Skript_Steine.

„Der Kreislauf der Gesteine“
Magmatische Gesteine und Sedimentgesteine
Die Erde besteht aus Schalen mit unterschiedlichen Eigenschaften.
Schon immer hat die Menschen interessiert, was sich im Innersten der Erde befindet.
Man weiß nichts Genaues darüber. Der tiefste Bergwerkschacht der Welt ist weniger
als 4 km tief, und keine Bohrung ist bislang tiefer als 12 km vorgedrungen. Doch die
Entfernung von der Oberfläche bis zum Erdmittelpunkt beträgt 6370 km.
Man kann auf indirekte Weise herausfinden, was sich im Innersten der Erde befindet,
vor allem durch die von Erdbeben ausgelösten Schwingungen. Dabei wurden drei
Hauptzonen des Erdinneren entdeckt: die Kruste, der Mantel und der Kern. Ganz
außen ist die Kruste. Unter den Kontinenten der Erde ist die kontinentale Kruste und
unter den Ozeanen die ozeanische Kruste. Die Erdkruste ist eine dünne, harte
Schicht. Die kontinentale Kruste ist zwischen 25 und 90 km dick und einige Gesteine
sind 3,8 Milliarden Jahre alt. Die ozeanische Kruste ist dünner und jünger als die
kontinentale. An manchen Stellen ist sie weniger als 6 km dick, und das Gestein ist
jünger als 200 Millionen Jahre.
Auf die Kruste folgt der Mantel. Er besteht aus heißem Magma, das 1000 °C heiß ist.
In diesem Magma schwimmen Minerale. Ähnlich wie in einer Suppe mit
Gemüsestückchen. Wenn die Suppe auf dem Herd gekocht wird, sprudelt sie und die
leichten Gemüsestückchen schwimmen oben, die schwereren schwimmen in der
Mitte vom Topf und ganz schwere Stückchen bleiben am Boden. Die Minerale in dem
Magma verhalten sich wie die verschiedenen Gemüsestückchen in der Suppe, die
leichten schwimmen nach oben, die mittelschweren bleiben in der Mitte und die ganz
schweren bleiben unten.
Auf den Mantel folgt der Kern, es gibt einen äußeren und einen inneren Erdkern. Der
äußere Erdkern ist sehr heiß, 3200 °C und ständig geschmolzen. Der innere Erdkern
ist noch heißer, es herrschen Temperaturen von 5000 °C. Dieser Teil der Erde ist
eine feste Kugel, da der Druck durch den äußeren Kern, den Erdmantel und die
Erdkruste so hoch ist, dass das Material auch bei dieser hohen Temperatur nicht
schmilzt.
Dr. Martina Pätzold, MARUM, Leobener Straße, 28359 Bremen, Tel.: 0421-21865530,
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1
Aufbau der Erde
Die meisten Prozesse, die unseren Planeten gestalten, laufen so langsam und
behutsam ab, dass wir sie kaum wahrnehmen. Und dann wieder demonstriert die
Erde ihre wahre Kraft ganz plötzlich und erschreckend – bei gewaltigen Erdbeben,
die selbst die stärksten Gebäude zum Einsturz bringen, oder bei Vulkanausbrüchen,
die in gigantischen Explosionen Bäche geschmolzenen Gesteins und riesige Gasund Aschewolken ausstoßen.
Magmatische Gesteine
Bei einem dieser langsamen und behutsamen Prozesse steigt das Magma des
Erdmantels auf in Richtung Erdkruste. Je näher das Magma an die Erdkruste
gelangt, umso kälter wird es und der Gesteinsbrei kühlt langsam ab. Dieser Vorgang
dauert mehrere tausend Jahre. Es entstehen Minerale und diese Minerale bilden ein
Gestein, das wir GRANIT nennen.
