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Kreislauf der Gesteine

Einleitung

Gesteine werden durch geologische Prozesse in andere Gesteine verwandelt. In einer bekannten Zeichnung aus dem Buch "Einführung in die Geologie" (1936) hat der Bonner Geologie-Professor Hans Cloos (1885-1951) diesen Kreislauf der Gesteine veranschaulicht. Die Prozesse können zeitlich nacheinander oder gleichzeitig nebeneinander ablaufen und werden in diesem Blockbild nebeneinander dargestellt. Die Zeichnung wird von links nach rechts "gelesen". Sie entspricht dem geologischen Kenntnisstand von 1936, ist also insofern veraltet, als sie einige wichtige Grundprinzipien der Geologie nicht enthält, vor allem die Plattentektonik. Obwohl in diesem Sinne unvollständig, ist die Zeichnung trotzdem immer noch weitgehend richtig, was die gezeigten Prozesse betrifft.
Kreislauf

 

Erosion Transport Sedimentation Diagenese Faltung Metamorphose Anatexis Plutone Gang Vulkane Zyklen von Sedimentation und Gebirgsbildung

Abb. 1: Der Kreislauf der Gesteine. Zeichnung aus dem Buch "Einführung in die Geologie" von Hans Cloos (1936).
 


Es gibt drei Gruppen von Gesteinen: Sedimentgesteine (Ablagerungsgesteine), magmatische (Erstarrungsgesteine) und metamorphe Gesteine (Umwandlungsgesteine). Die Bildung von Sedimentgesteinen geht in drei Stufen vor sich: Erosion - Transport - Sedimentation.

 

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1. Erosion

Erosion ist die Abtragung von Gestein durch Fließgewässer, Meeresbrandung, Gletscher, Wind usw. Im Blockbild ist links die Erosion eines Hügellandes durch Bäche eingezeichnet. Dazu ein Photo vom Zabriskie Point im Death Valley, dem Tal des Todes in Kalifornien. Es zeigt sandig-tonige Gesteine der Furnace Creek Formation (Pliozän, ca. 3-5 Mio. Jahre alt). Diese sind kaum verfestigt und deshalb leicht erodierbar. Bei den selten auftretenden Regenereignissen hat sich das ablaufende Wasser in den Untergrund eingeschnitten und dabei das zerkleinerte Gesteinsmaterial mitgenommen. Solche Landschaften werden Badlands genannt.

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Abb. 2: Badlands am Zabriskie Point im Death Valley.

 

2. Transport

Der nächste Schritt zum Sedimentgestein ist der Transport. Er kann wiederum auf verschiedene Weise geschehen, durch Fließgewässer, Meeresströmungen, Gletscher, Wind... Im Blockbild geschieht der Transport durch Flüsse. Unser Photo zeigt den Oued N'Fiss in Marokko, einen Fluss, der den Hohen Atlas nach Norden entwässert. Auf dem Bild ist er rot gefärbt. Er kommt nämlich aus einem Teil des Gebirges, der aus roten Sedimentgesteinen der Trias besteht (Becken von Talat n'Yakoub). Dort hat ein Gewitter zur Erosion von rotem Ton und Silt geführt, die nun als Schwebfracht vom Fluss transportiert werden.


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Abb. 3: Der nach einem Gewitter durch Schwebfracht rotgefärbte Oued N'Fiss im Hohen Atlas, Marokko (Peter Lath).

 

3. Sedimentation

Wenn die Transportenergie nicht mehr ausreicht, wird das mitgeführte Material sedimentiert, d.h. abgelagert. Im Blockbild ist Sedimentation in einem Delta einer Flussmündung gezeigt. Deltas entstehen, wo ein Fluss das mitgebrachte Material ins Meer oder in einen See schüttet. Das Foto zeigt ein kleines, aus Kies bestehendes Bachdelta an der Küste der Insel Skye in Schottland.


