is reflected in the mineral composition of the phyllites and mica schists.

Abbildung 5.

Zuordnung der Bohrprofile zu verschiedenen HP-Einheiten des Erzgebirges (Mingram 1996).

Figure 5.

Assignement of drilling profiles to different HP units of The Erzgebirge (Mingram 1996).

3.2. P-T-Entwicklung der Metamorphite des Erzgebirges

Die P-T-Daten der Metamorphite wurden auf Basis petrographischer Auswertungen der Mineralgleichgewichte im Dünnschliff und mit Hilfe konventioneller Geothermobarometrie ermittelt. Die Berechnung von Pseudoschnitten erfolgt unter Verwendung der Gesamtgesteinszusammensetzung von Gesteinen in Mol % und bildet die Grundlage für die Berechnung von Gleichgewichtsbedingungen in einem ausgewählten P-T-Bereich. Unter Anwendung der THERIAK-DOMINO-Software, eine von Capitani entwickelte Programmsammlung zur Berechnung und zum Plotten thermodynamischer Funktionen von Mineralphasen und Mineralzusammensetzungen, können die „Pseudoschnitte“ berechnet und die Stabilitätsbereiche der Mineralphasen in einem Gestein eingegrenzt werden (Abb. 6). Vom West- zum mittleren Erzgebirge wurden bisher sieben metamorphe Einheiten identifiziert (Abb. 7), die sich durch ihre unterschiedlichen Druck- und Temperatur-Maxima voneinander unterscheiden lassen.

Abbildung 6.

Methodik zur Berechnung der P-T-Gleichgewichte in metamorphen Gesteinen des Erzgebirges.

Figure 6.

Methodology for calculating the P-T equilibration in metamorphic rocks of the Erzgebirge.

3.2.1. Gneis-Amphibolit-Einheit (Vergleich mit der Lausitz)

Aufschluss 1 granodioritischer Orthogneis mit Metabasitlinsen

· Am Bahnhof Lauenstein-Osterzgebirge

· Koordinaten: 50°47’11.4”N, 13°48’49.5”E

Im Zentral- und Ostteil des Erzgebirges sind granodioritische Gneise und Metagrauwacken aufgeschlossen, die eine amphibolitfazielle, variszische Überprägung bei 6–8 kbar und 650 °C erfahren haben (Abb. 8). Sie bilden die tiefste aufgeschlossene metamorphe MP-MT-Gneis-Amphibolit-Einheit im Erzgebirge. Die Protolithalter und Geochemie dieser Gneise stimmt mit den Protolithaltern und der Geochemie der Granodiorite und Metagrauwacken der Lausitz gut überein. Während einer ersten Orogenese im Proterozoikum kam es über der cadomischen Subduktionszone bereits zu Schmelzbildungen von Grauwacken und zur Entstehung von Granodioriten. Die Bedingungen der Schmelzbildung lagen bei etwa 880–900 °C und 6 kbar (Abb. 8A). Somit fand die Schmelzbildung der Grauwacken in etwa 18–20 km Tiefe statt. Die Intrusionsalter der Granodiorite liegen im Bereich von 550–520 Ma (Kröner und Willner 1998; Tichomirowa 2002). An einer typischen Lausitzer Grauwacke konnten die Bedingungen der cadomischen Kontaktmetamorphose mit Hilfe der Pseudoschnittmethode und des Programms THERIAK-DOMINO berechnet werden. So kann im Vergleich mit der mikroskopischen Beurteilung der Mineralparagenese an den kontaktmetamorphen Metagrauwacken der Lausitz gezeigt werden, dass die Platznahme der Granodiorite in 6–9 km Tiefe erfolgte und die Grauwacken als Rahmengestein der intrudierten Granodiorite bei 2–3 kbar, 620–700 °C kontaktmetamorph überprägt wurden (Abb. 8B).

Ein Teil der Lausitzer Granodiorite und Grauwacken wurde als allochthone Einheit in die spätere variszische Orogenese des Erzgebirges einbezogen und unterlag dabei einer amphibolitfaziellen Metamorphose (Abb. 8C). Die so gebildeten Gneisdome und ein Teil ihrer Rahmengesteine stehen heute im Erzgebirge als tiefste metamorphe Einheit (z. B. Freiberg, Glashütte-Lauenstein) an.

Die ältesten Ortho- und Paragneise des Erzgebirges sind vorwiegend im Ost- und mittleren Erzgebirge verbreitet, aber auch der Augengneis von Bärenstein im Westerzgebirge weist Bildungsalter von 550 Ma auf. Granodioritische Gneise des Osterzgebirges stehen am Bahnhof Lauenstein an (Abb. 9). Ihre Geochemie stimmt mit der Geochemie der benachbarten, nicht metamorph überprägten Granodiorite der Lausitz gut überein. Die Mineralchemie und Ergebnisse der konventionellen Thermobarometrie der Orthogneise und Amphibolite zeigt Abbildung 10.

Abbildung 7.

Bisher identifizierte metamorphe Einheiten des Erzgebirges.

Figure 7.

Overview of the metamorphic units identified so far in the Erzgebirge.

Abbildung 8.

Pseudoschnittdiagramme (THERIAK DOMINO) zur Berechnung der Mineralstabilitätsbedingungen. A Granodiorit-Intrusionstiefe; B Kontaktmetamorphose der Grauwacken; C Variszische Metamorphose der Granodiorite.

Figure 8.

Pseudo-section diagrams (THERIAK DOMINO) for calculating mineral stability conditions. A Granodiorite intrusion depth; B Contact metamorphism of greywackes; C Variscan metamorphism of granodiorites.

Abbildung 9.