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2
Das Magma steigt in Richtung Erdkruste
Granit
Besteht aus Feldspat, Quarz und
Glimmer
Der Granit besteht aus 3 verschiedenen Mineralen:
-
einem rosafarbigen, undurchsichtigen Mineral = FELDSPAT
-
einem weißen, durchsichtigen Mineral = QUARZ
-
einem schwarzen, stark glänzenden Mineral = GLIMMER
Bei einem dieser plötzlichen und erschreckenden Prozesse staut sich das heiße
Magma lange unter der Erdkruste auf und bricht dann ganz plötzlich als Vulkan aus
der Erde heraus.
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3
Vulkanausbruch mit Asche
Vulkanausbruch mit Lava
Wird die Lava dabei durch die Luft geschleudert, werden viele kleine Luftbläschen
eingeschlossen. Es entsteht ein sehr leichtes Gestein, der BIMS. Diese Steine
schwimmen auf dem Wasser und haben meistens eine weißliche bis graue Farbe.
Fließt die Lava als rot glühender Strom aus dem Vulkan und kühlt sich langsam ab,
entsteht der BASALT. Dieses Gestein ist schwarz, ziemlich schwer und hat eine sehr
raue Oberfläche. Diese Art Vulkanausbruch gibt es an Land und unter Wasser.
Lava an Land
Lava unter Wasser
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Experimente zum Thema:
Experiment: Gasexplosion
Bei diesem Experiment sollte ein Erwachsener dabei sein!
Sprudelgetränke enthalten ein Gas – Kohlendioxid – Gemisch, das unsichtbar ist,
solange die Flasche verschlossen ist. Infolge des Drucks in der Flasche ist das Gas
gelöst, so dass sich keine Blasen bilden. Nichts anderes ist es beim Magma in der
Erdkruste: Kohlendioxid und andere Gase bleiben wegen des hohen Drucks im
geschmolzenen Gestein gelöst. Mit einer Plastikflasche voller Sprudel könnt ihr
demonstrieren, was passiert, wenn Magma aufsteigt und der Druck abfällt.
IHR BRAUCHT:
- Plastikflasche mit Sprudel
- Lebensmittelfarbe
1. Wenn ihr den Deckel ein wenig aufschraubt, um den Druck zu verringern,
steigen Blasen auf. Schließt den Deckel, und sie verschwinden.
2. Entfernt neuerlich den Deckel, und gebt etwas Lebensmittelfarbe ins Wasser.
Damit könnt ihr die Blasen leichter sehen.
3. Schraubt den Deckel fest, und schüttelt die Flasche leicht. Dadurch wird eine
Menge Gas frei.
4. Schraubt den Deckel ein wenig auf, und haltet die Flasche von eurem Gesicht
weg. Das sprudelnde „Magma“ bricht aus der Flasche aus, wenn der Druck
plötzlich fällt.
Die Menge des im Magma gelösten Gases hängt vor allem vom Druck ab. Wenn
Magma zur Oberfläche aufsteigt, fällt der Druck, so dass es weniger Gas halten
kann. Das freigesetzte Gas bildet Blasen, die zunächst klein sind, wenn der Druck
noch groß ist. Wenn er aber weiter fällt, dehnen sich die Blasen aus, bis das Magma
aufschäumt und unter heftigen Explosionen ausfließt.
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Experiment: Lava fließt
Es gibt viele verschiedene Arten von Lava. Einige sind so zäh, dass sie kaum noch
fließen, andere so flüssig, dass sie große Strecken mit bis zu 100 km/h zurücklegen.
Silikatreiche (saure) Laven sind zäher als nichtsaure, die nach dem Abkühlen
Basaltgestein bilden. Dieses Experiment zeigt, wie verschiedene Flüssigkeiten oder
„Laven“ fließen. Dazu müsst ihr jede Flüssigkeit etwa 10 cm über dem Teller sacht
ausgießen und beobachten, wie sie sich frei darauf ausbreitet. Wenn ihr die
Flüssigkeiten in einem Wasserbad erwärmt, ändert sich der Fluss auch mit der
Temperatur. Schließlich seht ihr noch, was passiert, wenn flüssige „Lava“
Feststoffteilchen enthält.