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Abb. 4:
Bachdelta an der Küste der Insel Skye

 

4. Diagenese, Sedimentbecken

Mit der Zeit entsteht ein Sedimentbecken, in dem viele Sedimentschichten übereinander abgelagert werden. Dadurch wird die einzelne Sedimentlage in immer größere Tiefe versenkt und durch Druck und Temperatur langsam vom Lockermaterial zum festen Gestein umgewandelt. Dies nennt man Diagenese. Hierbei spielen physikalische und chemische Umwandlungsprozesse eine Rolle, z.B. wenn die Zwischenräume zwischen Sandkörnern durch aus der Porenflüssigkeit ausgeschiedene Stoffe zuzementiert werden, wodurch sich Sand in Sandstein verwandelt. Unser Foto zeigt Sedimentgesteinsschichten: eine Wechselfolge von Mergel , Dolomit und Kalkstein der Servino-Formation (Untertrias) in den italienischen Südalpen. Gesteine, die einmal in einem Sedimentbecken gebildet wurden, sind hier durch Hebung und Erosion bei der Bildung der Alpen wieder freigelegt worden. Solche Schichtenfolgen erlauben es, die Umweltbedingungen und ihre Veränderung vor vielen Millionen von Jahren zu rekonstruieren. Sie haben diese wie ein Tonband aufgezeichnet. Sedimentfolgen sind also ein Archiv der Erdgeschichte.

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Abb. 5: Schichten der Servino-Formation in der Nähe des Passo di Croce Domini (Südalpen, Italien)


Wenn Sedimentgesteine aus zerkleinertem Gesteinsmaterial wie Ton, Sand oder Kies zusammengesetzt sind, spricht man von klastischen Sedimentgesteinen. Daneben gibt es auch chemische Sedimentgesteine, wie etwa Steinsalz, das bei der Eindampfung von Meerwasser entsteht, und biogen-chemische Sedimentgesteine, die von Organismen aufgebaut werden, wie zum Bespiel ein Korallen-Kalkstein. Die Felswand auf dem nächsten Bild, die Nordwestwand der Civetta in den Dolomiten, besteht aus Dolomit und Kalkstein der Oberen Trias und des Unteren Jura. Dies sind haupächlich biogen-chemische Sedimentgesteine, die auf einer Karbonatplattform in flachem, warmem Meerwasser entstanden sind. Die ca. 1100 m dicke Schichtfolge entstand innerhalb von etwa zehn Millionen Jahren. Heute finden sehr ähnliche Sedimentationsprozesse auf der Bahama-Bank statt.

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Abb. 6: Luftaufnahme der Civetta-Nordwestwand in den Dolomiten. Deutlich ist die sedimentäre Schichtung im Hauptdolomit (Obertrias) zu sehen, die durch schneebedeckte Felsbänder unterstrichen wird.


Sedimentgesteine sind aufgrund der darin enthaltenen Fossilien auch ein Archiv der Entwicklung des Lebens auf der Erde. Der Ablauf der Evolution wurde von Paläontologen anhand der Fossilien rekonstruiert. Umgekehrt erlauben Fossilien, das relative Alter von Sedimentgesteinen zu ermitteln (Leitfossilien) sowie die Umweltbedingungen näher einzugrenzen, unter denen ein Sediment abgelagert wurde.


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Abb. 7: Abdruck eines Ammoniten der Gattung Arnioceras in einem Sandstein im Pieniny-Klippengürtel der Westkarpaten (Zazriva, Slowakei). Das Leitfossil erlaubt die zeitliche Einstufung in den Lias und zeigt ausserdem, dass dieser Sandstein im Meer abgelagert wurde.


