Allgemeine Geologie

Geowissen kompakt
Herausgegeben von
Bernd Cyffka und Jürgen Schmude
Begründet von
Hans-Dieter Haas
Peter Rothe
Allgemeine Geologie
Einbandgestaltung: schreiberVIS, Seeheim
Abbildung: Symbolische Darstellung der Durchbrechung des mittelalterlichen Weltbildes, 1888.
Aus: Camille Flammarion: L’atmosphère, et la météorologie populaire,
Paris 1888. i akg-images.
Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation
in der Deutschen Nationalbibliografie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über
http://dnb.de abrufbar.
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Jede Verwertung ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig.
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und Verarbeitung durch elektronische Systeme.
i 2015 by WBG (Wissenschaftliche Buchgesellschaft), Darmstadt
Die Herausgabe des Werkes wurde durch
die Vereinsmitglieder der WBG ermöglicht.
Satz: Lichtsatz Michael Glaese GmbH, Hemsbach
Einbandgestaltung: schreiberVIS, Bickenbach
Gedruckt auf säurefreiem und alterungsbeständigem Papier
Printed in Germany
www.wbg-wissenverbindet.de
ISBN 978-3-534-26432-2
Elektronisch sind folgende Ausgaben erhältlich:
eBook (PDF): 978-3-534-26643-2
eBook (epub): 978-3-534-26644-9
Inhalt
1 Aufbau der Erde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1 Das Schalenmodell . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 Erdbeben. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Das Magnetfeld der Erde und seine Veränderungen:
Paläomagnetismus . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.4 Vulkanismus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1
2
9
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14
16
2 Gesteinsbildung . . . . .
2.1 Minerale . . . . . . .
2.2 Gesteine . . . . . . .
2.2.1 Magmatite . .
2.2.2 Sedimentite . .
2.2.3 Metamorphite
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32
32
37
38
50
78
3 Verwitterung . . . . . . . . . . .
3.1 Physikalische Verwitterung.
3.2 Chemische Verwitterung . .
3.3 Biologische Verwitterung. .
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84
85
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89
4 Bodenbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
92
5 Das Wasser auf dem Festland .
5.1 Grundwasser . . . . . . .
5.2 Flüsse . . . . . . . . . . .
5.3 Seen . . . . . . . . . . . .
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97
97
100
105
6 Eis und Eisrandgebiete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
110
7 Wind . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
114
8 Meeresgeologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
116
9 Tektonik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
126
10 Plattentektonik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
137
11 Benutzte und weiterführende Literatur . . . . . . . . . . . . . . . .
141
Register . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
144
V
Vorwort
Allgemeine Geologie wird fast immer nach Exogener und Endogener Dynamik getrennt behandelt und als Lehre von den „außenbürtigen“ bzw. „innenbürtigen“ Kräften bezeichnet, die beide an der äußeren Formung unseres Planeten wirken. Die Forschung hatte aber stets deutlich gemacht, dass
dieses Denken in getrennten Schubladen nicht immer aufrechtzuerhalten
ist, denn beide Kräfte beeinflussen sich gegenseitig: Exogene Dynamik ist
ohne endogene Kräfte in letzter Konsequenz nicht denkbar: Abtragungsprozesse von Gebirgen kämen ohne endogen gesteuerte Hebungsprozesse sehr
bald zum Erliegen, und Wasser aus dem exogenen Kreislauf kann, mit Magma in Kontakt gebracht, zu verheerenden Vulkanausbrüchen beitragen.
Dennoch sollen hier diese „Schubladen“ weitgehend beibehalten werden.
Exogene Dynamik umfasst Verwitterung und Bodenbildung, das Wasser
und das Eis auf dem Festland und in den Meeren sowie die zugehörigen
Gesteine. Endogene Dynamik erklärt den Aufbau und die Beschaffenheit
des Erdkörpers, Erdbeben, Vulkanismus, Tektonik sowie die Entstehung
magmatischer und metamorpher Gesteine.
