Geographie 207: Petrographie

Geographie 207: Petrographie
Sphäre
Tiefe
Temp.
Dichte
Aggregatszustand
fest
Kruste
-70 km
-1'000°C
2,8 g/cm3
Mantel
-2900 km
3'700°C
4,6 g/cm3
viskos /
zähplastisch
Kern
(Nife)
2'900 km +
4-5'000 °C
10-13
g/cm3
flüssig
fest
unterteilt in
ozeanisch
kontinental
oberer Mantel
Asthenosphäre
unterer Mantel
äusserer Kern
innerer Kern
Lithosphäre
Die Lithosphäre setzt sich aus der Kruste und dem äussersten Teil des Mantels oberhalb der
Asthenosphäre zusammen und ist ca. 100 km mächtig. Besteht aus 12 tektonischen Platten.
Mineralien
Stoffe aus chemischen Elementen (Atome oder Ionen)
Häufigste Elemente der Erdkruste:
Sauerstoff
Silizium
Aluminium
Eisen
Kalzium
Natrium
Kalium
Magnesium
46,6%
27,7%
8,1%
5,0%
3,6%
2,8%
2,6%
2,1%
Eigenschaften von Mineralien:
Kristallform: Mineralien sind durch ihr Kristallgitter eindeutig definiert
Härte: Mohs'sche Härteskala ! Härteres Mineral kann weicheres ritzen.
Spaltbarkeit/Bruchflächen: je besser Spaltbarkeit, desto ebener, glatter die Bruchflächen
Glanz: Metallglanz, Fettglanz, Perlmuttglanz
Farbe/Strichfarbe: Farbe bei frischem Mineral bestimmen, Mineral über unglasiertes Porzellan ziehen
Spez. Gewicht / Dichte
Magnetismus, Geschmack
Die wichtigsten Mineralien:
Silikatmineralien (SiO4)4-: Quarz, Feldspat ! Gerüstsilikat (Silikattetraeder gerüstartig aufgebaut);
Glimmer, Tonmineralien ! Schichtsilikat (Silikattetraeder schichtartig aufgebaut)
Gerüstsilikate:
- Quarz: Bergkristall.
Schlechte Spaltbarkeit, Härte 7, reagiert nicht mit verdünnter Salzsäure
tritt in magmatischen und metamorphen Gesteinen und Sedimentgesteinen
auf
-
Feldspat
bauen ca. 60% der Erdkruste auf.
helle Farbe, gute Spaltbarkeit in 2 Richtungen, Härte 6,
reagiert nicht mit verdünnter Salzsäure
Schichtsilikate:
- Glimmer (Muskowit und Biotit)
starker Glanz (Perlmuttglanz), Härte 2,5
Muskowit: farblos bis weiss, silbern glänzend, tritt häufig in magmatischen
und verschieferten metamorphen Gesteinen auf.
Biotit: dunkelbraun bis schwarz, schimmert im Sonnenlicht bronzefarben,
tritt häufig in magmatischen und verschieferten metamorphen Gesteinen
auf.
Karbonatmineral Kalzit:
Chemische Formel: CaCO3, rhomboedrisch, farblose bis weisse Kristalle.
gut spaltbar, glänzende Bruchflächen, Härte 3. Hauptbestandteil von Kalksteinen.
Reagiert schäumend mit verdünnter Salzsäure.
Oxidmineralien Magnetit und Hämatit
Hämatit (Fe2O3): metallisch matt glänzend, stahlgrau bis eisenschwarze Glanz,
rotviolette Masse ohne Metallglanz. Hohe Dichte 4.9-5.3 g/cm3, rotbraune
Strichfarbe, nicht magnetisch
Magnetit (Fe3O4): Dunkelviolett-schwarz, körnige bis dichte Masse.
Hohe Dichte 5.2 g/cm3 (! doppelt so schwer wie gleich grosse Silikat/Karbonatprobe).
Schwarze Strichfarbe, magnetisch.
Sulfide/Sulfate:
Pyrit (FeS2) wichtigstes Sulfid. Goldig glänzend, würfelförmig (Katzengold), Härte 6,
hohes spezifisches Gewicht 5 g/cm3, Strichfarbe ist grünlichgrau, verwittert rostig.