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5. Faltung

Sedimentbecken werden meist mehr oder weniger lange Zeit nach ihrer Bildung von einer Kompressionsphase erfasst, d.h., seitlich zusammengedrückt. Dadurch werden die Schichten gefaltet und die Oberfläche angehoben, sodass ein Gebirge entsteht. Im Blockbild wird das durch den Übergang des ungefalteten Sedimentbeckens nach rechts in ein Faltengebirge illustriert. Diese Kompression steht meist im Zusammenhang mit Prozessen der Plattentektonik, etwa Subduktion oder Kontinentkollision, was aber im Blockbild von Hans Cloos nicht gezeigt ist. Das nächste Foto zeigt eine schrägstehende Schichtfläche mit Dinosaurierspuren in einem Steinbruch im schweizerischen Faltenjura. Dinosaurier der Gattung Brachiosaurus stapften vor etwa 145 Millionen Jahren über eine flache Schlammebene am Rand eines Meeres und hinterliessen ihre Fußabdrücke im Schlamm. Der Schlamm wurde durch Diagenese zum Kalkstein. Dieser wurde ca. 130 Millionen Jahre später, im Zusammenhang mit der Kollision von Afrika und Europa und der Bildung der Alpen, in km-große Falten geworfen. Durch Erosion und Steinabbau wurde die Schichtfläche wieder freigelegt. Die Dinosaurier sind also nicht die schräge Ebene hinaufgeklettert...


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Abb. 8: Dinosaurierspuren auf einer durch die Jura-Faltung steilgestellten Schichtfläche im Steinbruch Lommiswil/Oberdorf bei Solothurn, Faltenjura, Schweiz.


Das nächste Foto zeigt das "Vélodrome d'Esclangon", eine spektakuläre Faltenstruktur in der Nähe von Digne in den französischen Alpen.

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Abb. 9: Das "Vélodrome d'Esclangon" (Radrennbahn von Esclangon) bei Digne in den französischen Westalpen. Sedimentgesteine der Meeresmolasse (Miozän) wurden bei der Bildung der Alpen zu einer großen Falte verbogen.


Die "Radrennbahn" entstand in relativ geringer Tiefe und dementsprechend niedrigem Druck und Temperatur. Bei hohen Temperaturen, also meistens in größerer Tiefe, wird das Gestein weich und es entstehen Falten wie die auf dem nächsten Bild gezeigten von der Insel Syros in der Ägäis, die in ihrem Aussehen an Marmorkuchen erinnern.

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Abb. 10: Falten in Blauschiefer auf Syros (Ägäis)


Schieferung, Lineation

Bei der Faltung entsteht in geeigneten Gesteinen und unter erhöhten Temperaturen ab einer gewissen Tiefe eine Schieferung, d.h. ein durch Verformung verursachtes Flächengefüge. Es stellt die Plättungsebene des verformten Gesteins dar, also die Ebene senkrecht zu der Richtung, in der das Gestein am stärksten verkürzt worden ist. Da sich plattige Mineralkörner wie z.B.Tonminerale und Glimmer parallel zu dieser Ebene einregeln oder in dieser Orientierung wachsen, lässt sich das Gestein in der Regel entlang den Schieferungsflächen spalten. Dachschiefer und Schiefertafeln wurden und werden aus solchen Gesteinen gewonnen. Auch Gneis lässt sich entlang von einem Flächengefüge spalten, das auf die gleiche Weise entstanden ist. Hier spricht man jedoch nicht von Schieferung, sondern von Foliation.


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Abb. 11: Schichtung und Schieferung in einer Kalk-Mergel-Wechselfolge der Allgäu-Schichten (Lias) in der Val Trupchun bei S-chanf (Graubünden, Schweiz). Die sedimentäre Schichtung fällt steil nach links ab. In der mittleren Schicht, die aus Mergel besteht, hat sich eine flach nach links einfallende Schieferung gebildet.

 


Neben dem Flächengefüge der Schieferung bzw. Foliation kann bei der Verformung auch ein lineares Gefüge (Lineation) entstehen. Eine solche Lineation markiert oft die Richtung, in der das Gestein am stärksten gestreckt (gedehnt) worden ist. Dann spricht man von Streckungslineation.


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Abb. 12:Streckungslineation in einem Aufschluss von Gneis der Adula-Decke bei Vals (Graubünden, Schweiz). Die betrachtete Fläche ist eine Foliationsfläche, also die Plättungsebene des Gesteins. Auf ihr zeichnet sich deutlich die Streckungslineation ab.

