Infoblatt Gesteinskreislauf

Ausführliche Beschreibung des Gesteinskreislaufes der Erde





Die drei großen Gesteinsgruppen: Dokumente geologischer Prozesse

Gesteine sind die Bausteine der Erde: die Erdkruste und der Erdmantel bestehen aus Gesteinen. Gesteine sind zugleich auch wichtige Dokumente geologischer Prozesse, denn sie enthalten Informationen über ihre Entstehungsbedingungen und damit über Prozesse, die an der Erdoberfläche bzw. im Erdinneren ablaufen. Außerdem liefern sie Informationen über vergangene erdgeschichtliche Epochen (z. B. anhand von Fossilien). Die geologischen Prozesse, die an der Erdoberfläche ablaufen (exogene Kräfte), umfassen den Kreislauf von Erosion, Transport und Ablagerung (Sedimentation). Die im Erdinneren wirksamen Kräfte (endogene Prozesse) umfassen die Bildung von Schmelzen (Magmen) sowie die Um- und Neubildung von Gesteinen.
Gesteine sind aus einzelnen Mineralien aufgebaut (sog. gesteinsbildende Minerale: Feldspat, Quarz, Muskovit, Olivin, Pyroxene, Amphibole, Biotit u. a.) und lassen sich grundsätzlich in drei Kategorien einteilen. Zu der ersten Gruppe zählen die magmatischen Gesteine. Sie entstehen durch Abkühlung der glutflüssigen Gesteinsschmelzen des Erdinneren und erstarren entweder innerhalb der Erdkruste (dabei entstehen sog. Plutonite bzw. Tiefengesteine, z. B. Granit) oder an der Erdoberfläche (sog. Vulkanite wie z. B. Basalt). Zu der zweiten Kategorie gehören Sedimentgesteine (z. B. Sand- und Kalkstein) bzw. Sedimente (Lockergesteine, wie Sand und Kies), die durch Ablagerung (Sedimentation) von Materialien unterschiedlichen Ursprungs an der Erdoberfläche entstehen. Die dritte Gruppe umfasst metamorphe Gesteine (z. B. Gneis, Marmor), die durch eine mechanisch-chemische Umwandlung bereits bestehender Gesteine unter hohen Temperaturen bzw. hohem Druck gebildet werden.


Der Kreislauf der Gesteine

Die drei großen Gesteinsgruppen stehen über den Kreislauf der Gesteine miteinander in Beziehung. Dieser Kreislauf steht wiederum eng mit den Luft- und Wasserkreisläufen in Verbindung, da die an der Erdoberfläche ablaufenden Prozesse durch die Zirkulation der Luft bzw. des Wassers angetrieben werden (Wasser ist beispielsweise das wichtigste Transportmedium des verwitterten Gesteins).

Am Anfang des Kreislaufs der Gesteine steht der Magmatismus, denn durch die Bildung von Schmelzen im Erdinneren und deren Aufstieg an die Erdoberfläche in der Frühzeit der Erde bildetet sich erst die Erdkruste. Die Magmen entstehen vor allem im Erdmantel, wo ein Peridotit genanntes, Olivin-reiches Gestein aufschmilzt. Der Schmelzprozess ist meist die Folge der Druckentlastung von aufsteigendem Mantelperidotit (siehe Infoblatt ‘Bildung von Magma im festen Erdmantel’). Magmen aus dem Erdmantel haben typischerweise eine basaltische Zusammensetzung. Der zweite Ort, an dem es zur Schmelzbildung kommt, ist die tiefe Erdkruste. Hier schmelzen Gesteine unterschiedlicher Herkunft und Zusammensetzung, meist jedoch Sedimente und es entsteht eine Schmelze mit granitischer Zusammensetzung. Auslöser für Magmenbildung in der tiefen Kruste ist meist die Intrusion heißer, basaltischer Schmelzen (Temperatur ca. 1.100 - 1.200 Grad C), welche die umgebenden Gesteine, das Nebengestein, die schon bei 650 - 700 Grad C zu schmelzen beginnen, aufheizen. Seltener wird die tiefe Kruste auch durch Versenkung in große Erdtiefen und die damit verbundene Aufheizung teilweise aufgeschmolzen.

Vulkanite sind sofort nach ihrer Bildung der Verwitterung und Abtragung ausgesetzt. Plutonite werden durch Erosion der sie bedeckenden Gesteinsschichten freigelegt und sind dann ebenfalls der Verwitterung ausgesetzt. Der Gesteinsschutt sowie die im Oberflächenwasser gelösten Substanzen werden durch Flüsse ins Meer verfrachtet und dort als Schichten aus Sand, Silt, Ton oder anderen Sedimenten abgelagert. Einige Elemente, vor allem das Natrium und das Chlor (Steinsalz), verbleiben lange Zeit gelöst im Meerwasser. Die auf dem Festland abgesetzten Lockersedimente werden im Laufe der Zeit meist wieder abgetragen; selten werden sie durch andere Sedimente begraben. Durch die Diagenese (Zusammenpressen der Körner auf ein kleineres Volumen und Verfüllung der Hohlräume zwischen den Körnern durch Mineralneubildungen) werden die Sedimente verfestigt.

Sedimentgesteine, wie auch Magmatite, können durch zunehmende Überdeckung in tiefere Bereiche der Erdkruste gelangen und sind in zunehmender Tiefe immer höheren Temperaturen und Drücken ausgesetzt. Steigen die Temperaturen über 200 °C, werden verschiedene Minerale instabil und es bilden sich neue Minerale, die an die höheren Temperaturen und Drücke angepasst sind. Dieser Vorgang wird Metamorphose genannt; dabei werden die Sedimente bzw. die Magmatite in metamorphe Gesteine umgewandelt. Steigen die Temperaturen weiter, kann das Gestein schmelzen. Dadurch entsteht ein neues Magma, aus dem wiederum Magmatite auskristallisieren und so den Kreislauf schließen. Manche Gesteine (vor allem ozeanische Kruste) gelangen an Subduktionszonen in den Erdmantel und machen sehr wahrscheinlich eine phantastische Reise durch den tieferen Erdmantel und bilden Milliarden Jahre später die Quelle mancher ‘hot-spot’-Vulkane. Und manche Diamanten bestehen wohl aus Kohlenstoff, der schon einmal an der Erdoberfläche Bestandteil lebender Materie war.

Die wenigsten Gesteine durchlaufen diesen Zyklus wie beschrieben. Jeder Gesteinstyp kann beispielsweise während einer Gebirgsbildung wieder herausgehoben und freigelegt werden, verwittern und das Ausgangsmaterial für neue Sedimente bilden. Einige der genannten Schritte können auch übersprungen werden. Wird ein Sedimentgestein z. B. herausgehoben und verwittert nachfolgend, dann werden die Stadien der Metamorphose sowie der Abschmelzung ausgelassen; ein metamorphes Gestein kann die Phase der Aufschmelzung überspringen und ist nach einer Hebung der Verwitterung und Abtragung ausgesetzt. Gesteine stellen demzufolge keine stabilen Gebilde dar, sondern unterliegen den auf der Erde ablaufenden physikalisch-chemischen Prozessen. Der Kreislauf der Gesteine endet daher niemals.