Geologie hat immer Berührung zu mehreren Nachbarwissenschaften, vor
allem zu Astronomie, Chemie, Physik und Biologie: Das reicht von der Entstehung unseres Planetensystems und dessen Bewegungsabläufen bis zum
extrem kleinen Bakterium, das sowohl am Aufbau als auch an der Zerstörung von Gesteinen beteiligt sein kann, abgesehen davon, dass es durch seinen Metabolismus Säuren produziert, die weitere chemische Prozesse in
Gang setzen. Die rezente Pflanzen- und Tierwelt dient uns als Referenzsystem für die Paläontologie. Die Physik bestimmt nicht nur, dass Steine von
den Bergen fallen oder Sande in Flüssen nachvollziehbaren Strömungsgesetzen unterworfen sind, sondern hilft, die Schwingungsmuster von Erdbebenwellen zu analysieren, mit denen wir den Erdball auf seine innere Beschaffenheit abklopfen können.
Im exogenen Kapitel alter Lesart orientiert sich die Fachliteratur überwiegend an geographischen Gegebenheiten: In klimatisch unterschiedlichen
Regionen herrschen jeweils unterschiedliche Verwitterungsprozesse, die zu
unterschiedlichen Produkten, u. a. Böden und Landschaftsformen führen.
Nicht von ungefähr gibt es hier Überschneidungen mit der Physischen Geographie. Dass in den Tropen Prozesse der Gesteinsverwitterung anders verlaufen als in der Antarktis, wird jedem sofort einleuchten, es geht aber darum, diese und die Produkte in ihren Details zu verstehen.
Üblich ist auch eine Unterscheidung Festland – Meer. Nirgendwo haben
sich unsere geologischen Kenntnisse in den letzten Jahrzehnten so erweitert
und vertieft wie im Falle der Ozeane. Das liegt an einem beträchtlichen
technischen Aufwand, u. a. in Form von Forschungsschiffen, Tauchbooten
und der Möglichkeit, von Spezialschiffen aus den Ozeanboden zu erbohren – was nicht zuletzt die Plattentektonik begründen half. Auch hier sind
fundierte Aussagen nicht ohne die Physik möglich: Ozeanische Kruste wird
primär durch ihr Verhalten seismischen Wellen gegenüber begründet und
auch die Entstehung von Tsunamis hat hier ihren Platz. Nicht zuletzt sind
Beziehung zu
Nachbarwissenschaften
Unterscheidung
Festland – Meer
VII
Vorwort
Aktualitätsprinzip
VIII
die Ozeane Räume, in denen heute mineralische Rohstoffe gefunden werden. Auch Untersuchungen zum Wasser auf dem Festland (ein Unterkapitel
in früheren Darstellungen) haben viele neue Erkenntnisse geliefert: Grundwasser lässt sich heute mit physikalischen Methoden datieren und die Ablagerungen in Seen haben sich vielfach als Klima- und Umweltarchive für
die jüngste Erdgeschichte erwiesen.
Relativ einfach ist die Einordnung der Gesteine nach exogenen und endogenen Bildungsbereichen: Sedimente/Sedimentgesteine sind klar dem
exogenen, alle anderen dem endogenen Bereich zuzuordnen, wo sie unter
höheren Temperaturen und Drücken als den an oder nahe der Erdoberfläche herrschenden gebildet oder umgebildet werden.
Bei allen geologischen Vorgängen muss man immer den Aspekt der Zeit
berücksichtigen. Die Allgemeine Geologie kann sie in ihrem gegenwärtigen
Ablauf erfassen und die Resultate beschreiben, die sich gegebenenfalls in
entsprechenden Bildungen der geologischen Vergangenheit wiederfinden
lassen: Das ist das seit Hutton und Lyell gültige Aktualitätsprinzip, mit dem
Geologen Indizienbeweise führen. Mit geringfügigen Einschränkungen für
die ganz frühe Erdgeschichte gilt dieses Prinzip noch immer.
Die in diesem Buch behandelten Sachverhalte betreffen Themen, für die
es jeweils eigene umfangreiche Lehrbücher gibt. Auf einem so knapp bemessenen Druckraum können sie nur angerissen werden, eine kleine Auswahl weiterführender Literatur ist im Anhang aufgelistet und zu beinahe jedem Teil-Thema werden sich heutige Studierende vor allem im Internet
weiter informieren. Im Buch wird nur eine handliche Darstellung gegeben,
die sich, um den vorgegebenen Umfang einzuhalten, auf das Wesentlichste
beschränken muss.