 
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6. Metamorphose

Metamorphose ist die Umwandlung von Gesteinen im festen Zustand, d.h. ohne Aufschmelzung, durch den Einfluss von Temperatur und Druck. Typischerweise findet sie, wie das Blockbild zeigt, in der Tiefe bei Gebirgsbildungen statt, ist aber nicht nur auf diesen Prozess beschränkt. Die entstehenden Gesteine heissen metamorphe Gesteine oder Metamorphite. Meistens entstehen durch die Metamorphose neue Minerale im Gestein, die den geänderten Temperatur- und Druckbedingungen angepasst sind. Ein typisches metamorphes Mineral ist der Granat.

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Abb. 13: Rote Granatkristalle in einem metamorphen Gestein (Blauschiefer) auf der Insel Syros (Ägäis, Griechenland).


 

7. Anatexis

Wird die Temperatur in der Tiefe so hoch, dass die Gesteine zu schmelzen beginnen, so verlassen wir den Bereich der Metamorphose und kommen in den Bereich der teilweisen Aufschmelzung oder Anatexis. Die Gesteine, die dabei entstehen, heißen Migmatite. Migmatite haben eine Zwischenstellung zwischen metamorphen und magmatischen Gesteinen inne.


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Abb. 14: Polierte Platte von Migmatit in einem Steinmetzbetrieb. Die dunklen, durch Granat rot gefärbten Bereiche sind Reste des ursprünglichen Gesteins. Die weissen Bereiche stellen Schmelze dar, die sich in Adern und Gängen gesammelt hat, wo sie dann wieder erstarrt ist.

 

8. Plutone

Steigt eine Schmelze (Magma), die zum Beispiel bei der Anatexis von Gesteinen der Erdkruste entstanden ist, aufgrund ihrer - verglichen mit dem Umgebungsgestein - geringeren Dichte auf und erstarrt erst weiter oben wieder, so entstehen magmatische Gesteine. Sie fallen in zwei Gruppen: in der Tiefe erstarrte Gesteine heißen plutonische Gesteine oder Plutonite, an der Oberfläche erstarrte Vulkanite. Ein typischer Plutonit ist der Granit. Unter Pluton versteht man einen in die Erdkruste eingedrungenen (intrudierten) und dort erstarrten Körper von magmatischem Gestein. Oft sind dies Magmenkammern, von denen aus die Schmelze zu Vulkanen an der Erdoberfläche aufgestiegen ist. Tiefreichende Erosion hat sie später an der Erdoberfläche freigelegt.
Die Darstellung im Blockbild legt die Interpretation nahe, dass alle magmatischen Gesteine durch Aufschmelzung der Erdkruste in relativ geringer Tiefe entstehen. Dies trifft jedoch nicht zu. Ein großer Teil kommt aus tieferen Quellen, von der partiellen Aufschmelzung des Erdmantels in bis zu 200 km Tiefe.

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Abb. 15: Der Rand eines Granitplutons in den Southern Uplands (Schottland). Der helle, körnige Granit (unten) ist in Grauwacken des Silurs (dunkel, oben) intrudiert. Restschmelzen sind als dünne, weiße Adern in die Grauwacke vorgedrungen. Im weiteren Verlauf wurden diese Adern noch gefaltet, da der Granitpluton bei der Intrusion das Nebengestein verdrängt und komprimiert hat ("Ballooning").

 

 

9. Gänge

Auf dem Weg nach oben folgt das Magma meistens Bruchflächen des Gesteins und weitet sie zu Gängen auf. Durch einen solchen Förderkanal können große Mengen an Schmelze aufgestiegen sein, bevor die Schmelze in ihm erstarrte und als Ganggestein erhalten blieb. Manchmal können sich solche Aufstiegskanäle auch wieder ganz schließen. Typischerweise stellen Gänge die Verbindung von einer Magmenkammer in einigen km Tiefe zu einem Vulkan an der Erdoberfläche dar.

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Abb. 16: Granitisches Ganggestein (hell) in einem etwa 2, 5 m dicken, steilstehenden Gang in der Zone Houllière der französischen Westalpen (Susanne Schmidt).