Gips (CaSO4 2H2O): farblos bis grau, rötlich, körnig, faserig oder dicht, selten in
Kristallform. Gute Spaltbarkeit, Perlmuttglanz. Härte 2 (mit Fingernagel ritzbar),
spezifisches Gewicht 2,3 g/cm3 , reagiert nicht mit verdünnter Salzsäure.
Steinsalz (NaCl): körnige, dichte Masse, würfelförmige Kristalle (wenn zerkleinert),
gute Spaltbarkeit, Härte 2, tiefes spezifisches Gewicht 2.1-2.2 g/cm3, salziger
Geschmack.
Elementare Mineralien: Gold, Silber, Kupfer, Diamant, Graphit, Schwefel
Einteilung der Gesteine
-
Magmatische Gesteine (Erstarrungsgesteine)
Sedimentgesteine (Ablagerungsgesteine)
Metamorphe Gesteine (Umwandlungsgesteine)
Magmatische Gesteine
Magmatite entstehen durch das Abkühlen von Magma in der Erdkruste (in Plutonen) oder durch das
Erstarren von Lava an der Erdoberfläche (bei Vulkanen).
Einteilung der magmatischen Gesteinen:
- Gefüge
- Mineralgehalt
Abkühlungsgeschwindigkeit bestimmt das Gefüge:
-
langsame Abkühlung: Instrusivgestein / Tiefengestein / Plutonite
In Tiefen von 8-10 km ! Temperatur noch hoch, Magma kühlt nur langsam ab. Mineralien
haben lange Zeit um zu kristallisieren ! makrokristallines Gefüge " Granit
-
schnelle Abkühlung: Effusivgestein / Ergussgestein / Vulkanite
Gesteinschmelze läuft aus und erstarrt zu Vulkaniten. Temperaturschock der mehrere
hundert Grad heissen Gesteinschmelze durch Kontakt mit Atmosphäre, Erdoberfläche,
Meerwasser ! Abschreckung ! es können keine Kristalle entstehen ! mikrokristalline oder
glasige Gefüge " Basalt (mikrokristallin); Obsidian (amorph)
Bimssteine: Gase bleiben im rasch aufsteigenden Magma gefangen ! Poröses Gestein.
Porphyr: Bereits im Erstarrungsprozess befindliches Magma wird plötzlich abgekühlt !
Kristalle in feinkörnige bis glasige Masse eingebettet.
Chemismus bestimmt den Mineralgehalt:
-
Kieselsäuregehalt (SiO2)
o helle Mineralien: sauer (Quarz, Feldspat)
o dunkle Mineralien: basisch
Plutonische Gesteinsreihe
-
langsames Erstarren in der Tiefe ! grobkörniges Mineralgefüge
o
Granit: 70% SiO2-Gehalt ! sauer
# Feldspat, Quarz und Glimmer, die vergess ich nimmer!
o
Diorit, Gabbro ! basisch
Vulkanische Gesteinsreihe
-
Lava tritt aus Vulkankrater aus und kühlt
schnell ab ! mikrokristallines oder
amorphes Mineralgefüge
o
o
Rhyolith ! sauer
Basalt ! basisch
Ganggesteine
In Gesteinen mit klar ersichtlicher Schichtung, Lagergänge parallel zur Schichtung
-
Lagergänge: horizontal
Gesteinsgänge: vertikal
Ganggesteine haben meist porphyrische
Struktur und enthalten manchmal Erzgänge.
Magmatische Gesteine und Plattentektonik
Spreadingzonen:
An Spreadingzonen sammeln sich in Magmakammern basaltische (basische, kieselsäurearm)
Gesteinsschmelzen, welche sich periodisch entleeren und zu ozeanischer Kruste erstarren.
Subduktionszonen:
An Subduktionszonen werden auch Sedimente und teilweise gar kontinentales Krustenmaterial
subduziert. Die in der Tiefe freigesetzten Fluide wie Wasser und CO2 senken die Schmelztemperatur
der Gesteine und beim Aufstieg durch kontinentale Kruste können sich die Magmen mit Kieselsäuren
anreichern. An Subduktionszonen entstehen eher saure Plutonite und meist explosiver Vulkanismus.