Meinem Lektor Dr. Jens Seeling und seiner Mitarbeiterin Melanie Krach
danke ich für die konstruktive Mitarbeit, die uns auch bei diesem Buch zusammengeführt hat.
1 Aufbau der Erde
Die gemeinhin als Kugel beschriebene Erde ist eigentlich ein infolge ihrer
Rotation an den Polen leicht abgeplattetes Rotationsellipsoid. Die durch die
Rotation hervorgerufene Zentrifugalkraft wirkt sich am Äquator am stärksten
aus und führt dort zu einer Aufwölbung. Aus der Stellung der Erde im Planetensystem im Zusammenhang mit der Gravitation ergibt sich eine Gesamtdichte von 5,5 g/cm3, die man mit den zugänglichen irdischen Gesteinen
vergleichen kann: die Gesteine der Erdkruste haben im Bereich der Festländer eine durchschnittliche Dichte von 2,7 g/cm3, im Bereich der Ozeane
von 2,95 g/cm3. Die tieferen Anteile der Erde müssen also schwerer sein
und erste Hinweise auf das entsprechende Material geben uns Meteoriten,
von denen manche neben Eisen auch hohe Anteile von Nickel enthalten.
Da die Materialdichte die Geschwindigkeit von Erdbebenwellen bestimmt,
lassen sich damit Rückschlüsse auf die tieferen Bereiche gewinnen: Hier treten sprunghafte Änderungen (Diskontinuitäten) auf, die sich mit Materialänderungen erklären lassen, wobei über das Material selbst noch vielfach
spekuliert wird. Dabei helfen auch Laborexperimente, mit denen man bekannte Gesteine hohen Drücken und Temperaturen aussetzen kann. Die mit
zunehmender Tiefe ansteigende Temperatur ist uns aus tiefen Bergwerken
und Bohrungen zugänglich, führt aber bei linearer Extrapolation bis zum
Erdmittelpunkt zu völlig unglaubwürdigen Werten. Zum abgeleiteten Wissen gehört auch die Erklärung des Magnetfelds der Erde, das man heute mit
Hilfe von Experimenten auf Turbulenzen und schnelle Bewegungen flüssigen Eisens im Äußeren Erdkern zurückführt. Die einfachste Gliederung in
eine spezifisch leichte Kruste, einen schwereren Mantel und einen sehr
schweren, teilweise flüssigen Kern lässt einen Vergleich mit dem Hochofenprozess zu. Um schwerere Gesteine ohne wesentliche chemische Änderungen zu erklären, werden hypothetische Annahmen über eine zunehmende
Koordinationszahl in Kristallgittern bei höheren Drücken gemacht. Schließlich ist auch die Wasserhülle der Erde erklärungsbedürftig, für die neben
einer Entgasung des Mantels vor allem die Akkretion von Kometen
(„schmutzige Schneebälle“) in der Frühzeit diskutiert wird. Über die Entwicklung der Atmosphäre dagegen lässt sich schon Genaueres sagen: Die
ursprünglich vorhandenen Edelgase einer sog. primordialen Atmosphäre
sind im Vergleich mit den kosmischen Häufigkeiten weitgehend defizitär,
sie bestand wesentlich aus CO2, Wasserstoff, Stickstoff. Die heutige Atmosphäre hat sich in 4,6 Milliarden Jahren entwickelt, wobei deren Sauerstoffgehalt wesentlich durch die Entwicklung der Pflanzen gesteuert wurde. Unser Wissen über die Erde ist also zu großen Teilen abgeleitetes Wissen.
Rotationsellipsoid
Meteoriten
Diskontinuitäten
Magnetfeld der Erde
Wasserhülle der Erde
Atmosphäre
1
Aufbau der Erde
1
1.1 Das Schalenmodell
Geothermische
Tiefenstufe
Herkunft der
Schmelzen aus dem
oberen Mantel
Experimente
Asthenosphäre
Lithosphäre
2
Aufbau und Zusammensetzung des Erdkörpers (Abb. 1) lassen sich nach
dem Material, dem Aggregatzustand und den entsprechenden Temperaturund Druckverhältnissen beschreiben, die sämtlich untrennbar miteinander
verbunden sind. Die Temperatur nimmt von der Oberfläche her im Durchschnitt alle 33 m um 1 8C zu, was als Geothermische Tiefenstufe (in m) bzw.