 

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10. Vulkane

Vulkane kennen zwei Haupttypen von Aktivität: Effusiv, d.h. ausfließend, und explosiv. Bei effusiver Tätigkeit werden Lavaströme gebildet (Lava bedeutet Magma, das die Erdoberfläche erreicht hat). Bei explosiver Tätigkeit wird das Magma zu kleineren oder größeren Bruchstücken zerrissen und aus dem Schlot in die Höhe geschleudert. So entstehen pyroklastische Gesteine. Effusive Aktivität findet statt, wenn die Schmelze SiO2-arm und deshalb niedrigviskos (dünnflüssig) ist. Zu explosiver Tätigkeit kommt es entweder durch SiO2-reiche, zähflüssige Schmelzen oder durch Kontakt der aufsteigenden Schmelze mit Grundwasser. Je nach der Art der Tätigkeit entstehen verschiedene Vulkanformen. Diejenigen, die am meisten dem landläufigen Bild von Vulkanen entsprechen, sind Stratovulkane wie der unten abgebildete Vulkan auf der Insel Salina. Sie entstehen bei vorherrschender explosiver Tätigkeit.

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Abb. 17: Lavastrom aus quartärem Basalt in St.Flour im französischen Zentralmassiv. Die typische Säulenklüftung entstand nach der Erstarrung, bei der weiteren Abkühlung und damit verbundenen Schrumpfung des Gesteins.

 Kreislauf_Bild18Abb. 18: Aschelagen, die bei explosiver Vulkantätigkeit gebildet wurden, bilden den Kraterrand des Vesuv.

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Abb. 19: Stratovulkan auf der Insel Salina (Äolische Inseln, Italien)

 

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11. Zyklen von Sedimentation und Gebirgsbildung  

Wir sind am rechten Rand des Blockbildes angekommen. Das Gebirge mit seinen Vulkanen wird wieder abgetragen, die Abtragungsprodukte werden in ein Sedimentbecken transportiert und ein neuer Sedimentations-und Gebirgsbildungszyklus schließt sich an. Das Aufeinanderfolgen solcher Zyklen lässt sich an Winkeldiskordanzen erkennen, besonderen Grenzflächen zwischen Gesteinseinheiten, bei denen die Schichtung der älteren Gesteine durch die jüngeren Gesteine abgeschnitten wird, die eben nicht parallel, sondern diskordant auf den älteren lagern. Das letzte Photo zeigt eine solche Winkeldiskordanz. Die annähernd senkrecht stehenden Sedimentschichten im unteren Teil des Photos sind Grauwacken und Tonschiefer aus dem Silur, die bei der kaledonischen Gebirgsbildung im obersten Silur und unteren Devon gefaltet wurden, was hier zur Steilstellung der Schichten führte. Sie wurden in der Folge abgetragen und es bildete sich eine ungefähr ebene Landoberfläche heraus. Diese Oberfläche wurde von neuen Sedimenten bedeckt, nämlich von Sandsteinen des Devon, dem sogenannten Old Red (links oben im Bild). So entstand die Winkeldiskordanz zwischen den silurischen Sedimenten und dem Old Red. Später, bei einer weiteren Gebirgsbildungsphase, wurden die Gesteine erneut gekippt, weshalb die ursprünglich waagerechte Schichtung des Ol Red heute auch schräg abfällt.
Der schottische Naturforscher James Hutton fand und erklärte 1788 bei einer Bootsexkursion entlang der schottischen Küste diesen Aufschluss, der deshalb auch als "Hutton's unconformity" bezeichnet wird. Der Mathematiker John Playfair, der daran teilnahm, schrieb später (1805) den berühmten Satz: "The mind seemed to grow giddy by looking so far into the abyss of time." ("Dem Verstand schien davon schwindlig zu werden, so tief in den Abgrund der Zeit zu schauen".)

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Abb. 20: Winkeldiskordanz zwischen Silur- und Devon-Gesteinen am Siccar Point an der Küste von Schottland.


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