IHR BRAUCHT
-
Gläser
Wasser
Sand
Löffel
Stoppuhr
Tablett
Notizblock
Bleistift
Teller und Schüssel
Zähe Flüssigkeiten
Selbstgebraute Lava
Ihr braucht im Haushalt übliche Flüssigkeiten wie Sirup, Honig, Spülmittel und
Shampoo. Sie sind – wie Lava – unterschiedlich dick, was sich mit der Temperatur
ändern kann.
1. Stoppt zuerst die Ausbreitung der dünneren Flüssigkeiten. Erwärmt sie im
Wasserbad, und vergleicht die Zeiten.
2. Wiederholt das Experiment mit einer sehr zähen Flüssigkeit wie Sirup. Er hat
eine hohe Viskosität.
3. Vermischt den Sirup mit dem Sand. Dadurch wird er so zäh, dass er kaum
noch fließen kann.
4. Gießt die Mischung aus und stoppt, wie lange sie zum Ausbreiten braucht.
Wodurch unterscheidet sich ihre Form von der der dünnsten Flüssigkeiten?
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Sedimentgestein
Die Erdkruste besteht großenteils aus Magmagesteinen, aber selbst diese Gesteine
sind nicht für immer unverrückbar. Wenn Gestein Sonne, Luft und Regen ausgesetzt
ist, beginnt es sich allmählich zu verändern. Im Laufe von Jahrtausenden kann
dadurch aus dem härtesten Granit weicher klebriger Ton werden.
Manchmal zerfällt Gestein durch chemische Reaktionen zwischen ihm und der Luft,
oder weil Wasser darauf tröpfelt. Ein anderer Grund sind die Auswirkungen von
Wärme und Kälte und anderen Umweltbedingungen. Wenn der Regen auf die Erde
fällt, versickert ein großer Teil in der Erde, der andere Teil fließt auf der
Erdoberfläche ab und transportiert Sand, Ton und andere Bodenbestandteil in die
Bäche und Flüsse und diese fließen in die Meere. Bei diesem Vorgang wird der
Boden über unserer „Granitkugel“ forttransportiert und die Granitkugel kommt zum
Vorschein.
Wenn die Sedimentpartikel mit den Flüssen ins Meer gelangt sind, lagern sie sich
dort auf dem Meeresboden ab. Aber nicht nur diese Partikel sinken auf den
Meersboden, auch die Reste von Pflanzen und Tierschalen oder Skeletten fallen
langsam durch das Wasser und schichten sich übereinander. Die ältesten Teile
liegen ganz unten und die jüngsten Teile liegen ganz oben. Nach vielen
Jahrmillionen,
in
denen
sie
zusammengepresst
werden,
entstehen
Sedimentgesteine.
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In Bremen sind ganz viele Gebäude in der Stadt aus so einem Sandstein gebaut. Der
Stein heißt der „Bremer Stein“. Das Rathaus, der Roland, die Bremer Bank und
Karstadt sind daraus gebaut worden.
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DER BREMER STEIN
Die Tierreste, die in manchen dieser Sedimentgesteine enthalten sind, sind
Muscheln, Schnecken, Foraminiferen und Ammoniten.
Muscheln und Schnecken kennt jeder, Muscheln haben 2 gleiche Klappen und
werden am Schloss zusammengehalten. Schnecken haben 1 Gehäuse und sind oft
wie eine Spirale aufgerollt. Foraminiferen sind ganz winzig kleine Tiere. Ihre Schale
passt durch ein Nadelöhr, sie leben nur im Meer. Ammoniten haben vor vielen
Jahrmillionen in den Urmeeren der Erde gelebt, sie hatten eine aufgerollte Schale.
Heute lebt nur noch der Nautilus in unseren Meeren, er ist mit den Ammoniten
verwandt.