Aufschluss 1 am Bahnhof Lauenstein: Granodioritischer Gneis mit Amphibolitlinsen der MP-MT Gneis-Amphibolit-Einheit.

Figure 9.

Outcrop 1 at the train station: Granodioritic gneiss with amphibolite lenses of the MP-MT Gneiss-Amphibolite Unit.

Abbildung 10.

P-T-Daten der Orthogneise und Amphibolite.

Figure 10.

P-T conditions of the orthogneisses and amphibolites.

Zum Osterzgebirge zählen vor allem die markanten Gneisdome, beispielsweise der Freiberger Gneis und die granodiritischen Gneise von Lauenstein und Glashütte. Die Gneisdome enthalten Amphibolitlinsen. Die Gneise weisen z. T. migmatische Gefüge auf. Auch im Osterzgebirge blieben Relikte der HP-Decken erhalten. Dazu gehören u. a. Eklogite und Orthogneise, die bei Schmiedeberg, im Tal der Wilden Weißeritz anstehen oder die Phyllite und Glimmerschiefer von Rehefeld. Im Ergebnis der Heraushebung des Erzgebirgskristallins im Tertiär, die nicht gleichmäßig erfolgte, sind heute die geologisch tiefsten Einheiten des Erzgebirgskristallins freigelegt.

Im Ergebnis umfangreicher Zirkon-Altersdatierungen an Gneisen des Erzgebirges konnte Tichomirowa (2002) zeigen, dass die Eduktalter der untersuchten Gneise in drei Alterscluster fallen:

a) 575 Ma

b) 540–530 Ma

c) 500–470 Ma.

Gneise der MP-MT-Gneis-Amphibolit-Einheit können in die Gruppen a und b eingeordnet werden. Der Gneiskomplex von Katharinaberg-Reitzenhain wurde von Rötzler (1995) ebenfalls diesen Gruppen zugeordnet. Tichomirowa (2002) wies allerdings nach, dass die Zirkonalter in dieser Struktur mit 500–470 Ma jünger sind und dieser Gneiskomplex auf Grund der jüngeren Protolithalter der Gruppe c zugeordnet werden muss. Der Gneiskomplex von Katharinaberg-Reitzenhain gehört demnach nicht zur MP-MT-Einheit.

3.2.2. UHP-HT-Gneis-Eklogit-Einheit

Aufschluss 9

Granatpyroxenit im Kontakt mit Eklogit und Metarhyolith

· Steinbruch Zöblitz

· Koordinaten: 50°39’25.2”N, 13°14’24.0”E

· Gesteine: Orthogneis (Metarhyolith), Eklogit, Granatpyroxenit

· Verbreitung der Metamorphite der UHP-HT Einheit: Flöha Zone, Saidenbachtalsperre bei Forchheim, Zöblitz, Ansprung

Im Zentralteil des Erzgebirges sind die am tiefsten subduzierten Metamorphite aufgeschlossen. In einer N–S-streichenden Zone (Flöha-Zone) befinden sich Aufschlüsse der UHP-HT-Gneis-Eklogit-Einheit, z. B. im Gebiet der Saidenbachtalsperre, bei Zöblitz, und Ansprung. Eklogite und Granatpyroxenite kommen assoziiert mit Metarhyolithen, granat- disthenführenden Gneisen und granat- disthen- und graphit-, diamantführenden Gneisen vor. Neben den Diamantfunden ist der Serpentinitsteinbruch von Zöblitz, in dem bis heute Granatpyroxenit abgebaut wird, berühmt und weltweit bekannt. Unweit von Zöblitz sind auf einer Anhöhe bei Ansprung Eklogite, quarzitische, feinkörnige bis mylonitische Gneise und Metarhyolithe aufgeschlossen. (Abb. 11). Während in den diamantführenden Paragneisen (Abb. 12) an der Saidenbachtalsperre Ultrahochdruckbedingungen von bis zu 40 kbar und Temperaturen über 900 °C durch Massonne et al. (2007) nachgewiesen wurden, haben Schmädicke und Evans (1997) in Granatpyroxeniten und Eklogiten von Zöblitz maximale P-T-Bedingungen von 32 kbar und 920 °C bestimmt (Tab. 2). Besonders die sauren Gneise der bunten Gesteinsassoziation unterlagen unter diesen Bedingungen einer teilweisen Schmelzbildung während der Subduktion und kristallisierten unter UHP-Bedingungen erneut aus der Schmelze aus. Sie bildeten beim Aufstieg aus der Subduktionszone ihr metamorphes Gefüge. Die partielle Schmelzbildung verursachte eine Elementmobilisation, so dass in der tiefsten Einheit die chemisch-lithologische Korrelation der Metasedimente mit Lithologien des Schwarzburger Sattels in Thüringen nicht mehr möglich ist. Zur UHP-HT-Einheit gehören Granatpyroxenite, Eklogite, Orthogneise, Paragneise und graphit- und diamantführende Gneise. Dünnschliffbilder des Mineralbestands, des Mikrogefüges und eine typische Granatzonierung aus einem Metasedimentgestein und einem Orthogneis der UHP-HT-Einheit zeigt Abbildung 13.

Abbildung 11.

Aufschluss 9: Granatpyroxenit-Steinbruch Zöblitz; Aufschluss 10: Eklogit, Orthogneis und mylonitischer Paragneis-Steinbruch Ansprung.

Figure 11.

Outcrop 9: Zöblitz garnet pyroxenite quarry; outcrop 10: Eclogite, orthogneiss and mylonitic paragneiss Ansprung quarry.

Abbildung 12.

Mikrodiamanteinschlüsse im Granat des Saidenbachites (Foto: Martin Keseberg, TU Freiberg)

Figure 12.

