Geologie
von
Dr. Franz Lotze +
o. Professor für Geologie und Paläontologie an der Universität Münster
5. unveränderte Auflage Mit 80 Abbildungen
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DE_G
Sammlung Göschen Band 2621 Walter de Gruyter Berlin • New York • 1973
ISBN 311007983 6
©
Copyright 1973 by Walter de Gruyter & Co., vormals G. J. Göschen'sche Verlagshandlung, J. Guttentag, Verlagsbuchhandlung, Georg Reimer, Karl J . Trübner, Veit & Comp., 1 Berlin 30.
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Printed in Germany.
Satz und Druck: Saladruck, 1 Berlin 36.
Inhalt
Seite
Literatur 5 Einleitung 7 Geschichte der Geologie 9
Der Erdkörper: Bauplan und Stoff 11
Die Gesamterde 11 Mineralien und Gesteine 17
Erscheinungen und Vorgänge in allgemein-geologischer
Sicht 20 Der geologische Stoff-Kreislauf 20
Der sedimentäre Zyklus (Entstehung der Sediment-
gesteine) 23 Vorgänge im Festlands-Bereich 23
Vorgänge im marinen Bereich 34 Sedimente und Sedimentgesteine 38 Die Wirkungsweise der endogenen Dynamik 40
Tektonik 40 Verkrümmungen 42 Rupturen (unstetige Deformationen) 47
Dynamische Gliederung der tektonischen Formen 54
Die Gebirgs-Bautypen 55 Die tektonischen Vorgänge in ihrem Zeitablauf . . . . 58
Heutige Bodenbewegungen 58 Die Bewegungsvorgänge der geologischen Vergan-
genheit 62 Erdzustände und Gesamtablauf des geotektonisdien
Geschehens 66
4
Seite
Exogene und endogene Dynamik in ihren Wechsel-
beziehungen 69 Das magmatische Geschehen 71
Vulkanismus 71 Plutonismus 76 Verknüpfungen zwischen Magmatik und Tektonik 80
Die magmatische Gesteinsbildung 82 Magmatische Lagerstätten 85 Metamorphose und metamorphe Gesteine 87
Überblick über die Erdgeschichte 89
Allgemeines 89 Zur geologischen Vorgeschichte der Erde 93
Die geologischen Formationen 94
Präkambrium 94
Kambrium 100
Ordovizium 105
Silurium 109
Devon 113
Karbon 119
Perm 126
Trias 132
Jura 141
Kreide 150
Tertiär 158
Quartär 163
Register 170
Literatur
Brinkmann, R.: Emanuel Kayser's Abriß der Geolo- gie. —
1. Band: Allgemeine Geologie, 10. Aufl. — 268 S., Stuttgart 1967.
2. Band: Historische Geologie, 9. Aufl. — 345 S., Stuttgart 1966.
Brinkmann, R. (Herausgeber): Lehrbuch der Allgemeinen Geologie, Band 1. — 520 S., Stuttgart 1964.
Bubnoff, S. v.: Einführung in die Erdgeschichte, 3. Aufl. — 808 S„ Berlin 1956.
Cloos, Hans: Einführung in die Geologie. Ein Lehrbuch der inneren Dynamik. Nachdruck. — 503 S., Berlin- Nikolassee 1963.
Cornelius, H. P.: Grundzüge der allgemeinen Geologie. — 315 S„ Wien 1953.
Ehrenberg, K.: Paläobiologie und Stammesgeschichte. Ein Leitfaden. — 107 S., Wien 1952.
Holder, Helmut: Geologie und Paläontologie in Texten und ihrer Geschichte. — 566 S., Freiburg 1960.
Kukuk, P.: Geologie, Mineralogie u. Lagerstättenlehre, 3. Aufl. — 354 S., Berlin, Göttingen, Heidelberg 1960.
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Berlin (Walter de Gruyter & Co.) 1968.
Schwarzbach, M.: Das Klima der Vorzeit, 2. Aufl. — 275 S., Stuttgart 1961.
Simon, W.: Zeitmarken der Erde. Grund und Grenze geologischer Forschung. — 232 S., Braunschweig 1948.
Stille, H.: Grundfragen der vergleichenden Tektonik. — 443 S„ Berlin 1924.
Taschenbuch der Geologie: Die Entwicklungsgeschichte der Erde. — 772 S., Hanau/Main 1962.
Wagner, Georg: Einführung in die Erd- und Landschafts- geschichte mit besonderer Berücksichtigung Süd-
6
deutsdilands, 3. Aufl. — 694 S. u. 208 Phototaf., Öhringen 1960.
Aus der Sammlung Göschen
Bd. 899. Hummel, K.: Geschichte der Geologie. 1925.
Bd. 95. Abel, O.: Paläontologie. 1921.
Bd. 460. Diener: Paläontologie und Abstammungs- lehre, 2. Aufl. 1920.
Bd. 828. Gothan, W.: Paläobotanik. 1920.
Bd. 1137. Heil, H.: Entwicklungsgeschichte des Pflanzen- reiches, 2. Aufl. 1950.
Bd. 836. Broili, F.: Paläozoologie. 1921.
Bd. 406. Kossmat, F.: Paläogeographie, 3. Aufl. 1934.
Bd. 1098. Aigner, A.: Geomorphologie. 1936.