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MUSCHELN
SCHNECKEN
AMMONITEN
FORAMINIFEREN
NAUTILUS
Alle Schalen dieser Tiere bestehen aus Kalk. Die Gesteine, die entstehen, wenn
diese Schalen auf den Meeresboden sinken und dort ein Sedimentgestein bilden,
sehen häufig genauso aus wie ein Sandstein, der aus ganz kleinen Quarzkörner
besteht. Um zu unterscheiden, ob ein Sedimentgestein aus Quarz oder aus Kalk
besteht, gibt es einen einfachen Test. Mann nimmt eine kleine Tropfflasche mit
3%iger Salzsäure und tropft einige Tropfen Salzsäure auf die Sedimentgesteine.
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Besteht das Gestein aus Quarzkörnern, passiert nichts. Besteht das Gestein aber
aus Schalenresten, also aus Kalk, fängt der Tropfen an zu brausen und es entstehen
Blasen, weil die Salzsäure den Kalk auflöst und dabei Kohlensäure entsteht. Es
sprudelt also wie bei einer Sprudelflasche.
Kalknachweis mit 3%iger Salzsäure
Experimente zum Thema
Experiment: Erosion durch Regen
Bei kurzen, heftigen Regenfällen prallen die Regentropfen auf weichen Boden mit
geringer oder keiner Vegetation so heftig auf, dass sie Erdkrumen oder lose
Gesteinsteile lösen. Im folgenden Experiment könnt ihr diese Niederschlagserosion
beobachten – aber auch, wie eine härtere Gesteinsschicht das Material darunter
schützt.
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IHR BRAUCHT:
-
Plastikschale
Sand
Münzen
1. Legt in der Schale einen Sandhaufen an und legt ein paar Münzen darauf.
Stellt die Schale ins Freie, wo sie dem Regen ausgesetzt ist.
2. Der Regen wird den Sand allmählich abtragen. Unter den Münzen erodiert er
langsamer, so dass hier Säulen stehen bleiben.
Experiment: Sedimentgestein ansetzen
Wird loses Sediment in festes Gestein umgewandelt, nennt man diesen Vorgang
„Diagenese“; er dauert Jahrmillionen. Ihr aber könnt Schichten von Sedimentgestein
aus Sand, Lebensmittelfarbe und Spachtelmasse in ein paar Tagen ansetzen. Die
Spachtelmasse zementiert die Sandkörnchen zusammen – wie Mineralien, wie
Kalzit, es in richtigem Gestein auch machen. Ihr könnt sogar eine „fossile“ Muschel
zwischen die Schichten geben.
IHR BRAUCHT:
-
Sand
Löffel
Lebensmittelfarben
Spachtelmasse
Plastikflasche
Muscheln
Schere
Schüssel
Vaseline
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1. Vermischt die Farben mit feuchtem Sand und Spachtelmasse (1 Teil Sand und
1 Teil Spachtelmasse). Gebt alles schichtweise in die abgeschnittene
Plastikflasche, mit den Vaseline-eingefetteten Muscheln.
2. Lasst euer „Gestein“ ein paar Tage aushärten. Schneidet nun die Flasche
vorsichtig weg.
3. Ihr könnt die Schichten auch aufbrechen und die „fossilen“ Muscheln samt
ihrem Abdruck freilegen.
Experiment: Salzgestein
Löst eine größere Menge Tafelsalz in Wasser auf, schüttet es auf einen Teller und
stellt das ganze an einen warmen Ort – das Wasser wird schnell verdunsten und eine
Salzkruste auf dem Teller zurücklassen. Versucht es auch mit destilliertem Wasser
und vergleicht die Ergebnisse. Auf die gleiche Weise müssen einst Seen und Meere
bei sehr trockenem Klima verdunstet sein und riesige Salzlager hinterlassen haben,
wie das Steinsalz, das heute industriell gefördert wird.