Microdiamond inclusions in Saidenbachite garnet (Photo: Martin Keseberg, TU Freiberg)

Abbildung 13.

A Dünnschliffbild eines Paragneises von Zöblitz (Vergrößerung 25-fach); B Gefügebild eines Orthogneises von Zöblitz (Vergrößerung 25×); C Phengit mit braunen Biotitsäumen aus einem Orthogneis von Zöblitz (Vergrößerung 50×); D Granatzonierung in einem Paragneis von Zöblitz.

Figure 13.

A Thin section image of a paragneiss from Zöblitz (magnification 25×); B micrograph of an orthogneiss from Zöblitz (magnification 25×); C phengite with brown biotite fringes from an orthogneiss from Zöblitz, (magnification 50×); D garnet zoning in a paragneiss from Zöblitz.

Tabelle 2.

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Ergebnisse der konventionellen Geothermobarometrie (Schmädicke und Evans 1997).

Table 2.

Results of conventional geothermobarometry (Schmädicke and Evans 1997).

Mineralbestand
Eklogit	Grt-Omp I-Amp I-Qz-Ph-Ky-Omp II-Amp II-Pl-Bt-Zo-Ap-Zrn
Granatpyroxenit	Cpx-Opx-Grt-Amp-Bt-Pl-Rt-Ilm
Granatperidotit	Cpx-Opx-Ol-Grt-Amp-Bt-Rt-Ilm-Chl
P-T-Daten
Eklogit	Stadium 1: 28–30 kbar, 850–930 °C, Stadium 2: 15 kbar, 800 °C
Granatpyroxenit	Stadium 1: 30–35 kbar, 850–930 °C, Stadium 2: 18–26 kbar, 800 °C
Geothermobarometrie	Berman (1988), Powell und Holland (1988), Holland und Powell (1990)

Die Untersuchung mikrodiamantführender Metasedimente im Saidenbachit durch Massonne (2003) hat gezeigt, dass Mikrodiamant in Granat und Zirkon eingeschlossen wurde. Die Bildung der Zirkone erfolgte aus einer partiellen Schmelze in bis zu 200 km Tiefe (Massonne 2003). Schmädicke und Evans (1997) leiteten die P-T Daten mit Hilfe der konventionellen Geothermobarometrie an Eklogiten, Granatpyroxeniten und einem Granatperidotit von Zöblitz ab. Einschlüsse von Spinell in Granat und die Reaktion Opx+Cpx+Sp = Grt+Fo(+Am) weisen auf einen Druckanstieg bei der Subduktion hin, so dass davon ausgegangen werden kann, dass die Granatpyroxentite zunächst in das kambro-ordovizische Rift intrudiert sind und bei der variszischen Metamorphose in die Subduktion einbezogen wurden. Die maximal erreichten P-T-Bedingungen der Eklogite und Granat-Pyroxenite liegen bei ca. 32 kbar und <900 °C. Die diamantführenden Metasedimenten unterlagen noch etwas höheren Bildungsdrücken. Zirkonalter von 340 Ma in den Metasedimenten und Metarhyolithen können durch ein Zirkonwachstum aus der Schmelze in der Nähe des tiefsten Punkts der Subduktion erklärt werden (Massonne 2003). Alter von 350 Ma, die an Zirkonen aus Eklogiten datiert wurden (Schmädicke und Will 2023), lassen sich auf ein fluidbedingtes Wachstum von Zirkon in der frühen Phase der Subduktion zurückführen. Die Funde von Mikrodiamant in Paragneisen und von Coesit in umgebenden Gneisen an der Saidenbachtalsperre belegen, dass ein Teil der Erzgebirgsmetamorphite Ultrahochdruckbedingungen während der variszischen Metamorphose ausgesetzt waren. Weltweit gibt es nur eine Handvoll vergleichbarer Kristallingebiete. Vorkommen in Kasachstan oder im Tian Shan gehören dazu. Auch in diesen Kristallingebieten konnte Mikrodiamant in Metamorphiten nachgewiesen werden.

3.2.3. HP-HT-Gneis-Eklogit-Einheit

Aufschluss 5

granat-, disthenführende Schiefer, anstehende Felsen im Wald, Lesesteinvorkommen von Eklogit, Metarhyolith und Augengneis