Geothermischer Gradient (in K km–1) bezeichnet wird; in 10 km Tiefe herrschen also bereits etwa 300 8C. Eine entsprechende lineare Extrapolation bis
zum Mittelpunkt der Erde führt allerdings zu völlig unwahrscheinlichen
Werten. Der geothermische Gradient ist nämlich vor allem abhängig vom
lokalen Wärmefluss, und dieser hängt seinerseits im Wesentlichen von der
Dicke der Kruste ab. Gesteine sind schlechte Wärmeleiter. Wenn man es
nicht schon aus geophysikalischen Messergebnissen wüsste, könnte man im
Umkehrschluss sagen, dass wegen der z. B. in den oft über 3000 m tiefen
südafrikanischen Goldbergwerken beobachteten Wärmeanomalie die Erdkruste dort besonders dick sein muss. Die Wärmeleitung kann durch Konduktion, Strahlung oder unter Mithilfe von Wasser und Gasen durch Konvektion erfolgen. Basaltlava ist etwa 1100 bis 1250 8C heiß, was eine Herkunft der Schmelzen aus dem oberen Mantel, aus Tiefen von 80 bis etwa
150 km wahrscheinlich macht. Die Temperaturen im Erdkern dagegen lassen sich nur anhand von Experimenten mit einem aus Vergleichen mit EisenMeteoriten erschlossenen Material (s. u.) ermitteln. Die Wärme, die unser
Planet noch ständig abstrahlt, stammt zum Teil noch aus der frühen Akkretionsphase, als die kinetische Energie aus dem Meteoritenbombardement in
Wärme umgewandelt wurde, als die Abtrennung des Eisenkerns aus einer
vollkommen geschmolzenen Früh-Erde Gravitationsenergie freisetzte und
zusätzlich aus dem Zerfall radioaktiver Elemente, die vor allem in der Kruste
angereichert sind. Hinzu kommt noch die während der zunehmenden Kristallisation des flüssigen Erdkerns freiwerdende Wärme.
Im Labor lassen sich zwischen den extrem feinen Spitzen bzw. Schneiden
von Diamanten Drücke simulieren, wie sie im äußeren Erdkern wahrscheinlich sind. Die entsprechenden hohen Temperaturen steuert in solchen Versuchen ein Laser bei. Damit hat man mit neuesten Experimenten für den
Mittelpunkt der Erde jetzt 6000 l 500 K abgeschätzt. Da Aggregatzustände
sich auch auf das Verhalten von Erdbebenwellen auswirken, lässt sich so der
relative Temperaturverlauf innerhalb des Erdkörpers nachverfolgen: Diese
seismisch-tomographischen Untersuchungen haben gezeigt, dass sich die
Wellen in kalter Materie schneller bewegen als in warmer; damit lässt sich
auch der Wärmeverlauf im Erdmantel verfolgen. Neben Aussagen zum Temperaturverlauf geben Erdbebenwellen auch Hinweise zum Aggregatzustand: aus dem Verhalten von Scherwellen (s. u.) weiß man, dass der äußere
Erdkern flüssig sein muss und dass es auch im oberen Mantel Bereiche gibt,
die mit partiellem Schmelzen (Mischung aus Kristallen und Schmelze) erklärbar sind, was zu der Bezeichnung Asthenosphäre (low velocity zone,
weil dort die Erdbebenwellen verlangsamt werden) geführt hat. Im Gegensatz zur starren Lithosphäre bewegt sich dieses Material im Mantel konvek-
Das Schalenmodell
tiv und zähplastisch (mit der Zähigkeit von Glas), was als Ursache für den
Plattentransport gilt. Dass die Fließbewegung den gesamten Mantel erfasst,
wird auch durch die Tatsache belegt, dass in seinem tiefsten Bereich, in der
D““-Schicht (s. u.), offensichtlich Schollen angehäuft werden, die aus oberflächennahen Bereichen stammen. Für den äußeren flüssigen Erdkern wird
eine dem Wasser vergleichbare Viskosität mit einer entsprechend hohen
Fließgeschwindigkeit vermutet.
Die stoffliche Zusammensetzung der Erdschalen ergibt sich zunächst aus
der direkten Beobachtung der an der Oberfläche anstehenden Gesteine.
