Gesteinsbildung und Klima der Erdgeschichte

Gesteinsbildung

Gesteine entstehen auf verschiedene Weisen:

• Durch Abkühlung von Magma.
• Durch Zerfall, Transport und Ablagerung von Gesteinsmaterial.
• Durch Ausfällung anorganischer Salze aus Wasser.
• Durch Ablagerung von tierischen und pflanzlichen Resten.
• Durch teilweise oder vollständige Rekristallisation von Mineralien in einem Gestein aufgrund hoher Temperaturen und Drücke.

Magmatische Gesteine

Magmatische Gesteine entstehen durch die Kristallisation von Magma. Je nach Zusammensetzung können sie basisch, sauer oder intermediär sein. Je nachdem, ob die Verfestigung im Erdinneren oder an der Oberfläche stattfindet, unterscheidet man plutonische (intrusive) und vulkanische (extrusive) Gesteine.

Sedimentgesteine

Magmatische Gesteine können durch Verwitterung in kleinere Bruchstücke (Klasten) zerfallen und zu Sedimenten werden. Diese werden transportiert und in einem Becken abgelagert, wo sie durch einen Prozess namens Diagenese (Verfestigung) zu Sedimentgesteinen werden.

Arten der Sedimentbildung

Sedimentgesteine sind typischerweise geschichtet und entstehen auf vier Hauptarten:

1. Klastische Sedimente: Ablagerung von Gesteinsschutt aus dem Zerfall bereits existierender Gesteine. Sand wird zu Sandstein, Schluff zu Schieferton, Kies zu Konglomerat usw.
2. Chemische Sedimente: Ausfällung von anorganischen Salzen aus Wasser. Kalkhaltiges Material wird zu Kalkstein.
3. Biogene Sedimente: Ablagerung von organischem Material (Pflanzen- und Tierreste).
4. Pyroklastische Sedimente: Ablagerung vulkanischer Aschen und Partikel.

Verfestigung (Diagenese)

Die Verfestigung von Sedimenten erfolgt durch folgende Prozesse:

• Kompaktion: Wenn eine Sedimentschicht durch neu abgelagertes Material überdeckt wird, erhöht sich der Druck. Überschüssiges Wasser wird ausgepresst, und die einzelnen Partikel rücken durch das Gewicht der darüberliegenden Sedimente näher zusammen.
• Zementation: Im Grundwasser gelöste mineralische Stoffe werden zwischen den Sedimentkörnern ausgefällt und verkitten diese miteinander. Häufige Zementmaterialien sind Calciumcarbonat (Kalkzement), Kieselsäure (kieseliger Zement) sowie in geringeren Mengen Eisenoxide (eisenhaltiger Zement), Tonminerale und Gips.
• Chemische Veränderungen: Dazu gehören der Abbau organischer Materie (insbesondere unter Beteiligung von Eisenverbindungen) und die Umwandlung von Mineralien.

Metamorphe Gesteine

Sowohl Sediment- als auch magmatische Gesteine können durch hohe Temperaturen und Drücke umgewandelt werden. Dieser Prozess, der ohne vollständiges Aufschmelzen stattfindet und zu deutlichen mineralogischen und strukturellen Veränderungen führt, wird Metamorphose genannt und erzeugt metamorphe Gesteine.

Der Gesteinskreislauf

Schließlich können alle drei Gesteinsarten (magmatische, sedimentäre und metamorphe) unter extremem Druck und hohen Temperaturen aufschmelzen und wieder zu Magma werden, wodurch ein neuer Gesteinskreislauf beginnt.

Erdgeschichte und Klimaentwicklung

Während der 4,6 Milliarden Jahre der Erdgeschichte gab es zahlreiche Ereignisse, von geologischen Katastrophen über Veränderungen der Atmosphärenchemie und des globalen Klimas bis hin zum Erscheinen des Lebens. Heute beträgt die durchschnittliche Oberflächentemperatur der Erde 15°C und befindet sich in einem thermischen Gleichgewicht. Die Untersuchung geologischer und paläontologischer Aufzeichnungen zeigt jedoch, dass das Erdklima im Laufe der Zeit erheblichen Schwankungen unterworfen war.