· Sportplatz Kühberg

· Koordinaten: 50°38’34.8”N, 13°14’49.2”E

Aufschluss 8

plattiger Metarhyolith, anstehend an Felswand

· Hammerwerk Schmalzgrube

· Koordinaten: 50°31’33.6”N, 13°08’02.4”E

In einer im Westen an die UHP-HT-Gneis-Eklogit-Einheit anschließenden N–S-verlaufenden Zone ist die HP-HT-Gneis-Eklogit-Einheit aufgeschlossen. Auch in dieser Einheit findet sich die bunte Gesteinsassoziation thüringischer Fazies wieder. In den Aufschlüssen sind Eklogite, Metarhyolithe (ehemalige bimodale Vulkanite) assoziiert mit feldspatfreien, granat- disthenführenden Schiefern (Frauenbach-Formation), mit feldspat-, granat und disthenführenden Schiefern (Phycoden-Formation) und graphit-, granat- und disthenführenden Schiefern (Gräfenthal-Formation) aufgeschlossen. Zu dieser Zone gehören auch Granatpyroxenite mit Hydrogrossular, deren Entstehung noch nicht vollständig geklärt ist. Sie kommen assoziiert mit Magnetit vor, der z. B. in Niederschmiedeberg als Eisen-Lagerstätte abgebaut wurde. Diese Granatpyroxenite wurden früher als Skarne angesehen. Niedrige O-Isotopenwerte der Minerale Granat, Klinopyroxen und des Gesamtgesteins von etwa ð¹⁸ O 3,4 ‰ deuten darauf hin, dass die Protolithe Mantelgesteine waren und lassen die Hypothese zu, dass im Kontakt mit Meerwasser eine metasomatische, hydrothermale Überprägung der basischen Vulkanite stattgefunden hat. Das würde dafürsprechen, dass Mafite und Ultramafite bereits im kambro-ordovizischen Rift assoziiert und dort einer hydrothermalen Überprägung durch Kontakt mit Meerwasser ausgesetzt waren. Anschließend wurden diese Gesteine im Unterkarbon wahrscheinlich in die variszische Orogenese einbezogen und mit den umliegenden Gesteinen gemeinsam subduziert. Im Aufschluss Kühberg (5) stehen granat- disthenführende-, feldspatfreie Glimmerschiefer an. Ihr hoher SiO₂-, Al₂O₃-, FeO- und K₂O-Anteil und ihr geringer Na₂O-Gehalt spiegelt sich auch in der Mineralzusammensetzung wider. Zum Mineralbestand gehören viel Quarz (Si), Hellglimmer (K), Disthen (Al), Almandin (Fe). Plagioklas fehlt auf Grund des geringen Na-Gehalts im Gesamtgestein der Frauenbach-Formation. In der Umgebung von Kühberg, Jöhstadt und Schmalzgrube sind Metarhyolithe, graphitführende granat- und disthenführende Glimmerschiefer, granat-, disthen- und feldspatführende Glimmerschiefer und Eklogite dieser metamorphen Einheit, vorwiegend als Lesesteine, aufgeschlossen (Abb. 14).

Die maximalen P-T-Bedingungen der HP-HT-Gneis-Eklogit-Einheit liegen bei < 26–27 kbar und 620 °C. In einem Eklogit konnte Coesit durch RAMAN-Spektroskopie nachgewiesen werden (unveröffentl. Daten), sodass das P-Maximum im Coesitfeld liegt. Das bedeutet, dass auch in dieser metamorphen Einheit die Drücke noch höher als angenommen waren. Wie in anderen HP-Einheiten der Welt stellt sich auch hier die generelle Frage, ob die sauren und basischen Metamorphite eine gemeinsame Metamorphose bis zum Druck-Peak erlebt haben oder nicht. Die Beweise dafür oder Gegenbeweise lassen sich oft nur auf indirektem Weg erbringen und bis heute gibt es konträre Meinungen dazu.

Abbildung 14.

Links: Aufschluss 5 Kühberg mit anstehenden feldspatfreien, granatführenden Glimmerschiefern; rechts: Aufschluss 8 anstehende Orthogneise (Metarhyolithe) von Schmalzgrube.

Figure 14.

Left: Outcrop 5 Kühberg with feldspar-free, garnet-bearing mica schists; right: outcrop 8 orthogneisses (metarhyolites) from Schmalzgrube.

3.2.4. HP-LT-Glimmerschiefer-Eklogit-Einheit

Aufschluss 4

granat-, chloritoidführender Glimmerschiefer

· Am großen Fuchsstein bei Geyer

· Koordinaten: 50°36’00.0”N, 12°54’14.4”E

Aufschluss 6

Eklogit

· Am Kreuzbrückfels bei Oberwiesenthal

· Koordinaten: 50°27’03.6”N, 12°59’31.2”E

Aufschluss 7

Feldspatfreie, granat-, chloritoidührende Glimmerschiefer (Frauenbach-Formation), granat- und feldspatführende Glimmerschiefer (Phycoden-Formation), graphit-, granat- und feldspatführende Glimmerschiefer (Gräfenthal-Formation), Marmor, Eklogit, Orthogneis

· Steinbruch Hammerunterwiesenthal „Am Stümpelfels“

· Koordinaten: 50°27’03.6”N, 12°59’31.2”E

Im Westen der HP-HT-Gneis-Eklogit-Einheit folgt die HP-LT-Glimmerschiefer-Eklogit-Einheit. Auch diese Einheit weist wieder die typische bunte Gesteinsassoziation thüringischer Fazies auf. Besonders gut aufgeschlossen sind die Metamorphite dieser Einheit im Steinbruch „Am Stümpelfels“. Hier wird noch Marmor abgebaut. Der Marmor grenzt im Steinbruch an Eklogit, Metarhyolith (bimodale Vulkanite), feldspatfreie granat- und chloritoidführende Glimmerschiefer (Frauenbach-Formation), feldspat- granat- und chloritoidführende Glimmerschiefer (Phycoden-Formation) sowie an graphitführende Glimmerschiefer (Gräfenthal-Formation) (Abb. 15). Im Steinbruch sind liegende Falten (D₁/₂) und späte S-C-Gefüge, die die Hauptfoliation schneiden (D₃), gut erkennbar. Die metamorphe Entwicklung dieser Gesteinsassoziation wurde bereits umfangreich untersucht (Schmädicke 1997; Massonne 2001; Gross et al. 2007). Auf der tschechischen Seite des Erzgebirges wurden die metamorphen Druck- und Temperaturbedingungen an Eklogiten dieser Einheit von Klàpovà (1990) ermittelt. Die P-T-Entwicklung der Glimmerschiefer und Gneise haben Rötzler et al. (1998), Schumacher et al. (1999) und Jouvent et al. (2017) untersucht. Die maximalen P-T-Bedingungen lassen sich in den sauren Gesteinen (Glimmerschiefern, Gneisen) schwerer nachweisen als in den Eklogiten, in denen jadeitischer Klinopyroxen erhalten blieb und als Druckindikator dient. Die Dünnschliffbilder zeigen die typischen Gefüge und den Mineralbestand der verschiedenen Glimmerschiefer (Abb. 16). In den feldspatführenden Glimmerschiefern zeigt der Granat typische Zonierungsmuster mit abnehmenden Ca- und Mn-Gehalten und zunehmenden Mg-Gehalten vom Kern zum Rand (Abb. 17). Die maximalen P-T-Bedingungen dieser Einheit liegen bei 22–26 kbar und 500–550 °C. Diesem P-T-Maximum folgt eine isothermale Dekompression durch den Aufstieg der Gesteine aus der Subduktionszone (Tab. 3). Ar-Ar-Abkühlalter von Hellglimmern liegen bei 340 Ma. Diese Alter können mit dem Metamorphose-Peak korreliert werden, da Hellglimmer während der gesamten metamorphen Entwicklung stabil war und die Metamorphosetemperatur nicht weit von der Schließungstemperatur der Hellglimmer abweicht.

