Petrogenese

Säulenbasalt

Als Gestein bezeichnet man eine feste, natürlich auftretende, in der Regel mikroskopisch heterogene Vereinigung von Mineralen, Gesteinsbruchstücken, Gläsern oder Rückständen von Organismen mit einem weitgehend konstanten Mischungsverhältnis dieser Bestandteile zueinander.

Die Untersuchung der Lithogenese (gr. λίθος lithos ‚Stein, Fels, Gestein‘), Petrogenese (πετρος petros ‚Stein‘) oder Gesteinsbildung ist zentrales Gebiet der Petrologie und Geologie, aber auch der Geophysik und Geochemie.

Das älteste bisher gefundene Gestein aus dem Nuvvuagittuq-Grünsteingürtel an der Hudson Bay im nördlichen Kanada wird auf ein Alter von 4,28 Milliarden Jahre geschätzt.^[1]

Begriffsbestimmung

Der geologische Gesteinsbegriff ist weiter gefasst als der umgangssprachliche und bezieht auch natürlich auftretende Metall-Legierungen, vulkanisches Glas, Eis, lockeren Sand oder Kohle ein. Die Lehre von den Gesteinen, die Petrologie, ist ein Teilgebiet der Geowissenschaften. Beispiele für verschiedene Gesteinsarten sind in der Liste der Gesteine zu finden.

Die Erde und die inneren Planeten des Sonnensystems bauen sich aus sehr großen, räumlich zusammenhängenden Massen von Gesteinen auf. Jedoch sind diese nur an der Oberfläche der Erdkruste sichtbar und zugänglich, insbesondere in Gebirgen, die durch tektonische Vorgänge der Gebirgsbildung entstehen.

Zusammensetzung und Gefüge

Gesteine bestehen in erster Linie aus Mineralen, von denen aber nur etwa dreißig einen bedeutenden Anteil an der Gesteinsbildung haben. Vor allem sind dies Silikate, wie Feldspäte, Quarz, Glimmer, Amphibole oder Olivin, aber auch Karbonate, wie Calcit oder Dolomit sind wichtige Bestandteile von Gesteinen. Neben diesen Hauptgemengteilen (die mineralischen Komponenten, die mehr als 10% der Gesamtmasse ausmachen) enthalten die meisten Gesteine noch so genannte Nebengemengteile (Komponenten die zwischen 10 und 1% ausmachen) oder Akzessorien (Komponenten, die nur zu <1% enthalten sind). Häufig sind Akzessorien für die Gesteine namengebend. Das weiteren ist durchwegs ein gewisser Anteil Wasser vorhanden, als Kristallwasser oder Porenwasser.

Als Gefüge eines Gesteins bezeichnet man seine Textur, die Verteilung der Minerale in einem Gestein, die sich aus den Eigenschaften und dem Verhältnis der gesteinsbildenden Minerale zueinander ergibt. Insbesondere die Größe und Form der enthaltenen Kristalle, sowie ihre räumliche Lage und Verteilung im Gestein, machen das Gefüge aus.

Gesteinsklassen und Entstehung

Natursteine lassen sich entsprechend ihrer Entstehung (Genese) in drei Gesteinsklassen unterteilen. Der häufig verwendete Begriff Gesteinsart führt in die Irre, denn nur durch die Evolution entstehen Tier- und Pflanzenarten.

In der Geotechnik und zahlreichen verwandten Wissenschaften wie der Bodenkunde unterscheidet man Gesteine grundsätzlich in zwei Gruppen, die Festgesteine und die Lockergesteine. Im technischen Sinne (bei der Verarbeitung) wird in Hartgestein und in Weichgestein unterschieden.

Magmatische Gesteine (Magmatite)

Granit

Magmatische Gesteine (Erstarrungsgesteine) entstehen durch das Erkalten und Auskristallisieren heißen geschmolzenen Materials aus dem Erdinneren, des so genannten Magmas. Die Nomenklatur von magmatischen Gesteinen nach ihrem Mineralbestand findet sich im Streckeisendiagramm.