Frühe Erde und Atmosphäre

Das Klima beeinflusst maßgeblich die Atmosphäre und die Hydrosphäre, deren Zusammensetzung und Eigenschaften sich ebenfalls über die Zeit stark verändert haben. Die Uratmosphäre entstand durch Ausgasung des Planeten und enthielt viel Wasserdampf und CO2; sie war vermutlich reduzierend. Durch Kondensation des Wasserdampfs bildeten sich die Ozeane etwa 100 bis 200 Millionen Jahre nach der Entstehung des Planeten. Vor etwa 3,8 Milliarden Jahren waren die Bedingungen für die Entstehung von Leben auf der Erde gegeben. Die Zusammensetzung der Atmosphäre hat sich seitdem stark verändert. Die CO2-Konzentration sank von anfänglich möglicherweise über 20% auf heute etwa 0,04%. CO2 wurde im Prozess der Kohlenstoffbindung in Karbonatgesteinen (wie Kalkstein) festgelegt. Dadurch verringerte sich der Treibhauseffekt, und die globalen Durchschnittstemperaturen sanken. Gleichzeitig wandelte sich die Atmosphäre von einer anoxischen (sauerstofffreien) zu einer oxidierenden Atmosphäre mit heute etwa 21% Sauerstoff (O2). Dieser Sauerstoff wurde hauptsächlich durch photosynthetisch aktive Lebewesen produziert. Vor etwa 600 Millionen Jahren erreichte die O2-Konzentration Werte, die mit den heutigen vergleichbar sind.

Paläoklimatologie

Die Paläoklimatologie ist die Wissenschaft, die das Klima der Erdgeschichte untersucht. Sie basiert auf der Analyse von Paläoklima-Indikatoren (z.B. Tillite, Sedimentstrukturen).

Eiszeiten und Klimaschwankungen

Die Untersuchung der historischen Daten zeigt, dass das Klima zwischen Extremen schwankte. Während kälterer Perioden (Eiszeiten) bedeckten große Eismassen die Kontinente. In den wärmsten Perioden war der Temperaturgradient zwischen Äquator und Polen fast aufgehoben. Kaltzeiten werden als Glaziale, Warmzeiten als Interglaziale bezeichnet. Mit Ausnahme einer sehr frühen Eiszeit vor etwa 2,5 bis 2,3 Milliarden Jahren traten die meisten bekannten Eiszeiten in den letzten ca. einer Milliarde Jahren auf. Das Fehlen von Eiszeiten in der frühen Erdgeschichte könnte durch den starken Treibhauseffekt aufgrund der hohen CO2-Konzentration erklärt werden. Betrachtet man die Verteilung und Dauer der Klimazustände, scheint ein relativ warmes Klima der Normalzustand zu sein, während Eiszeiten eher Anomalien darstellen. Innerhalb eines Eiszeitalters schwankt das Klima zwischen Perioden maximaler Kälte (Glaziale) und milderen Perioden (Interglaziale). Diese Zyklen dauern typischerweise etwa 100.000 Jahre. Innerhalb dieser Zyklen gibt es kürzere Klimaschwankungen (ca. 1000 Jahre), wie Klimaoptima und Klimakrisen.

Ursachen für Klimaveränderungen

Die wichtigsten Ursachen für Klimaveränderungen sind:

Astronomische Ursachen

• Galaktische Zyklen: Die Bewegung unseres Sonnensystems um das Zentrum der Milchstraße (Zyklus ca. 250 Mio. Jahre) und insbesondere der Durchgang durch die galaktische Ebene könnten die auf die Erde treffende Sonnenenergie durch interstellaren Staub beeinflussen und mit Eiszeiten korrelieren.
• Schwankungen der Sonnenaktivität:
  • Langfristig: Prozesse der Kernfusion in der Sonne führen dazu, dass die abgestrahlte Energiemenge sich über Milliarden Jahre langsam erhöht.
  • Periodisch: Zyklen der Sonnenaktivität, wie der etwa 11-jährige Sonnenfleckenzyklus, könnten kurzfristigere Klimaschwankungen (Klimaoptima/-krisen) beeinflussen.
• Variationen der Erdbahnparameter (Milanković-Zyklen): Änderungen der Exzentrizität der Erdumlaufbahn, der Neigung der Erdachse und der Präzession beeinflussen die Verteilung der Sonneneinstrahlung auf der Erde und gelten als Hauptauslöser für die glazialen/interglazialen Zyklen der letzten Eiszeitalter.