Gross et al. (2008) haben im Steinbruch einen Kontakt von Marmor und Eklogit untersucht. Sie konnten an den abgeleiteten P-T-Pfaden und am Elementaustausch zwischen den unterschiedlichen Lithologien nachweisen, dass der Marmor und der Eklogit die gleiche metamorphe Geschichte durchlaufen haben und bereits zusammen subduziert wurden. Das ist ein wichtiges Indiz dafür, dass alle Gesteine der HP-LT-Einheit die gleichen maximalen P-T-Bedingungen erlebt haben.

Abbildung 15.

Aufschluss 7: Steinbruch „Am Stümpelfels“ Hammerunterwiesenthal.

Figure 15.

Outcrop 7: Hammerunterwiesenthal quarry.

Abbildung 16.

Dünnschliffbilder verschiedener Glimmerschiefer der Glimmerschiefer-Eklogit-Einheit.

Figure 16.

Thin section images of various mica schists of the Micaschist-Eclogite Unit.

Abbildung 17.

Granatzonierung und Plagiokalszonierung in feldspat- und granatführenden Glimmerschiefern der Glimmerschiefer-Ekogit-Einheit.

Figure 17.

Garnet and palgioclase zonation in feldspar- and garnet-bearing mica schists of the Micaschist-Eclogite Unit.

Tabelle 3.

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P-T-Entwicklung der Eklogite und Glimmerschiefer (Gross et al. 2008, Schumacher et al. 1999).

Table 3.

P-T development of the eclogites and mica schists (Gross et al. 2008, Schumacher et al. 1999).

Geothermometrie	Stadium 1 (prograd)	Stadium 2 (P-T-Maximum)	Stadium 3 (retrgograd)	Stadium 4 (Extension)
Eklogit	10–12 kbar, 450–500 °C	22–25 kbar, 550–580 °C	6–8 kbar, 500–600 °C	—
Glimmerschiefer	—	22–24 kbar, 500–520 °C	6–8 kbar, 500–580 °C	3–4 kbar, 400–450 °C

3.2.5. MP-MT-Granat-Phyllit-Einheit

Aufschluss 3

Anstehende Quarz-Phyllite und Granat-Phyllite am Straßenrand

· Kreuzung zwischen Grünhain und Elterlein

· Koordinaten: 50°34’52.1”N, 12°49’47.5”E

Im Westen schließt sich an die Glimmerschiefer-Eklogit-Einheit die MP-LT-Granat-Phyllit-Einheit an. In dieser Einheit betrug die erreichte Metamorphosetemperatur nicht mehr als 480 °C und der Maximaldruck, dem die Metamorphite ausgesetzt waren, betrug 8–12 kbar (Rötzler 1996; Schumacher et al. 1998; Jouvent et al. 2022). Typische Aufschlusspunkte, an denen die Phyllite dieser Einheit anstehen, sind Grünhain, Elterlein und Tellerhäuser im Westerzgebirge. Die eingeschalteten Metabasite haben die Eklogitfazies nicht erreicht und liegen als Amphibolite vor. An der Kreuzung Grünhain-Elterlein (Abb. 18) stehen im Wald feldspatfreie, quarzreiche Phyllite (Frauenbach-Formation) und granat-, feldspatführende Phyllite (Phycoden-Formation) an (Aufschlusspunkt 3). Die Phyllite sind z. T. eng gefaltet (D₁) und bilden an den Scheiteln der Faltenschenkel eine jüngere Foliation (D₂) aus. Auch in dieser Einheit können die typischen extensionalen S-C-Gefüge (D₃) beobachtet werden, die die Hauptfoliation in einem flachen Winkel schneiden.