Findet das Erkalten unterirdisch (tiefer als 5 km) statt, spricht man von Plutoniten oder Intrusivgesteinen (Tiefengestein). Durch die verhältnismäßig gute Wärmeisolation der aufliegenden Gesteine kühlt sich die Magmaschmelze nur langsam ab, so dass große Mineralkristalle entstehen können. Beispiele für plutonische Gesteine sind Granit, Granodiorit, Syenit, Diorit oder Gabbro. Das Magma kann riesige Gesteinsmassen bilden, die so genannten Plutone, die oft mehrere Tausend Kubikkilometer Gestein umfassen.

Magma kann jedoch auch in flüssigem Zustand zu Tage treten. An der Erdoberfläche im Kontakt mit Luft erkaltet es schnell und bildet dann die so genannten Vulkanite oder Extrusivgesteine (Ergussgesteine). Durch die rasche Abkühlung kommt es nur zur Bildung sehr kleiner Kristalle wie etwa beim Basalt oder Andesit. Weitere Beispiele sind Rhyolith und Trachyt. Oft existiert sogar überhaupt keine kristalline Ordnung, und es entsteht vulkanisches Glas wie beispielsweise Obsidian.

Ganggesteine bilden die Zwischenglieder von Plutoniten und Vulkaniten. Sie dringen in Spalten zwischen Magmakammer und Erdoberfläche ein, und erkalten dort als Gänge. Typisch für diese Gesteine ist das so genannte porphyrische Gefüge. Die relativ schnelle Abkühlung im Gang führt zur Herausbildung einer einheitlichen Grundmasse (Matrix). Allerdings haben sich schon auf dem Weg dort hin, in der Magmakammer, genau wie bei den Plutoniten, Kristalle herausgebildet. Diese Kristalle sind dann, wie z.B. beim Granitporphyr, als größere Einsprenglinge in der Grundmasse sichtbar. Weitere Beispiele für Ganggesteine sind z.B. Pegmatite, Aplite und Lamprophyre.

Metamorphe Gesteine (Metamorphite)

Gneis

Metamorphe Gesteine (Umwandlungsgesteine) entstehen aus älteren Gesteinen beliebigen Typs durch Metamorphose, das heißt durch Umwandlung unter hohem Druck beziehungsweise hoher Temperatur. Bei der Umwandlung ändert sich die Mineralzusammensetzung des Gesteins, weil neue Minerale und Mineralaggregate gebildet werden; der Gesteinschemismus bleibt aber weitgehend gleich. Daneben wird auch das Gesteinsgefüge transformiert. Beispielsweise entsteht aus Quarzsanden durch Rekristallation und die Ausbildung eines feinen Zements zwischen den Kristallkörnern das metamorphe Gestein Quarzit, aus Kalksteinen entsteht Marmor.

Weiträumige Metamorphose von Gesteinen findet meist in großer Tiefe statt, lokale Transformationen können aber auch nahe der Erdoberfläche auftreten, meist in Zusammenhang mit Vulkanismus oder seichten Granitintrusionen. Auch Meteoriteneinschläge führen zu Gesteinsmetamorphosen.

• Regionalmetamorphose steht in Zusammenhang mit Gebirgsbildungen und ist häufig druckbetont. Die damit verbundene Faltung von Gesteinen durch Kompression führt zu Rekristallisation und Einregelung von Mineralen und der Ausbildung einer Schieferung. Ein Beispiel ist die Umwandlung von tonigen Sedimenten in Schiefer, oder von magmatischen Gesteinen in Gneis.

• Kontaktmetamorphose bezeichnet die Gesteinsumwandlung durch Wärmeeinwirkung aus dem umgebenden Gestein heraus, entweder in lokalem Maßstab durch Aufheizen des Gesteins um kleinere magmatische Gänge herum bis hin zu großen Transformationszonen, sogenannten Aureolen, die sich um große, tiefsitzende plutonische Granit-Intrusionen herum bilden.

Sedimentgesteine (Sedimentite)

Sandstein

Sedimentgesteine (Ablagerungsgesteine) entstehen durch Verwitterung und Erosion von Gesteinen durch Wind (zum Beispiel Löss), Wasser (zum Beispiel Ton und Sand) oder Eis (zum Beispiel Tillit), die Lösung, den Transport und die nachfolgende Ablagerung ihrer Bestandteile, daneben auch durch biochemisch induzierten Niederschlag (zum Beispiel Kalk und Kreide) oder durch Verdampfung (Evaporit). So werden je nach Art der Genese klastische, chemische oder organogene Ablagerungsgesteine unterschieden.