Sedimentgesteine
Entstehung:
-
-
Verwitterung und Erosion:
Zerstörung der Gesteine an der Erdoberfläche. Physikalische Verwitterung: Zerkleinerung;
chemische Verwitterung: Veränderung oder Auflösung
Erosion: Zuzüglich zur Verwitterung, Transport durch Wasser, Eis, Wind, Schwerkraft
Transport und Ablagerung
Diagenese: alle Veränderungen der Sedimentgesteine nach der Ablagerung bis zur
Freilegung oder Umwandlung. Kompaktion: durch das Gewicht der überlagernden Schichten,
Zementation: Verkittung der Sedimentpartikel.
Charakteristika:
-
Schichtungen, Gradierungen, Fossilien, Ablagerungsstrukturen.
Einteilung der Sedimentgesteine
Klastische Gesteine:
- Grobklastische: Gesteinsbruchstücke > 2mm.
Eckig: Brekzie;
rund: Konglomerat, Nagelfluh
- Mittelkörnige Klastika: Sandsteine
- Feinklastische Steine: Silt- und Tonstein
Chemische und biogene Sedimente:
- chemische Sedimente entstehen durch Übersättigung und Ausfällung: Infolge der ständigen
Anreicherung von Gewässern mit Ionen oder durch die Veränderung der physikalischen
Bedingungen im Gewässer.
- biogene Sedimente entstehen aus Überresten von Lebewesen
-
-
-
Karbonatgesteine: Kalksteine (weiss über rötlich, grünlich bis schwarz), entstehen in
küstennahen Meeren und Seen, enthalten von Auge erkennbare glänzende
Kalkspatplättchen.
biogener Kalkstein: aus Lebewesen mit Kalkschalen
o spätige Kalke: entstehen im Riffbereich (Schelfmeer) aus Schalentrümmer von
Muscheln, Korallen usw.
o mikritische Kalke: tiefere Meeresbereiche (Tiefsee), aus Foraminiferen
Sinterbildung: Ausfällung von Kalziumkarbonat; entweder ganze Sinterterrassen oder Adern
eines Gesteines.
Mergel: Mischgestein von Kalk- und Tonstein
Dolomit: entsteht diagenetisch aus Kalksedimenten in flachen
Meeresbuchten.
Magnesium-Ionen aus dem Meerwasser ersetzt Kalzium-Ionen aus
Kalksedimente.
Evaporite: Gips, Anhydrit, Steinsalz: entstehen durch Verdunstung von
Wasser. Entsprechend ihrer Löslichkeit werden aus dem übersättigten Gewässer der Reihe
nach Karbonat, Gips/Anhydrit, Steinsalz und Abraumsalz ausgeschieden.
Hornstein: aus Diatomeen (Strahlentierchen in arktischen und antarktischen Ozeanen) und
Radiolarien (tropische Gewässer). Bildet sich hauptsächlich in der Tiefsee (ab 4000 m)
Fossile Energierohstoffe
- Kohle: entsteht in kontinentalen Feuchtgebieten aus abgestorbenem Pflanzenmaterial !
anaerob. Zunehmender Inkohlungsprozess (C-Gehalt nimmt zu): Torf, Braunkohle,
Steinkohle, Anthrazit
- Erdöl: in Schelfmeere. Kleine organische Partikel sedimentieren; steigender Druck und
Temperatur ! Bildung von Kohlenwasserstoff
- Erdgas: Gemeinsame Entstehung mit Erdöl und beim Inkohlungsprozess
Fazies
! Aussehen und Merkmale, welche die Unterscheidung von Sedimentgesteinen erlauben
-
Hochgebirge: Physikalische Verwitterung ! Brekzien durch Diagenese
Gebirgsbäche: kurzer Wassertransport ! Brekzien; längerer Transport und ev. Mündung in
Gebirgssee ! Sand-, Silt-, Tonstein
Gletscher: schieben das Gesteinsmaterial als Moräne vor sich her ! vorwiegend Brekzien.