Die P-T-Daten dieser Einheit wurden mit Hilfe konventioneller Thermobarometrie ermittelt (Rötzler 1996; Rötzler et al. 1998; Schumacher et al. 1999). Jouvent et al. (2022) berechneten im tschechischen Teil dieser Einheit die P-T-Daten an Granat-Phylliten mit Hilfe der Pseudoschnittmethode und der Software THERMOCALC 3.40. Die Granatkristalle in den Granat-Phylliten zeigen eine Zonierung mit oszillierenden Elementverteilungen. Das Ca nimmt vom Kern zum Rand ab, am äußersten Rand wächst der idiomorphe Granat noch einmal weiter und der Ca-Gehalt steigt erneut an. Ein ähnliches Muster weist auch die Mn-Zonierung auf. Der Eisengehalt nimmt im Granat vom Kern zum Rand zu, genau wie der Mg-Gehalt (Abb. 19A, B). Granat wurde von Plagioklas überwachsen. Die Albite haben Ca-reichere Oligoklassäume. In Abbildung 19C ist der P-T-Pfad der Granat-Phyllit-Einheit dargestellt (Schumacher et al. 1999). Im Fokus der Studien von Jouvent et al. (2022) standen granatfreie, chloritoidführende Phyllite und granatführende Phyllite, die in der südlichen Verlängerung im tschechischen Teil des Erzgebirges in der Nähe von Zelena Horà aufgeschlossen sind. In diesen Phylliten wurden drei verschiedene Schieferungsflächen unterschieden. S₁ ist nur noch reliktisch als Isoklinalfaltung erhalten geblieben. Die Hauptfoliation, die nach Nordwesten einfällt, bildet S₂. In der Hauptfoliation sind Hellglimmer, Chlorit, Quarz und Chloritoid eingeregelt. Entlang der Faltenachsen von S₂ entsteht eine dritte Schieferung (S₃), die nach Nord-Nordwest einfällt. Die petrologische Entwicklung und die abgeleiteten PT-Pfade dieser Phyllite stimmen im Wesentlichen mit den untersuchten Proben von Schumacher et al. (1999) überein.

Abbildung 18.

Aufschluss 3: Phyllite der Granat-Phyllit-Einheit an der Kreuzung Elterlein-Grünhain.

Figure 18.

Outcrop 3: Phyllites of the Garnet-Phyllite Unit at the Elterlein-Grünhain intersection.

Abbildung 19.

Granatzonierung und aus der Zonierung abgeleiteter P-T-Pfad.

Figure 19.

Garnet zonation and P-T path derived from zonation.

3.2.6. LP-LT-Phyllit-Einheit

Aufschluss 2

Phyllite

· Schieferloch Dreihansen bei Lössnitz

· Koordinaten: 50°36’52.5”N, 12°44’53.3”E

Am SW-Rand des Erzgebirges grenzen grünschieferfaziell überprägte Phyllite der LP-LT-Phyllit-Einheit an die MP-LT-Granat-Phyllit-Einheit. Auch in dieser Einheit ist die bunte Gesteinsassoziation thüringischer Fazies gut aufgeschlossen, mit nur sehr schwach metamorph überprägten feldspatfreien- (Frauenbach-Formation) und feldspatführenden Phylliten (Phycoden-Formation) und mit Einschaltungen von graphitführenden Phylliten (Gräfenthal-Formation). Das ehemalige Schieferloch Dreihansen in Lössnitz (Abb. 20) und der Hasenschwanzbruch von Zwönitz sind typische Vorkommen.

Die Phyllite zeichnen sich durch eine charakteristische Kleinfaltung aus (Abb. 21). Entlang der Faltenschenkel bildet sich eine zweite Schieferung. Der Mineralbestand umfasst im Wesentlichen serizitischen Hellglimmer, Chlorit und rekristallisierten Quarz. Die P-T-Bedingungen der metamorphen Überprägung betragen etwa 400–430 °C und 1–2 kbar. Der Kontakt der Phyllite der LP-LT-Einheit mit den subduzierten Hochdruckeinheiten des Erzgebirges entstand durch eine Blattverschiebung am NW-Rand des Erzgebirges vor der Platznahme der Granite (325–318 Ma). Die Granite sind undeformiert und zeigen keine Anzeichen einer tektonischen Überprägung. Die Granitintrusionen setzen den Schlusspunkt der variszischen Orogenese im Erzgebirge.

Abbildung 20.

Phyllite der Phyllit-Einheit im Aufschluss Dreihansen in Lössnitz.

Figure 20.

Phyllites of the phyllite unit in the Dreihansen outcrop in Lössnitz.

Abbildung 21.

S₁- und S₂-Schieferung im Phyllit.

Figure 21.

S₁- and S₂ foliation in phyllite.

3.2.7. Obere allochthone Deckeneinheit

Aufschluss 11

Kontakt von Gneisen mit Amphibolitlinsen der oberen allochthonen Deckeneinheit und angrenzende Glimmerschiefer der HP-LT-Glimmerschiefer-Eklogit-Einheit

· Steinbruch Drebach am Venusberg

· Koordinaten: 50°41’38.4”N, 12°59’52.8”E

Aufschluss 12

Mylonitzone mit quarzitischem Gneis, Konglomeratgneis und Augengneis (Kemnitz 1987)

