Grundlagen der Geologie: Datierung und Verwitterung

Geologische Zeitrechnung

Die geologische Zeit umfasst den Zeitraum vom Ursprung der Erde bis heute (ca. 4,5 Milliarden Jahre). Geologische Zeit wird in Millionen von Jahren gemessen. Geologen versuchen stets, alle Ereignisse in chronologischer Reihenfolge zu sortieren, wobei sie zwei Methoden anwenden: die absolute und die relative Datierung.

Absolute Datierung

Diese Methode besteht darin, einem Ereignis ein bestimmtes Datum zuzuweisen. Um die absolute Datierung eines Ereignisses durchzuführen, gibt es verschiedene Methoden, wobei die radiometrische Methode am häufigsten verwendet wird. Diese Methode nutzt die Existenz instabiler Atome, die einem radioaktiven Zerfall unterliegen, sodass ein Mutterelement (Isotop) in ein Tochterelement umgewandelt wird. Wenn die Hälfte des Mutterelements zum Tochterelement geworden ist, wird diese Zeitspanne als Halbwertszeit bezeichnet. Durch das Wissen über den Zerfall eines Isotops sowie die Menge des Mutter- und Tochterelements kann ein genaues Datum bestimmt werden. So konnte die Entstehung der Erde auf ca. 4500 Millionen Jahre datiert werden.

Einschränkungen der Methode:

• Sie tritt nur in magmatischen Gesteinen auf.
• Sie dient nur zur Datierung von Gesteinen, die isoliert sind und keine Erosion erlitten haben.
• Die Mengen der radioaktiven Elemente sind oft so klein, dass sie schwer zu messen sind.

Relative Datierung

Hierbei werden Ereignisse in eine chronologische Reihenfolge gebracht, ohne jedoch genaue Daten anzugeben. Verwendete Methoden:

1. Prinzip der Überlagerung von Schichten: In einer Abfolge von Schichten ist eine Schicht moderner (jünger) als die darunterliegende und älter als die darüberliegende. Ebenso ist ein Ereignis jünger als die betroffenen Gesteine und älter als jene, die nicht betroffen sind.
2. Aktualismusprinzip: Nach diesem Prinzip sind die Prozesse, die derzeit auf der Erdoberfläche ablaufen, im Wesentlichen dieselben wie in früheren Zeiten.
3. Leitfossilien-Prinzip: Die Paläontologie ist die Wissenschaft der Fossilien. Fossilien finden sich stets in Sedimentgesteinen. Meist versteinern nur die harten Teile der Lebewesen. Manchmal ist ein Fossil auch nur ein Abdruck oder eine Spur. Fossilien sind sehr nützlich für die relative Datierung und liefern zwei Arten von Informationen:
   • Ökologische Daten: Sie zeigen das Milieu, in dem das Lebewesen existierte und in dem das Gestein gebildet wurde.
   • Zeitliche Informationen: Fossilien verraten die geologische Periode der Gesteinsbildung, da jede fossile Art in einem bestimmten Zeitraum gelebt hat.

Veränderungen der Erde

Die Erde hat sich im Laufe der Geschichte ständig verändert: ihre Oberfläche, die Atmosphäre, das Klima und die Organismen. Diese Änderungen werden durch verschiedene Theorien erklärt:

• Katastrophismus: Veränderungen treten durch Katastrophen großen Ausmaßes ein.
• Gradualismus: Veränderungen erfolgen sehr langsam und langfristig.
• Neokatastrophismus: Veränderungen sind meist langsam, werden aber von abrupten Ereignissen überlagert.

Geologische Zeiteinheiten

Um das Studium zu erleichtern, wird die Erdgeschichte in Phasen unterteilt:

1. Äonen
2. Ären
3. Perioden
4. Epochen
5. Alter

Wir befinden uns derzeit im Äon des Phanerozoikums, in der Ära des Känozoikums und in der Periode des Quartärs. Für die Abgrenzung der Phasen werden folgende Kriterien berücksichtigt:

• Aussterben und Auftreten neuer Arten.
• Große tektonische Ereignisse.
• Wesentliche Klimaänderungen.
• Wesentliche Änderungen des Meeresspiegels.

Verwitterungsprozesse

Verwitterung bezeichnet den Zerfall von Gesteinen durch mechanische, chemische und biologische Einwirkungen. Gesteine, die im Erdinneren bei hohem Druck und hohen Temperaturen entstanden sind, verändern beim Kontakt mit der Atmosphäre ihre physikalischen und chemischen Bedingungen. Dies führt zu einer Zersplitterung in kleinere Teile, die wiederum erodiert werden können.

Chemische Verwitterung

Dies umfasst Prozesse durch Wasser oder atmosphärische Einflüsse wie Sauerstoff und Kohlendioxid. Gesteine zerfallen dabei leicht, da Mineralkörner den Halt verlieren und sich auflösen.

• Auflösung: Moleküle eines Feststoffs werden in einem Lösungsmittel wie Wasser aufgenommen. So lösen sich viele Sedimentgesteine auf; Salze können beim Verdampfen des Wassers wieder ausfallen.
• Hydratation: Wasser wird chemisch mit einer Verbindung kombiniert. Wenn Wassermoleküle in das Kristallgitter des Gesteins eindringen, entsteht Druck, der das Volumen um bis zu 50 % erhöhen kann. Beim Trocknen erfolgt eine Kontraktion, die zum Zerbrechen führt.
• Oxidation: Verursacht durch Sauerstoff, meist in Verbindung mit Wasser. Dabei verliert ein Stoff Elektronen. Gesteinssubstrate in Rot-, Ocker- oder Brauntönen entstehen oft durch die Oxidation von Eisen.
• Hydrolyse: Chemischer Abbau durch Wasser, das selbst in Ionen zerfällt. Diese reagieren mit Mineralien und zerstören deren Kristallgitter. So entstehen beispielsweise Tonminerale.

Mechanische Verwitterung

Gesteine werden durch Frost (Frostsprengung) oder plötzliche Temperaturschwankungen in kleinere Stücke zerbrochen.

Biologische Verwitterung

Lebewesen verwittern Gesteine, beispielsweise können Baumwurzeln mechanischen Druck ausüben.

Erosion und Sedimentation

Erosion ist der Abtrag von Gesteinen durch Wasser, Wind, Eis oder Partikel. Sie ist stets mit dem Transport der abgetragenen Fragmente verbunden.

Erosionsfaktoren

• Wind: Wirkt vor allem in Wüsten und vegetationslosen Gebieten.
• Gletscher: An bestimmte Höhenlagen gebunden.
• Marine Erosion: Wellen erodieren die Küste und schaffen charakteristische Morphologien.
• Fließgewässer: Regenwasser bildet Ströme, die Hänge formen und schließlich in Flüsse münden.
• Hangabtragung: Verlagerung von Verwitterungsprodukten durch Schwerkraft, oft unterstützt durch Regenwasser.

Sedimentation

Erosionsprodukte werden an Orten abgelagert, wo sie begraben werden und sich in Sedimentgesteine umwandeln. Dies geschieht oft in Meeresumgebungen oder Küstennähe. Die Fazies der Sedimente erlaubt es, die ökologischen Eigenschaften des Entstehungsortes zu rekonstruieren. Man unterscheidet kontinentale, Übergangs- und ozeanische Fazies.

Gesteinsklassifikation

• Magmatische Gesteine (Intrusiva/Plutonite): z. B. Granit, Syenit.
• Metamorphe Gesteine:
  • Dynamometamorphose: Tonschiefer, Dachschiefer, kristalliner Gneis.
  • Thermometamorphose: Marmor.