Werden diese durch Sedimentation weiteren Materials bedeckt, verdichten sie sich durch Druck, Bindemittelzufuhr und erhöhte Temperatur, unter zunehmendem Wasserverlust, immer mehr, bis durch Neukristallisation und Kompaktion aus dem weichen Sediment das harte, spröde Sedimentgestein entstanden ist. Darin werden die einzelnen Minerale und Gesteinsbruchstücke durch eine feinkörnige Grundmasse, die Matrix, zusammengehalten. Diese Veränderungen nach der primären Sedimentation bezeichnet man als Diagenese. Beispiele von Sedimentgesteinen sind Sandstein, Kalksandstein, Kalkstein, Konglomerate und Brekzien.

Sedimente lagern sich meist kumulativ in einer Abfolge horizontaler Schichten ab; durch die Reihenfolge der Ablagerung sind von Ausnahmefällen abgesehen höherliegende Schichten jünger als tieferliegende, eine Erkenntnis, die als Superpositionsprinzip oder Lagerungsgesetz auf den dänischen Arzt und Geologen Nicolaus Steno zurückgeht. Nach ihrer Entstehung können Sedimentgesteine starken Kräften unterliegen, infolge derer die ehemals flachen Schichten gefaltet und gekippt werden, so dass die Lage des Gesteins im Raum so stark verändert sein kann, dass die ursprüngliche Schichtfolge lokal umgekehrt ist.

Sedimente lassen sich grob in die terrestrischen Land- und die marinen Meeressedimente unterteilen. Zu ersteren zählt man auch die Ablagerungen in Süßwasserseen oder Flüssen, die aus Sand oder Schlamm entstanden sind, sowie die organischen Pflanzenreste, aus denen die Kohle hervorgegangen ist. Auch Wüstensedimente sowie Ablagerungen von Gletschern werden dieser Gruppe zugeteilt. Ein Grenzfall zwischen Vulkaniten und Sedimenten sind vulkanische Aschen und Tuffe.

Meeressedimente können durch Ablagerung von Erosionsmaterial anderer Gesteine auf dem Meeresgrund, durch von biochemischen Vorgängen verursachte Ausfällung zum Beispiel von Karbonaten und durch Ablagerung anorganischer Skelette von Mikroorganismen wie Kammerlingen (Foraminifa), Coccolithophoriden (Haptophyta), Strahlentierchen (Radiolaria) oder Kieselalgen (Bacillariophyta) entstehen.

Meteoriten

Eisenmeteorit

Einen Sonderfall unter den Gesteinen bilden die Meteoriten, Gesteinskörper aus dem Weltraum. Meteoriten sind Überreste der ursprünglichen Materie des Sonnensystems und enthalten zahlreiche Minerale, die sich nicht in anderen Gesteinen irdischen Ursprungs finden lassen. Sie lassen sich nach ihrem Mineralgehalt einteilen in Steinmeteoriten, die in erster Linie aus Silikaten wie Olivin oder Pyroxen bestehen, Eisenmeteoriten, die sich häufig aus den Eisen-Nickel-Mineralen Kamacit und Taenit zusammensetzen und Stein-Eisen-Meteoriten, die einen Mischtyp darstellen. Die Größe von Meteoriten liegt zwischen der von Mikrometeoriten und riesigen, tonnenschweren Gesteinskörpern. Aus Schweden sind mehrere hundert Millionen Jahre alte fossile Meteoriten bekannt.

Irdischen Ursprungs, aber durch Meteoriteneinschläge gebildet sind die Tektite, zentimetergroße Glasobjekte, die durch einschlagbedingtes Schmelzen irdischen Gesteins und darauf folgendes schnelles Abkühlen an der Luft entstehen, und die Impaktite, die durch die starken mechanischen und thermischen Einwirkungen bei einem Meteoriten-Einschlag aus den am Einschlagsort vorhandenen Gesteinen entstehen wie etwa Suevit.