· Kunstgraben Mittelsaida

· Koordinaten 50°46’09.3”N, 13°19’04.8”E

An verschiedenen Punkten im Erzgebirge werden die Hochdruckeinheiten und die MP-MT-Gneis-Amphibolit-Einheit des Osterzgebirges von einer oberen allochthonen Deckeneinheit überlagert. Die Gesteine dieser Einheit haben eine andere geochemische Signatur, die eher vergleichbar mit der bayerischen Fazies ist. Die Edukte der Glimmerschiefer und Gneise sind überwiegend Grauwacken mit basischen Einschaltungen (Abb. 22). Die Gesamtgesteinszusammensetzung der Metagrauwacken schwankt etwas, da tonige, schluffige und sandige Lagen wechseln. Der Mineralbestand der Metabasiteinschaltungen am Standort Herold umfasst Plagioklas, Granat, Amphibol, Epidot und Quarz. Die ermittelten P-T-Daten zeigen, dass diese Gesteine die Eklogitfazies nicht erreicht haben. Jadeitischer Klinopyroxen fehlt im Mineralbestand der Amphibolite und Amphibolschiefer. Die Grenze zu den HP-Einheiten thüringischer Fazies bilden oft mylonitische Scherzonen, z. B. am Kunstgraben in Mittelsaida, Aufschlusspunkt 12 (Kemnitz 1987). Am Fuß dieser Scherzone stehen Konglomeratgneise an (Abb. 23). Im Steinbruch Venusberg bei Drebach ist eine steilstehende Mylonitzone mit graphitischen Lagen und steilstehender Verfaltung aufgeschlossen, in die eine etwa 1 m mächtige Zone aus Konglomeratgneisen eingeschaltet ist, die an Zweiglimmergneise und Glimmerschiefer mit eingeschalteten Amphibolitlinsen grenzt. Metamorphosealter an datierten Amphibolen von Thum ergeben 370 Ma (unveröffentl. Daten). An anderen Lokationen wurden Metamorphosealter von 390 Ma datiert (unveröff. Daten). Diese Alter sind identisch mit denen der Zwischengebirge (Münchberg, Wildenfels, Frankenberg). Wahrscheinlich gehörten Gesteine dieser Einheit zu einem Inselbogen (bayerische Fazies) und wurden früher (vor 400–390 Ma) als die HP-Einheiten thüringischer Fazies subduziert. Nach dem Aufstieg aus der Subduktionszone und ihrer Platznahme in höheren Krustenbereichen wurden die bereits exhumierten Metamorphite bayerischer Fazies während der Extensionsphase auf bereits exhumierte HP-Einheiten thüringischer Fazies überschoben (332–325 Ma).

Die Untersuchung dieser Einheit ist noch nicht abgeschlossen. Der Beleg für die Existenz einer oberen allochthonen Einheit müsste durch weitere Altersdatierungen und petrologische sowie tektonische Untersuchungen belegt werden. Auffällig ist, dass mit Glimmerschiefern, Amphiboliten und Zweiglimmergneisen dieser Einheit häufig auch Konglomeratgneise auftreten. Deren geologische Stellung ist bisher noch unklar. Die z. T. stark deformierten Konglomerate sind in eine nur gering metamorph überprägte feinkörnige Matrix eingebettet. Im Zuge der spätvariszischen Extension könnten die Konglomeratgneise zusammen mit Gesteinen der oberen allochthonen Einheit auf die Hochdruckeinheiten des Erzgebirges überschoben worden sein.

Abbildung 22.

Aufschluss 11: Steinbruch Drebach.

Figure 22.

Outcrop 11: Drebach Quarry.

Abbildung 23.

Aufschluss 12: Konglomeratgneis und Orthogneis am Kunstgraben Mittelsaida.

Figure 23.

Outcrop 12: Conglomerate gneiss and orthogneiss at the Middle Saida „Kunstgraben“.

4. P-T-Entwicklung, Edukt- und Metamorphosealter

Die synoptische Zusammenfassung der P-T-Pfade aller bisher identifizierter metamorpher Einheiten im Erzgebirge zeigt Abbildung 24.

Collett et al. (2017) haben Protolithalter, die an verschiedenen Orthogneisen und Metabasiten ermittelt wurden, in einer Übersichtskarte zusammengefasst (Abb. 25). Aus der Übersicht gehen zwei Altersgruppen hervor:

a) 555–537 Ma: subduktionsbedingte Schmelzbildung und Platznahme cadomisch intrudierter Granodiorite und Granite über der proterozoischen Subduktionszone

b) 491–479 Ma: Platznahme von bimodalen Vulkaniten und Intrusivgesteinen während der Kambro-Ordovizischen Riftentwicklung

Während der cadomischen Subduktion kam es am passiven Kontinentalrand (Gondwana) zur Schmelzbildung von Oberkruste (Grauwacken). Die Schmelzen stiegen auf und kristallisierten zu Granodioriten (555–537 Ma) aus (A). Die Chemie der heutigen granodioritischen Gneise des Erzgebirges stimmt mit der Chemie der Granodiorite der Lausitz gut überein.

Zu einer zweiten Altersgruppe (B) gehören bimodale Vulkanite und Intrusiva, die während der Öffnung eines Rifts an der Grenze Kambrium-Ordovizium intrudiert sind (491–479 Ma). Sie bilden zusammen mit den umgebenden hochmaturen Sedimenten die typische bunte Gesteinsassoziation thüringischer Fazies.

Die umfängliche Arbeit von Schulz und Krause (2023) lieferte eine Reihe neuer Monazitalter im Erzgebirge und in angrenzenden variszischen Einheiten, (Abb. 26). Die ermittelten Metamorphosealter aus Metamorphiten der HP-Einheiten des Erzgebirges (thüringische Fazies) sind mit 360 und 333 Ma jünger als Metamorphosealter, die an Metamorphiten der Zwischengebirge datiert wurden (370–390 Ma). Aus den Berechnungen ergeben sich zwei Altersgruppen:

a) Metamorphosealter von 400–370 Ma für Metamorphite bayerischer Fazies der Zwischengebirge

b) Metamorphosealter von 360–333 Ma für die bunten Gesteinsassoziationen der HP-Einheiten thüringischer Fazies.

Die Intrusion der Granite des Erzgebirges erfolgte in einem Zeitfenster von 325 bis 318 Ma. Die Zusammenfassung der Altersdatierungen von Collett et al. (2017) zeigt, dass die Metamorphose der UHP- und HP-Einheiten des Erzgebirges im Zeitraum von 360–330 Ma stattgefunden hat und mit der Intrusion von Graniten zwischen 325–315 Ma endete. Jüngere Alter von 295 Ma sind durch Greisenbildung und metasomatische Überprägung im Kontaktbereich der Granite zu erklären.

Abbildung 24.

P-T-Diagramme aller metamorphen Einheiten im Erzgebirge.

Figure 24.