Metamorphe Gesteine
Die dritte Hauptgesteinsart umfasst die umgewandelten Gesteine. Die Mineralien der
Ergussgesteine (magmatische Gesteine) oder der Sedimentgesteine sind zwar recht
beständig, aber unter besonderen Umständen, z.B. unter extremen Druck- und
Temperaturverhältnissen, können sie sich verändern und umkristallisieren. Das dabei
entstehende Gestein wird als metamorphes Gestein bezeichnet.
Es gibt zwei Arten von metamorphen Gesteinen:
-
Regionalmetamorphe Gesteine, bei denen die Verwandlung mehr auf
Druck als auf hohe Temperaturen zurückzuführen ist. Sie sind in der Tiefe
unter Gebirgsketten anzutreffen. Aus ihnen bestehen vermutlich auch die
unteren Bereiche der Erdkruste. Unterschiedlicher Druck führt auch zu
verschieden stark veränderten Gesteinen.
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-
Leichter Druck verändert ein Gestein nur wenig und unterscheidet sich nur
vom Ausgangsgestein darin, dass die Mineralien in einer anderen Richtung
angeordnet sind. Schiefer ist ein typisches Beispiel einer schwachen
Metamorphose.
-
Bei sehr hohem Druck wird der mineralische Aufbau des Gesteins völlig
verändert, es entstehen völlig andere Mineralien, die sich in einzelnen
Lagen anordnen und dann unter starkem Druck häufig gefaltet und
gestaucht werden. Gneis ist ein typisches Beispiel für eine solche
Veränderung.
-
Kontaktmetamorphe Gesteine, bei denen die Verwandlung mehr auf hohe
Temperaturen zurückzuführen sind, gehören der zweiten Art von
metamorphen Gesteinen an. Meist sind sie am Rand eingedrungener
(intrusiver) Erstarrungsgesteine anzutreffen, wo die Hitze der abgekühlten
Masse das angrenzende Gestein „aufkochte“. Dadurch entsteht
ein
„Kontakthof“ um das Erstarrungsgestein herum, der einige Zentimeter breit
ist. Kontaktmetamorphe Gesteine weisen keine innere Struktur auf und
können leicht als Erstarrungsgesteine missgedeutet werden. Typische
Vertreter sind aus Sandstein umkristallisierter Quarzit und aus Kalkstein
entstandener Marmor.
Beispiele für Gneis, Marmor und Quarzit
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Plattentektonik
Ursache für die dynamisch gesteuerten Veränderungen bei den metamorphen
Gesteinen, ist die Tatsache, dass die Erde nicht reglos ist. Die Oberfläche unterliegt
einem ständigen Wandel. Unaufhörlich wirkende Kräfte bewirken die langsame
Entstehung von neuen Gebirgen und die ebenso langsame Abtragung dieser
Gebirge.
Wenn man eine Suppe kocht, bildet sich Schaum, der sich infolge der in der
Flüssigkeit herrschenden Konvektionsströme an der Oberfläche bewegt. Etwas
Ähnliches geschieht auch an der Erdoberfläche. Die Erdkruste wird unablässig
zerstört und wieder erneuert, das gilt nicht nur für das Gestein der Kontinente,
sondern für die gesamte äußere Schale. Entlang der die Oberfläche bildenden
Platten quillt glutflüssiges Gesteinsmaterial empor, das fest wird und sich so in neues
Plattenmaterial verwandelt. Dieses neue Plattenmaterial bewegt sich immer weiter
vom Plattenrand fort und wird schließlich beim Abgleiten in die tieferen Bereiche der
Erdkruste wieder zerstört. Diese Vorgänge finden am Meeresboden statt, quer durch
die Ozeane erstreckt sich ein System von untermeerischen Vulkanketten und tiefen
Gräben, in denen das Oberflächenmaterial nach unten gezogen und zerstört wird.
Die Kontinente sind auf diese beweglichen Platten eingebettet und ändern auf Grund
dieser Bewegung (Drift) stetig ihre Lage.
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Lage der Kontinente durch die Erdzeitalter
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Schematische Darstellung der Plattenbewegung
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