Die obere kontinentale Erdkruste besteht zu etwa 95 % aus Granodiorit oder
Gneis, die Dichten von etwa 2,7 g/cm3 haben, die der tieferen Anteile aus
Basalt oder Gabbro mit ca. 3 g/cm3. Wenn man diese Werte mit den astronomischen Daten für die Dichte der Gesamterde vergleicht (5,5 g/cm3) so
zeigt das zunächst, dass es in ihrem Inneren noch wesentlich schwerere
Komponenten geben muss. Von den über 6370 km des Erdradius (wegen
der durch die Zentrifugalkraft bedingten Abplattung 6378 km am Äquator
und 6357 km an den Polen), kennen wir aus einer extrem tiefen Bohrung auf
der Kola-Halbinsel maximal 12 km, also fast nichts – alles andere ist weitgehend abgeleitetes Wissen, das sich aus dem Verhalten von Erdbebenwellen,
theoretischen Erwägungen, Laborexperimenten und dem Vergleich mit Meteoriten ergibt. Die Erde ähnelt einer Zwiebel, sie lässt sich nämlich in weitere Teilschalen unterteilen: die Kruste in eine kontinentale und ozeanische,
der Mantel in mindestens einen oberen und einen unteren und der Kern in
einen äußeren und einen inneren Kern. Man unterscheidet die feste Lithosphäre von der darunter folgenden Asthenosphäre, wobei zur Lithosphäre
auch die festen Teilbereiche des obersten Mantels gerechnet werden. Die
Grenze ist allerdings nicht scharf, weil Teilbereiche des oberen Mantels geschmolzen sein können und auf Erdbebenwellen entsprechend reagieren.
Primärwellen laufen durch Gesteine höherer Dichte schneller als durch solche geringerer Dichte: Die Geschwindigkeiten steigen entsprechend der
Gesteinszusammensetzung in Stufen von 2–7,5 km/sec in der Kruste über
8 km/sec im Mantel auf über 11 km/sec bis zur Grenze zum Kern hin an,
und fallen dort schlagartig wieder auf 8 km/sec zurück. Dieser Wechsel vollzieht sich in bestimmten Tiefen sprungartig, sodass man von Diskontinuitäten spricht. Die Lithosphäre ist nicht gleichmäßig dick, sondern reicht unter
den Ozeanen nur 5–10 km tief, kann unter hohen Gebirgen aber bis 80 km
betragen. Sie lässt sich weiter untergliedern: die obere Lithosphäre besteht
wesentlich aus Sedimenten, gefolgt von Gneisen, Granodioriten und Graniten, die in der Tiefe in Migmatite übergehen, während der untere Bereich
aus Gabbros, Amphiboliten und Granuliten aufgebaut ist. Die Grenze zwischen oberer und unterer Kruste liegt bei etwa 10–15 km und wird als Conrad-Diskontinuität bezeichnet. Die Grenze zum Erdmantel, der fast 85 %
des Volumens der Erde ausmacht, wird durch die Mohorovičić-Diskontinuität, kurz Moho markiert. Sie liegt im Bereich der Kontinente in etwa
35–40 km Tiefe (wobei man heute eine seismische Moho von einer petrologischen Moho unterscheidet, die wesentlich durch olivinreiche Peridotite
im Mantel bestimmt wird), im Bereich ozeanischer Kruste aber nur in etwa
6 km Tiefe. Die überwiegende Masse der Materialien, die die Erde aufbauen, erschließen sich, wie gesagt, nur indirekt: Die Kristallstrukturen der
1
Ursache für den
Plattentransport
stoffliche
Zusammensetzung
der Erdschalen
Volumen der Erde
3
Aufbau der Erde
1
Silikate, die vor allem in der Kruste durch die Tetraeder-Anordnung von Silizium und Sauerstoff bestimmt wird, scheint im Erdmantel in die dichtere Koordination des Spinellgitters überzugehen, in dem das Si von sechs O-Atomen umgeben ist. Noch tiefer, bei etwa 650 km, erfolgt offenbar eine weitere Erhöhung der Koordinationszahl, aus der sich die Perowskit-Struktur
ergibt (Abb. 2).
Abb. 2: Änderung der Mineral-Strukturen mit der Tiefe.