P-T diagrams of all metamorphic units in the Erzgebirge.

Abbildung 25.

Protolithalter der Metamorphite im Erzgebirge (Collett et al. 2017).

Figure 25.

Compilation of the determined protolith ages in the Erzgebirge (Collett et al. 2017).

Abbildung 26.

Ermittelte Monazitalter im Erzgebirge und in angrenzenden Kristallinen (Schulz und Krause 2023).

Figure 26.

Determined monazite ages in the Erzgebirge and in adjacent crystallines (Schulz and Krause 2023).

5. Ableitung eines geologischen Modells für das Erzgebirge

Die geologische Entwicklung des Erzgebirges kann grundsätzlich in mehrere Phasen untergliedert werden. Sie beginnt bereits mit der cadomischen Orogenese. Mit der Ausbildung einer Subduktionszone und einem Magmatismus über der Subduktionszone entstanden die Vorläufer einer Gruppe granodioritischer Orthogneise des Erzgebirges. Die Grauwacken des passiven Kontinentalrandes von Gondwana unterlagen teilweise einer Schmelzbildung und intrudierten über der Subduktionszone in ein höheres Niveau. Dort kristallisierten sie im Zeitraum von 550–530 Ma zu Granodioriten aus und verursachten in den Rahmengesteinen eine Kontaktmetamorphose. Nach dem Erliegen der Subduktion bildete sich im Back Arc-Bereich zwischen 500–478 Ma erneut ein Rift aus (Abb. 27). In dieses Rift sedimentierten hochmature Sedimente thüringischer Fazies, die sich unter extremen zunächst tropischen, dann ariden Klimabedingungen gebildet haben und in das Rift geschüttet wurden. Es setzte ein Rift-Vulkanismus ein, der auch zur Platznahme der bimodalen Vulkanite führte. Die verschiedenen Ausgangsgesteine, wie die cadomischen Granodiorite und ihre Rahmengesteine, die bunte Serie thüringischer Fazies mit bimodalen Vulkaniten und hochmaturen Sedimenten wurden in eine variszische Orogenese einbezogen. Die cadomisch gebildeten Granodiorite und Grauwacken unterlagen einer variszischen amphibolitfaziellen Metamorphose, während die Gesteine der bunten Serie thüringischer Fazies z. T. einer HP- bis UHP-Metamorphose im Zeitraum zwischen 360–333 Ma unterzogen wurden (Abb. 27). Teile der bereits obduzierten HP-Einheiten bayerischer Fazies (Äquivalente der Zwischengebirge) wurden während der Extension von SE auf die HP-Einheiten thüringischer Fazies rücküberschoben. Abbildung 28 zeigt eine Prinzipskizze der Subduktion der HP-Einheiten des Erzgebirges und die Zuordnung von Metamorphosealtern verschiedener Autoren. Die Abbildung von Collett et al. (2017) wurde entsprechend angepasst.

Die tektonische Entwicklung im Erzgebirge lässt sich in drei wesentliche Phasen unterteilen. Eine ältere Faltung (S₁) ist nur noch im Dünnschliff erkennbar und als Mikrofaltung, beispielsweise eingeschlossen in Granat, erhalten geblieben. Die E-W-Hauptfoliation besitzt eine überwiegend mylonitische Ausprägung, teilweise wachsen in der Hauptfoliation Minerale neu, z. B. Feldspat, Quarz und Glimmer. Die Hauptfoliation wird in einem flachen Winkel durch S₃ geschnitten. S₃ markiert die Extensionsphase, die einer Krustenverdickung im Erzgebirge folgt. In S₃ sind neu gewachsene Hellglimmer und Quarzkristalle eingeregelt. Während der Extension erfolgt die Rücküberschiebung älterer, bereits exhumierter metamorpher Einheiten der oberen allochthonen Deckeneinheit auf die HP-Einheiten des Erzgebirges (Abb. 29).

Abbildung 27.

Geologisches Modell zur Entwicklung des Erzgebirges (aus Collett et al. 2017). a Beginn der cadomischen Subduktion; b Cadomische Subduktion und Vulkanismus über der Subuktionszone; c, d) Kambro-ordivizische Riftentwicklung.

Figure 27.

Geological model for the development of the Erzgebirge (from Collett et al. 2017). a Start of Cadomian subduction; b Cadomian subduction and volcanism above the subduction zone; c, d Development of the Cambro-Ordivian rift.

Abbildung 28.

Subduktionsmodell für die HP-Einheiten des Erzgebirges.

Figure 28.

Subduction model for the Erzgebirge HP units.

Abbildung 29.

Tektonische Entwicklung im Erzgebirge: A Ausbildung der Hauptfoliation bei D2 und anschließende Extension bei D3; B Rücküberschiebung bereits exhumierter, älterer Metamorphite auf die HP-Einheiten des Erzgebirges während der Extension.

Figure 29.

Tectonic development in the Erzgebirge: A Formation of the main foliation at D2 and subsequent extension at D3; B Back-thrusting of already exhumed, older metamorphic rocks onto the HP units of the Erzgebirge during extension.

6. Aufschlusspunkte

Abbildung 30 zeigt die ausgewählten Aufschlusspunkte und ihre Zuordnung zu definierten metamorphen Einheiten des Erzgebirges. Die Stopps wurden so ausgewählt, dass Gesteine aus jeder bisher identifizierten metamorphen Einheit gezeigt werden können. In den Aufschlüssen besteht die Möglichkeit, Hypothesen und noch offene Fragestellungen gemeinsam zu diskutieren.

Abbildung 30.

Übersichtskarte mit allen Aufschlusspunkten.

Figure 30.

Overview map with all exposure points.

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