Der Gesteinskreislauf: Geologie, Bildung & Umwandlung von Gesteinen

Geologie: Die Wissenschaft von der Erde

Geologie ist die Wissenschaft von der Erde als Ganzes. Sie beschreibt die Materialien, aus denen die Erde besteht, erforscht ihre Geschichte und Entwicklung und versucht, die Ursachen endogener und exogener Phänomene zu verstehen.

Der Kreislauf der Gesteine

Der Gesteinskreislauf beschreibt, wie Gesteine über geologische Zeiträume hinweg umgewandelt werden. Magma bildet magmatische Gesteine. Diese können durch Verwitterung und Erosion zu Sedimenten werden, die sich zu Sedimentgesteinen verfestigen. Sowohl magmatische als auch sedimentäre Gesteine können unter bestimmten Bedingungen zu metamorphen Gesteinen umgewandelt werden. Metamorphe Gesteine können wiederum schmelzen und neues Magma bilden.

Was ist Magma?

Magma ist eine glühende Flüssigkeit, die hauptsächlich aus geschmolzenen Silikaten und Oxiden besteht.

Kristallisation von Mineralien

Bei der Abkühlung von Magma bilden sich winzige feste Mineralien, die zu kristallinen Körpern heranwachsen. Diese zeichnen sich durch regelmäßige räumliche Formen und chemisch homogenes Material aus.

Bildung magmatischer Gesteine

Magmatische Gesteine entstehen durch die Abkühlung und Erstarrung von Magma. Auf der Erde gibt es zwei Hauptumgebungen für die Bildung magmatischer Gesteine: die ozeanische und die kontinentale Kruste.

• In der ozeanischen Umgebung sind diese Gesteine oft reich an ferromagnesischen Mineralien und werden als basische oder ultrabasische Gesteine bezeichnet.
• Im kontinentalen Umfeld sind sie hingegen reich an Silizium und Aluminium und werden als saure Gesteine klassifiziert.

Diese Bezeichnungen beziehen sich auf die chemische Zusammensetzung der Gesteine. Je nach Bildungstiefe unterscheidet man:

• Plutonite: Entstehen, wenn Magma tief in der Erdkruste abkühlt.
• Vulkanite: Bilden sich, wenn Magma (Lava) an der Erdoberfläche abkühlt.

Verwitterung, Erosion und Transport

Sedimente entstehen durch Verwitterung, Erosion und Transport von Materialien, die die Erdkruste bilden.

• Verwitterung: Als Voraussetzung für Erosion und Transport ist Verwitterung die physikalische und chemische Veränderung von Gesteinsmaterial, das Luft, Feuchtigkeit oder organischen Stoffen ausgesetzt ist. Man unterscheidet zwei Hauptarten:

  • Mechanische Verwitterung: Bezieht sich auf den physikalischen Zerfall von Materialien.
  • Chemische Verwitterung: Bezieht sich auf die chemische Zersetzung.

  Es gibt auch andere Prozesse, die Gesteine verändern, aber nicht primär zur Verwitterung zählen, wie tektonische Prozesse und hydrothermale Alteration, die beispielsweise im Anden-Umfeld von Bedeutung sind.

• Produkte der Verwitterung sind unter anderem Kies, Sand, Schluff, Ton sowie kieselsäurehaltige, karbonatische und eisenhaltige Lösungen.

• Erosion: Ist der Prozess der Ablösung und des Abtrags von verwitterten Gesteinseinheiten durch Medien wie Eis, Wasser und Wind. Auch die Schwerkraft spielt eine Rolle.

Was sind Sedimente?

Sedimente sind Gesteinsmaterialien, organische Reste, Chemikalien und andere Stoffe, die sich aufgrund von Verwitterung und Gesteinsveränderung ansammeln. Sie können auch durch die Ausfällung gelöster Bestandteile in der Hydrosphäre oder die Akkumulation organischer Substanzen in kontinentalen oder marinen Umgebungen entstehen.

Diagenese und Verfestigung von Sedimenten

Wenn Sedimente begraben werden, finden chemische und physikalische Prozesse statt, die zu erheblichen Veränderungen des ursprünglichen Materials führen können. Der Begriff Diagenese umfasst alle diese Veränderungen, die bei relativ niedrigen Temperaturen und Drücken in nicht allzu tiefen Bereichen unter der Erdoberfläche auftreten.

Die wichtigsten diagenetischen Prozesse sind:

• Zementierung: Bindung von Partikeln durch ausgefällte Mineralien.
• Kompaktion/Konsolidierung: Verdichtung durch Überlagerungsdruck.
• Trocknung: Verlust von Wasser.
• Kristallisation: Neubildung von Mineralien.

Die auffälligste Auswirkung der Diagenese ist die Umwandlung von losem, ungebundenem Material in ein kompaktes und hartes Gestein. Dieser Aspekt wird auch als Verfestigung bezeichnet. Beispiele hierfür sind die Umwandlung von Sand in Sandstein, Ton in Tonstein (Arcillolita) und Torf in Kohle.

Wichtige Sedimentgesteine

Die wichtigsten Sedimentgesteine, gemessen an ihrer Häufigkeit, sind Schiefer, Sandstein und Kalkstein. Obwohl Sedimentgesteine nur einen geringen Anteil des Gesamtvolumens der Erdkruste ausmachen, sind sie an der Oberfläche sehr verbreitet; etwa drei Viertel der freiliegenden Gesteine sind Sedimentgesteine. Die östliche Kordillere Kolumbiens besteht beispielsweise hauptsächlich aus Sedimentgesteinen.

Metamorphose: Gesteinsumwandlung

Die Metamorphose ist die Umwandlung einer Gesteinsgruppe in eine andere. Dieser Prozess findet unterhalb der Zonen der Sedimentation und Verwitterung statt, aber oberhalb der Schmelzzone oder Magma-Produktion.

Drei Hauptfaktoren beeinflussen die Metamorphose, wobei mindestens zwei davon immer präsent sind:

• Temperatur
• Druck
• Chemisch aktive Fluide

Das Gestein erfährt dabei mechanische, chemische oder chemisch-mechanische Veränderungen, die zu einer Änderung seiner Struktur oder seiner mineralischen Zusammensetzung führen, ohne die allgemeine chemische Zusammensetzung wesentlich zu verändern.