Mit dieser zunehmenden Materialdichte ist keine chemische Veränderung
verbunden, die Minerale bestehen auch hier aus der Verbindung von Mg und
Fe mit Si und/oder O (MgFeSiO3, Perowskit bzw. MgFeO, Magnesiowüstit)
wie sie im oberen Mantel durch Olivin (MgFeSiO4) und/oder Pyroxen repräsentiert werden. Der Mantel wird in einen oberen (bis etwa 660 km) und unteren Mantel gegliedert, außerdem gibt es eine weitere Diskontinuität bei
etwa 400 km, die man ebenfalls auf Änderungen der Mineralogie zurückführt; die höhere Dichte des unteren Mantels wird mit der Perowskit-Struktur
von Magnesiumsilikaten erklärt und mit Magnesiowüstit (MgFeO). Die Grenze zwischen dem untersten Bereich des Mantels und dem äußeren Erdkern
bei 2900 km erscheint besonders kompliziert und sie ist auch nicht scharf:
von hier aus steigen plumes (schlauchartige 100–200 km breite Bereiche geschmolzenen Materials), in oberflächennahe Bereiche auf und erzeugen dort
die für den Vulkanismus bedeutenden hot spots. Im Gegenzug scheinen in
4
Das Schalenmodell
dieser Grenzschicht, die als D““-Schicht bezeichnet wird, aus den oberflächennahen Bereichen stammende, subduzierte Lithosphären-Schollen angehäuft zu sein. Diese Schicht ließ sich mit verfeinerten seismischen Verfahren
von „nicht nachweisbar“ auf bis zu 300 km Dicke feststellen und sie scheint
aus einem chaotischen Haufwerk solcher Schollen zu bestehen, die ursprünglich einmal an der Oberfläche waren (graveyard of subducted slabs/
continents of the core, Schutthalde des Erdmantels). Der innere Kern der Erde
ist dann infolge des enormen Drucks wieder fest.
Der Frage nach dem Material, dessen spezifische Dichte von der Oberfläche
bis zum Kern zunimmt, ist man, von den oberen Bereichen abgesehen, vor
allem durch Überlegungen zu Kristallstrukturen und mit Labor-Experimenten
nachgegangen. In der kontinentalen Erdkruste überwiegen die chemischen
Elemente Silizium und Aluminium, die vor allem am Bau der Feldspäte, den
häufigsten gesteinsbildenden Mineralen beteiligt sind; man bezeichnete die
obere, kontinentale, Kruste früher deshalb auch als SiAl-Kruste (Abb. 3).
Die hauptsächlich aus schwereren, basaltischen Gesteinen (etwa 3 g/cm3)
aufgebaute ozeanische Kruste und vor allem der Mantel sind durch Silizium
und Magnesium gekennzeichnet (Abb. 4).
Gesteine aus dem Mantel können durch Vulkanismus oder durch tektonische Prozesse an die Oberfläche kommen: Besonders häufig sind die Olivin-„Bomben“ bzw. Einschlüsse, die mit basaltischen Schmelzen gefördert
werden, seltener sind Eklogit (ein metamorphes Gestein aus rotem Granat
und grünem Omphacit, einem Pyroxen) oder Peridotit mit je nach Tiefenlage unterschiedlicher Zusammensetzung. Man findet in der Literatur in diesem Zusammenhang auch den Begriff Perowskit, was allerdings nur struktu-
1
subduzierte Lithosphären-Schollen
Überlegungen zu
Kristallstrukturen
Abb. 3: Aufbau der kontinentalen Kruste in Mitteleuropa. Die untere Kruste ist durch mafische Intrusionen
(schwarz) gekennzeichnet. Die Moho bildet die Grenze zwischen der Erdkruste mit ihren meist sauren
Gesteinen und dem Erdmantel, der überwiegend aus Peridotit besteht (Spinell-Lherzolit bzw. -Harzburgit sind Varietäten von Peridotit). Die Temperaturen links zur Zeit der paläozoischen Gebirgsbildung, rechts heutige Temperaturen (übernommen aus Wedepohl 1989).
5
Aufbau der Erde
1
Abb. 4: Aufbau von ozeanischer Kruste, die aus einer typischen Ophiolith-Folge aus Pillowlaven, steilstehenden Gängen und Gabbros besteht (nach Brown & Mussett 1981, aus Matthes 1993). Mit zunehmender
Dichte ändern sich an den Gesteinsgrenzen auch die P-Wellengeschwindigkeiten von Erdbeben.