Gesteinskreislauf

Gesteinskreislauf

→ Hauptartikel: Kreislauf der Gesteine

Magmatische, metamorphe und Sedimentgesteine werden durch geodynamische Prozesse wie Erosion, Gesteinsmetamorphose oder Sedimentation ineinander umgewandelt.

So unterliegen durch Erosion des Deckgesteins freigelegte metamorphe und magmatische Intrusivgesteine ebenso wie die an der Oberfläche gebildeten Sediment- und magmatischen Extrusivgesteine der Verwitterung und Erosion. In erster Linie durch wind- oder wasserbedingten Transport lagern sich die Verwitterungsbestandteile als Sedimente ab und bilden durch Verdichtung schließlich Sedimentgesteine. Diese wandeln sich wie auch magmatische Intrusivgesteine in großer Tiefe unter hohem Druck und hoher Temperatur in metamorphe Gesteine um. Der Kreislauf schließt sich, wenn diese entweder wieder an die Oberfläche gelangen oder durch weitere Absenkung ins Erdinnere aufgeschmolzen werden und damit das Rohmaterial für die Entstehung magmatischer Gesteine bilden.

Bedeutung

Gesteine dienten in der Menschheitsgeschichte als erster Werkstoff zur Herstellung von Werkzeug, den Steingeräten, und sind somit auch der Namensgeber für die älteste kulturhistorische Erdepoche, die Steinzeit. Archäologische Funde aus jener Zeit sind meist Steinartefakte. Steine bilden das älteste feste Baumaterial der menschlichen Kultur und die älteste bekannte überlieferte Schreibunterlage menschlicher Schriftkultur.

Die Kunst, Steine zu bearbeiten nennt man Lithurgik.

In früheren Zeitepochen wurden aus Gesteinen gesamte Bauwerke erstellt. Heute sind sie ein wesentlicher Bestand im Innenausbau (Bodenbelag, Treppe, Fensterbank, Waschtisch und Küchenarbeitsplatte) und im Außenbau (Fassadenbekleidung oder Pflasterstein). Des Weiteren sind sie Grundlage bildlicher Darstellungen in der Kunst, besonders in der Lithografie und als Ausgangsmaterial der Bildhauerei. Schmucksteine, Edelsteine und Halbedelsteine sind als Schmuck beliebt. Lesesteinhaufen und Trockensteinmauern dienten früher als Markierung von Äckern und sind heute wertvolle Biotope. Ein Grenzstein wird zur Abgrenzung von Gebieten verwendet. Fossilien in Form von Versteinerungen zeugen von Lebewesen früherer Äonen, Epochen und Perioden und spielen eine große Rolle für das Studium vergangener Lebensformen, der Evolutionsgeschichte sowie für die Datierung von Gesteinsschichten.

Verweise

Einzelnachweise

1. ↑ Ältestes Gestein der Welt

Literatur

• Maresch, W. und Medenbach O.: Steinbachs Naturführer Gesteine.München, 1996. ISBN 3-576-10699-5.
• Peter Rothe: Gesteine. Entstehung - Zerstörung - Umbildung. Primus, Darmstadt, 2. durchgesehene Auflage 2005, ISBN 3-89678-536-2.
• Roland Vinx: Gesteinsbestimmung im Gelände. München (Spektrum Akademischer Verlag) 2005 ISBN 3-8274-1513-6.
• Friedrich Müller: Gesteinskunde. 7. Auflage. Ebner, Ulm 2005 ISBN 978-3-87188-122-0.
• Hans Murawski /Wilhelm Meyer: Geologisches Wörterbuch. 11. Auflage, München (Spektrum-Akademischer Verlag) 2004 ISBN 3-827-41445-8

Weblinks

• Woher weiß man das Alter von Gesteinen?, Flash-Video aus der Fernsehsendung alpha-Centauri (JavaScript benötigt)
• Gesteine - Baumaterial unserer Erde

Zur Kulturgeschichte des Steins

• Matthias Bärmann (Hrsg.): Das Buch vom Stein - Texte aus 5 Jahrtausenden. Jung & Jung, Salzburg und Wien 2005. ISBN 3-902497-02-5.

Siehe auch

• Liste der Gesteine
• Liste der Gesteine nach Genese
• Naturstein
• Stein
• Geschiebe
• Stratigraphie
• Biorock-Technologie