Grundlagen der Geologie: Minerale, Gesteine und Boden

Kristallographie und Mineralbildung

Grundbegriffe der Mineralogie

Kristallhabitus: Beschreibt das makroskopische Erscheinungsbild von Mineralien. Der Habitus wird durch externe Faktoren wie die Umweltbedingungen während der Bildung beeinflusst. Elementarzelle: Sie ist durch einen Quader geprägt, der durch die Position der Atome, Ionen oder Moleküle an bestimmten Orten im Raum definiert wird. Knoten: Bezeichnet die Position der Partikel innerhalb der Elementarzelle.

Prozesse der Mineralbildung

Verfestigung: Geschieht durch das Abkühlen einer Schmelze, wie es beispielsweise bei der Abkühlung von Lava aus einem Vulkan geschieht. Sublimation: Bezieht sich auf die plötzliche Abkühlung eines Gases, wie etwa bei Schwefel aus einer Fumarole. Verwitterung: Diese erfolgt durch die Einwirkung von Wasser, Sauerstoff oder CO₂ aus der Atmosphäre; ein Beispiel ist die Oxidation von Pyrit, die zu Goethit führt. Chemische Ausfällung: Aus einer Lösung, wie sie durch die Verdunstung von Meerwasser entsteht, was zur Kristallisation von Salz führt. Dieser Prozess kann auch durch die Aktivität von Lebewesen induziert werden. Umkristallisation: Dieser Prozess tritt normalerweise auf, wenn Atome eines Kristalls durch andere ersetzt werden, wie beispielsweise beim Ersatz von Calcium durch Magnesium bei der Umwandlung von Calcit in Dolomit.

Wuchsformen von Kristallen

Geode: Kristallbildung im Hohlraum eines Gesteins. Drusen: Kristalle, die in einem kuppelförmigen Gestein wachsen. Rasenartige Aggregate: Die Kristalle sind sehr klein und liegen wie ein Belag oder Fleck auf dem Fels. Dendriten: Miteinander verbundene, verzweigt angeordnete Kristalle.

Magmatismus und Plutonismus

Intrusivkörper und Strukturen

Batholith: Eine große Masse von Plutoniten, die großflächig in Kontakt mit dem Nebengestein steht und in der Regel eine unebene Oberfläche aufweist. Lakkolith: Eine linsenförmige Masse plutonischen Gesteins, die konkordant zum Nebengestein liegt. Er entsteht oft durch die Injektion von Magma zwischen Schichtungs- oder Schieferungsebenen. Dike (Gesteinsgang): Eine diskordante Intrusion, die die vorhandene Gesteinsstruktur unregelmäßig durchschneidet. Sill (Lagergang): Eine tabellarische Form einer Intrusion, die parallel zur Schichtung des umliegenden Gesteins verläuft.

Die Bowen-Reaktionsreihe

Die Bowen-Reaktionsreihe besteht aus zwei Zweigen. Dieser Ansatz beschreibt die Veränderung von Mineralien, die bei der Abkühlung zunehmend komplexer werden. Die Reihe der kontinuierlichen Umsetzung (Anorthit) zeigt Reaktionen mit der Schmelze, die zu mineralischen Unterschieden führen, welche mit bloßem Auge erkennbar sind. Fraktionierte Kristallisation: Tritt ein, wenn die Reaktion unterbrochen wird; dabei trennen sich die feste und die flüssige Phase, woraus unterschiedliche Gesteinstypen entstehen. Magmatische Assimilation: Während des Aufstiegs reagiert die magmatische Flüssigkeit oft mit dem Nebengestein, wodurch das ursprüngliche Magma seine Zusammensetzung verändert.

Vulkanismus

Aufbau und Eruptionsverhalten

Ein Vulkan ist eine Struktur, bei der eine Magmakammer mit der Außenwelt kommuniziert. Die Form ist abhängig von den Eigenschaften des Magmas. Wenn das Magma flüssig ist, können Gase leicht und langsam entweichen, wodurch es keine Explosion gibt. Wenn das Magma zähflüssig ist, können die Gase nicht entweichen, sammeln sich an und üben einen enormen Druck aus. Werden diese Gase plötzlich freigesetzt, kommt es zu Explosionen.

Vulkanische Produkte

• Gase: Hauptsächlich CO₂.
• Flüssigkeiten: Lava fließt die Hänge des Vulkans hinunter und bildet Lavadecken. Sehr saure Lavasorten erstarren schnell. Manchmal bilden sich durch die Fragmentierung beim schnellen Abkühlen grobe Blöcke oder eine säulige Absonderung. Sehr dünnflüssige Lava kann viele Kilometer weit fließen.
• Feststoffe (Pyroklastika): Erstarrte Lava, vulkanische Asche und Staub, Lapilli (Körner bis 65 mm), größere Fragmente (Blöcke) und Bomben sowie große Stücke von mehreren Tonnen Gewicht.