Das vom Gletscher abgeriebene Gesteinsmehl wird vom Wind weggetragen und als Löss
abgelagert ! daraus: Silt-, Tonsteine
Gletscherbach (heftig sprudelnd) !Konglomerate und Sandsteine
Flüsse: Komponenten mit wachsender Transportdistanz immer kleiner. Brekzien,
Konglomerate, Sandstein, Silt-, Tonsteine. Oft auch Einlagerung von organischem Material !
Torf- und Kohlebildung.
Deltabereich ! Konglomerate, Sandstein, Silt-, Tonsteine
Seen ! Silt-, Tonsteine; in karbonatreichen Gewässern ! Kalkstein und Mergel; in
warmtrockenen Klimazonen ! Evaporite
Wüste: bei Winderosion ! Sandstein, Tonsteine; nach Regenfällen ! Brekzien; nach
Verdunstung des Wassers ! Evaporite
Meeresküsten: durch Brandung ! Konglomerate, Sandstein; bei vollständiger Austrocknung
! Kalkstein, Dolomit, Gips, Steinsalz
Schelfbereich: Schwebstoffe der Flüsse setzen sich ab ! Silt-, Tonsteine; Spatkalke
Kontinentalabhang: Übergang von Schelfmeer zu Tiefsee ! Kalke, Silt-, Tonsteine;
untermeerische Rutschungen durch Erdbeben ! Brekzien
Tiefsee: Kalksedimente ! Mergel, Tonsteine; in polaren Tiefseegebieten ! Hornsteine
Metamorphe Gesteine (Umwandlungsgesteine)
Mineralbestand und Gefüge von Gesteinen können durch erhöhte Druck- und
Temperaturbedingungen verändert werden. Diese Gesteinsumwandlungen werden als
Metamorphose bezeichnet. Der Metamorphosegrad bezeichnet deren Intensität.
Viele metamorphe Gesteine weisen eine Schieferung und Stoffbänderung auf.
(Abb. Gneis)
Die Metamorphose wird durch Temperatur, die allseitig und gerichteten Drücke
sowie durch chemische Einflüsse gesteuert. Die chemischen Reaktionen von hydrothermalen
Lösungen mit dem Nebengestein führten zur Bildung vieler wichtiger Erzlagerstätten.
Metamorphoseformen
-
Regionalmetamorphose: entsteht durch plattentektonische Bewegungen bei der Subduktion
von ozeanischer Kruste und Kollision zweier kontinentalen Platten.
Kontaktmetamorphose: Gesteine in Kontakt mit Intrusion (Erstarrtes Magma in Kruste) ! je
näher an Intrusion desto höher metamorph, da Temperatur höher ist.
Hydrometamorphose: Hauptsächlich an Spreading-Zonen; Meerwasser tritt in heisse Basalte
und wird erwärmt ! chemische Reaktionstätigkeit nimmt zu, chemische Zusammensetzung
der Basalte ändert sich.
Versenkungsmetamorphose: Überdeckung mit Sedimenten ! Druck und Temperatur
nehmen zu; Gesteinsveränderung jedoch weniger intensiv ! Schichtung und
Sedimentstruktur bleiben erhalten.