Eklogitgesteine in
Subduktionszonen
6
rell zu verstehen ist und sich auf Orthopyroxen und Olivin in PerowskitStruktur bezieht (Mantel-Perowskit), nicht jedoch auf das Mineral (CaTiO3).
Hier ergeben sich infolge besonders dicht gepackter Kristallgitter (Granat,
Olivin) Dichten von 3,3 g/cm3. In Eklogiten hat man auch Diamanten gefunden und da man aus Laborsynthesen weiß, unter welchen Drücken Diamanten entstehen, lässt sich ihre Herkunft aus etwa 150 km Manteltiefe ableiten.
Aufschlüsse über die Verhältnisse in solchen Tiefen geben auch die Kimberlite. Das sind ultrabasische vulkanische Gesteine, die ihren Ursprung in
100–200 km Tiefe haben und manchmal Diamanten an die Oberfläche
transportiert hatten. Eklogitgesteine, die vor allem in Subduktionszonen gebildet werden, kommen gelegentlich wie große Hobelspäne durch gebirgsbildende Tektonik an die Oberfläche. Einen Extremfall bilden dabei die sog.
UHP (Ultra High Pressure)-Gesteine, die sogar Coesit enthalten (die Hochdruckmodifikation von SiO2, die man aus Meteoritenkratern kennt). Erste
Funde stammten aus dem Dora-Maira-Massiv in den italienischen Westalpen. Der Coesit ist dort in Granatkristallen gefunden worden, und hatte sich
beim offenbar sehr schnellen Aufstieg teilweise in Quarz umgewandelt.
Weil dieser mehr Raum beansprucht, sind die Granate quasi aufgeplatzt
und durch entsprechende Risse gekennzeichnet (Abb. 5). Ein schneller Aufstieg ist wichtig, weil sich die Hochdruckphasen sonst in solche umgewandelt hätten, die unter niedrigeren Drücken stabil sind (Diamant würde sich
in Graphit, Coesit in Quarz umwandeln). Damit waren vormals mindestens
90 km tief versenkte Gesteine wieder an die Erdoberfläche zurückgekehrt.
Das Schalenmodell
1
Abb. 5: Druck-Temperatur-Diagramm für verschieden tiefe Bereiche der Erde. Es erweitert das klassische WINKLER-Diagramm (vgl. Abb. 44) auf Bereiche des
oberen Erdmantels (aus Schreyer 1985). Das Pyrop-Coesit-Gestein (kleines
Bild) zeigt den Granat-Kristall (Pyrop) mit den radialen Sprengrissen, die bei
der Umwandlung des Coesit-Einschlusses in Quarz entstanden sind.
Die Hebung solcher Gesteinsblöcke lässt sich sowohl mit einer tektonischen
Beseitigung des Deckgebirges (tectonic unroofing) als auch mit einem Anschweißen von unten (underplating) erklären.
Für die im Kern herrschenden Bedingungen (angenommene 10–13 g/cm3)
bzw. dessen stoffliche Zusammensetzung ist man allein auf Vergleiche und
Experimente angewiesen. Eisen-Meteorite, die auch hohe Nickelgehalte haben, bilden mit einer Dichte von 11 g/cm3 wahrscheinlich das wesentliche
Vergleichsmaterial für den Stoff, aus dem der Erdkern hauptsächlich besteht.