Metamorphose

Umwandlung von Gesteinen

Metamorphose bezeichnet die Gesamtheit der Transformationen, die Gesteine durchlaufen, wenn sie Druck- und Temperaturbedingungen ausgesetzt sind, die sich von denen ihrer Entstehung unterscheiden. Diese Änderungen treten ohne Schmelzen (Fusion) auf. Das Kristallgitter der Minerale wird zerstört und neue Verbindungen mit den gleichen Ionen entstehen, die an die neuen Bedingungen angepasst sind. Dies geschieht oft in Gebieten mit starkem Druck, wie an Plattengrenzen oder in Kontaktbereichen zu magmatischem Material. Gesteine, die durch thermische Metamorphose entstehen, werden auch als Hornfelse oder Cornubianite bezeichnet.

Metamorpher Hof

Metamorpher Hof (Kontakthof): Tritt auf, wenn ein Pluton intrudiert und die Hitze lange speichert. Es entstehen konzentrische Zonen mit abnehmendem Metamorphosegrad, je weiter man sich vom Pluton entfernt.

Sedimentologie

Sedimenttypen

Detritische Sedimente (Trümmergesteine): Bestehen aus festen Partikeln, die einst Teil des Fundaments waren und transportiert wurden. Sie bestehen aus größeren Körnern (Klasten) und einer feineren Matrix dazwischen. Der Zement ist das Material, das durch chemische Ausfällung das Gestein verfestigt. Chemische Sedimente: Entstehen durch chemische Fällung von im Wasser gelösten Ionen. Biochemische Sedimente: Die Fällung wird durch lebende Organismen unterstützt, wie etwa bei Algen, die Karbonate ausfällen. Organische Sedimente: Gebildet durch die Ansammlung organischer Reste, was zur Bildung von Kohle und Erdöl führt.

Schichtungsmerkmale

Strate (Schichten) sind horizontale Ablagerungen von Sedimenten, die in einem definierten Zeitintervall entstanden sind. In einer Abfolge liegt die jeweils jüngere Schicht über der älteren.

• Kreuzschichtung: Die Partikel sind in Form von geneigten Blättern in Bezug auf die Hauptschichtflächen angeordnet.
• Gradierung (Granuloclasificacion): Die Teilchen sind nach Größe geordnet; dies tritt in wässrigen Medien auf, in denen Partikel nach ihrem Gewicht sortiert werden.
• Strömungsmarken: Bilden sich an der Oberfläche, wenn Partikel über noch feuchtes Sediment gezogen werden und Spuren hinterlassen.
• Biogene Strukturen: Entsprechen Fußspuren von Organismen auf schlammigen Oberflächen. Auf der Schichtoberseite erscheinen sie als Abdrücke, an der Unterseite der Folgeschicht als Ausgüsse.
• Trockenrisse: Diese Strukturen entstehen durch Wasserverlust in schlammigen Gebieten. Bei einer Überdeckung können diese Risse versteinern.

Fossilien und Zeitrechnung

Fossilien: Solche, die in großer Fülle und weltweit vorkommen sowie eine schnelle evolutionäre Veränderung erfahren, dienen als Leitfossilien zur Unterscheidung von Zeitabschnitten. Ein Äon ist eine grundlegende chronologische Einheit der Erdgeschichte.

Bodenkunde (Pedologie)

Die Bodenhorizonte

O-Horizont: Die oberste Schicht aus Laub, Zweigen und Pflanzenresten, die sich im Prozess der Zersetzung befinden. Hier entsteht der primäre Humus. A-Horizont: Auch Auswaschungshorizont genannt. Regenwasser wäscht Salze, Tone sowie Eisen- und Aluminiumoxide aus. Er ist durch Humus meist dunkel gefärbt. B-Horizont: Der Anreicherungshorizont, in dem die aus dem A-Horizont ausgewaschenen Minerale und Salze abgelagert werden. Er ist oft rötlich durch Eisenhydroxide gefärbt. C-Horizont: Besteht aus verwitterten Stücken des Muttergesteins, vermischt mit Sand und Lehm. Er entsteht durch mechanische und chemische Verwitterung. Muttergestein (Bedrock): Die unterste Ebene aus unverwittertem, solidem Fels.