Metamorphe Gesteinstypen
-
Verschieferte Gesteine: Tonschiefer, Glimmerschiefer,
Gneise
-
Unverschieferte Gesteine: Marmor, Quarzite
Kreislauf der Gesteine
Einteilung der Gesteine
Magmatische Gesteine (Erstarrungsgesteine)
Grobkristalline Plutonite (Intrusiva, Tiefengesteine)
• saure Plutonite
• basische Plutonite
Granit
Gabbro
Ganggesteine
Porphyr
Feinkristalline und glasige Vulkanite (Effusiva, Ergussgestein)
• saure Vulkanite
• basische Vulkanite
• vulkanische Gläser
• aufgeschäumte vulkanische Gläser
Rhyolit
Basalt
Obsidian
Bimsstein
Sedimentgesteine (Ablagerungsgesteine)
Klastische (mechanische) Sedimentgesteine
• Grobkörnige (>2mm)
eckige Komponenten
runde Komponenten
• mittelkörnig (0.063-2 mm)
• feinkörnig (<0.063 mm)
Chemische und biogene Sedimentgesteine
• Karbonate
Kalziumkarbonat
- grobkörnig
- feinkörnig
Kalzium-Magnesiumkarbonat
• Evaporite
Sulfate
weitere Salze
• Kieselgesteine
• Kohlenwasserstoffe
Feste Kohlenwasserstoffe
flüssige Kohlenwasserstoffe
gasförmige Kohlenwasserstoffe
Brekzie
Konglomerat (Nagelfluh)
Sandstein
Silt- und Tonstein
Spatkalk
Mikritkalk
Dolomit
Gips und Anhydrit
Steinsalz, Abraumsalz
Hornstein (Silex, Feuerstein)
Braun- und Steinkohle, Anthrazit
Erdöl
Erdgas
Metamorphe Gesteine (Umwandlungsgesteine)
Verschieferte Gesteine
• schwach metamorph
• mittelgradig metamorph
• hoch metamorph
Tonschiefer
Glimmerschiefer
Gneis
Unverschieferte Gesteine
• Ausgangsgestein Kalk oder Dolomit
• Ausgangsgestein quarzreicher Sandstein
• Ausgangsgestein basischer Vulkanit
Marmor
Quarzit
Grünsteine
Mineral
Härte
Dicht g/cm3
Farbe
Muskowit
2,5 (Taschenmesser) 2.8-3.4
farblos - weiss
Biotit
2.5 (Taschenmesser) 2.8-3.4
dunkelbraun - schwarz
Quarz
7 (ritzt Fensterglas)
2,65
Feldspat
6 (ritzt Fensterglas)
2.5-2.8
farblos - grau (rosa, violett)
hell (farblos, weiss, grau, rötlich,
grünlich
Kalzit
3 (Taschenmesser)
2.6-2.8
Hämatit
5,5-6,5 (Fensterglas) 4.9-5.3
stahlgrau - eisenschwarz, rotviolett
Magnetit
5.5 (Fensterglas)
5.2
dunkelviolett - schwarz
Pyrit
6 (Fensterglas)
5
goldig
Gips
2 (Fingernagel)
2.3
farblos, weiss, grau, rötlich
Steinsalz
2 (Fingernagel)
2.1-2.2
farblos, weiss (rötlich, gelb, grau,
blau)
oft glatte, rhomboedrische Bruchflächen
erkennbar, gute Spaltbarkeit in allen Richtungen,
reagiert mit 10%iger Salzsäure
metallischer Eisenglanz oder rotviolette Masse,
kirschrote - rotbraune Strichfarbe
schwarze Strichfarbe, magnetisch
metallisch glänzend (Katzengold), oft als
Pyritwürfel kristallisiert, grünlich-graue Strichfarbe
gute Spaltbarkeit und Perlmuttglanz der
Gipskristalle, meist als körnige, dichte oder
faserige Masse, spröde
salzig, in würfelförmigen Kristallen, gute
Spaltbarkeit
Gold
2.5-3
(Taschenmesser)
16-19
goldig
hohes spezifisches Gewicht, weich
Diamant
10 (härtestes Mineral) 3.5
farblos, klar, trüb grau bis schwarz
extrem hart
Graphit
1 (Fingernagel)
2.2
schwarz
Schwefel
1,5-2 (Fingernagel)
2,1
zitronengelb bis gelbbraun
farblos, weisslich - grau (gelblich,
rötlich, bräunlich)
Spezielles
silbriger Perlmuttglanz, sehr gute Spaltbarkeit
entlang der Glimmerlagen
bronzefarbiger Schimmer im Sonnenlicht, sehr
gute Spaltbarkeit entlang der Glimmerlagen
schlechte Spaltbarkeit, unregelmässiger Bruch
gute Spaltbarkeit in zwei Richtungen
Metallglanz, schwarze Strichfarbe, auf Papier
schwarz abfärbend
spröde, in körnigen und dichten Massen, selten in
Kristallform