Er könnte seinen Ursprung in der frühen Differentiation einer geschmolzenen Gesamterde haben. Weitergehende Erklärungen haben ihre Wurzeln
letztlich in der Entstehung des Sonnensystems. Dieser Ansatz ist chemisch
und bezieht sich auf Vergleiche mit den in der Sonne und den sog. primitiven
Meteoriten beobachteten Elementverteilungen, die als kosmische Häufigkeiten bezeichnet werden. Man unterscheidet dabei sog. volatile, refraktorische und siderophile Elemente bzw. Verbindungen; die Unterscheidung beruht auf deren Kondensationstemperaturen, die für refraktorische um 1400 K
und mehr, für volatile um 1200 K und darunter liegen (Anderson 1992). Der
im Kern herrschende
Bedingungen
Entstehung des
Sonnensystems
7
Aufbau der Erde
1
unterschiedliche
Dicke der Erdkruste
Isostasie
Prinzip der Isostasie
8
Vergleich zeigt nun, dass für die Erde die refraktorischen Elemente Si, Al, Ca,
Mg, Ti und andere wie U und Th im Bereich von Kruste und Mantel gegenüber den kosmischen Häufigkeiten alle um einen Faktor von etwa 1,5 angereichert sind; in diesem Ausmaß wurden diese Elemente aus dem Kern ausgeschlossen. Die volatilen Elemente Na, K, Rb, S und P sind in Kruste und
Mantel am stärksten abgereichert, was auch für die siderophilen (eisenliebenden) gilt. Die Prozesse, die zu dieser Elementverteilung geführt haben,
fanden wahrscheinlich während der frühen Akkretionsphase und während
der Bildung des Erdkerns statt. Sie vermögen also zu erklären, warum im
Kern Fe und Ni, aber eventuell auch S und P oder auch seltenere Elemente
wie Re und Os angereichert sind, während die Kruste hauptsächlich aus
leichteren Elementen aufgebaut ist.
Die regional unterschiedliche Dicke der Erdkruste lässt sich mit einem
Prinzip erklären, das man stark vereinfachend mit dem Eintauchen unterschiedlich dicker bzw. belasteter Holzklötze in Wasser vergleichen kann
und das als Isostasie bekannt ist (s. u.).
Aufbau und aktuelle Prozesse innerhalb des Erdkörpers werden mit einem
ganzen Arsenal von Techniken studiert, die überwiegend auf physikalischen
Gesetzen basieren. Das hatte mit Newton begonnen und zu dem Schluss geführt, dass die mittlere Dichte der Erde etwa 5,5 g/cm3 beträgt. Geodäsie,
früher ein außerordentlich aufwändiges Verfahren, auch um rezente Änderungen auf der Erdoberfläche nachzuweisen, wird heute meist mit Hilfe von
Satelliten betrieben, und damit sind nun sogar die Plattenbewegungen direkt messbar. Die Verhältnisse lassen sich mit Schweremessungen erkunden, die einen Aufbau der oberen Erdkruste mit unterschiedlichen Gesteinskörpern nahelegen. Auch hier sind die früher mit Pendel oder Drehwaage
durchgeführten Messungen inzwischen flächendeckender Lufterkundung
gewichen. Sie hat uns auch das von der Kugelgestalt abweichende Bild des
etwas verbeulten Rotationsellipsoids geliefert. Ergebnisse von Schweremessungen für Süddeutschland z. B. zeigen dabei sehr gut den Unterschied der
Bouguer-Anomalien, d. h. der Abweichung vom Normalfeld (Maßeinheit
mgal, 103 mgal = 1 cm/sec2) zwischen Grundgebirgsregionen wie dem
Schwarzwald (hohe Schwere), dem Oberrheingraben und dem Molassebecken (niedrige Schwere). Noch deutlicher erkennt man mit dieser Technik
Salzdiapire, deren leichtes Material (Dichte 2,16 g/cm3) zu besonders niedrigen Schwerewerten führt. Mit Hilfe gravimetrischer Messungen hat man
auch eine alte Frage lösen können: Warum sich die Schwere über Faltengebirgen kaum von der der Nachbarregionen oder sogar den Ozeanen unterscheidet, obwohl die Gesteine der Gebirge leichter sind als die in ihrer
Nachbarschaft und der Ozean aus dem leichten Wasser besteht. Hier liefert
das Prinzip der Isostasie die Erklärung, die besagt, dass es einen Gleichgewichtszustand gibt, der sich zwischen unterschiedlichen Krustenschollen
einstellt. Gebirge haben tiefreichende Wurzeln, die dadurch den Materialunterschied kompensieren, und im Falle der Ozeane wird deren leichte
Wasserhülle durch die schwere basaltische Kruste darunter ausgeglichen.
Isostasie (Tauchgleichgewicht) strebt einen entsprechenden Ausgleich an:
Ein vielzitiertes Beispiel dafür ist der vor etwa 10 000 Jahren einsetzende,
postglaziale Aufstieg Skandinaviens (im Zentrum um etwa 300 m) infolge
des Abschmelzens des Inlandseises, das ursprünglich mit etwa 3 km Dicke