Bd. 29/29 a. Brauns, R. u. Chudoba, K. F.: Allgemeine Mineralogie, 11. Aufl. 1963.
Bd. 31/31 a. Brauns, R. u. Chudoba, K. F.: Spezielle Mine- ralogie, 11. Aufl. 1964.
Bd. 173. Bruhns, W. u. Ramdohr, P.: Pétrographie, 5. Aufl. 1960.
Bd. 210. Bruhns, W. u. Ramdohr, P.: Kristallographie, 5. Aufl. 1958.
Bd. 619 a. Buchwald, E.: Einführung in die Kristalloptik, 5. Aufl. 1963.
Zeitschriften
Geologische Rundschau. Herausgegeben von der Geolo- gischen Vereinigung. Jahresbeitrag 30 DM. Anmel- dung an den Vorstand: Bonn, Nußallee 2.
Neues Jahrbuch für Geologie und Paläontologie, Abhand- lungen und Monatshefte. Herausgegeben von Fr.
Lotze und H. O. Schindewolf. — Verlag E. Schweizer- bart, Stuttgart.
Zeitschrift der Deutschen Geologischen Gesellschaft. Be- zug durch Beitritt. Jahresbeitrag 40 DM, für Studie- rende 15 DM. Anmeldung durch Mitglieder.
Einleitung
D i e G e o l o g i e h a t e s m i t d e n G e s t e i n e n z u t u n . Sie trifft sich hierin mit der Mineralogie und Petrographie. Aber sie betrachtet die Gesteine unter be- sonderen, ihr allein eigenen Gesichtspunkten; denn wäh- rend bei jenen Wissenschaften der mineralische Aufbau, der gegebene physiko-diemische Bestand, im Vorder- grund steht, sieht der Geologe die Gesteine als etwas G e w o r d e n e s ; sie sind ihm Zeugen der Vergangen- heit. D e n n d i e G e o l o g i e i s t i n i h r e m W e s e n s k e r n e i n e g e s c h i c h t l i c h e W i s - s e n s c h a f t . Sie geht davon aus, daß das heutige Er- scheinungsbild der Erde das Ergebnis einer langen und wechselvollen Entwicklung ist, und sie stellt sich die Auf- gabe, diese Entwicklung sowohl hinsichtlich ihres Ablaufs in Zeit und Raum wie auch hinsichtlich der dabei wir- kenden Faktoren und Kräfte aufzuzeigen; sie will damit das heutige Erdbild aus diesem geschichtlichen Vorgang heraus verstehen lernen.
Dabei ist der Rahmen ganz weit gefaßt. Die eigent- liche E r d g e s c h i c h t e betrifft die Entwicklung des festen Erdkörpers in seiner Gliederung nach Weite und Höhe (Paläogeographie, Morphogenese), in seinem Klima (Paläoklimatologie), in der inneren Struktur seiner Rinde (Tektogenese). Die L e b e n s g e s c h i c h t e , die heute kaum noch ein bloßes Teilgebiet der Geologie ist, son- dern sich als Paläontologie zu einem Zwillingsstamm aus gleicher Wurzel entwickelt hat, versucht, im beson- deren den Szenenwechsel im Bereich der Organismen zu erfassen; sie hält dabei engste Fühlung zur Geologie, und
8
Einleitung
die Wechselbeziehungen der beiden Wissenszweige sind heute derart, daß der eine auf die Ergebnisse des anderen angewiesen ist.
Die Geschichtswissenschaft bedarf der Urkunden, der Zeugnisse, um die Zustände und Begebenheiten eines ver- gangenen Jahrhunderts abzuleiten. Für den Geologen sind die Gesteine solche Zeugnisse, und besonders die geschich- teten sind ihm sozusagen Tagebuch-Blätter, wie für den Paläontologen die versteinerten Reste und Spuren der Organismen, die Fossilien, die überlieferten Urkunden der Lebensgeschichte darstellen.
So ist es vorzügliches Anliegen der erdgeschichtlichen Forschung, diese Urkunden zu sammeln, zu beschreiben, zeitlich einzuordnen — diese Teilaufgabe erfüllt insbe- sondere die S t r a t i g r a p h i e — und hinsichtlich der Vorzeit-Verhältnisse zu entziffern. Dieses Entziffern bzw.
Deuten setzt die Kenntnis der Bildungsbedingungen der Gesteine voraus, die sich aus einer Untersuchung gegen- wärtiger formender und umformender, zerstörender und aufbauender Vorgänge und ihrer Abhängigkeit von den Gegebenheiten des Klimas und anderen Umweltbedingun- gen gewinnen läßt (Aktuo-Geologie, „aktualistisches Prin- zip").
Die Auswertung des gesamten Tatsachen-Materials aus
Vergangenheit und Gegenwart kann einmal auf die Er-
fassung des eigentlichen historischen Geschehensablaufs ge-
richtet sein, sei es von Einzelgebieten, sei es von der Ge-
samterde; — wir sprechen dann von „ H i s t o r i s c h e r
G e o l o g i e " oder „Erdgeschichte" schlechthin (mit
ihren verschiedenen, schon genannten Teilgebieten, wie
Paläoklimatologie u. a.). Sie kann aber auch die Erkennt-
nis bzw. Ableitung genereller, den Geschehensablauf
regelnder Gesetzmäßigkeiten nach Vorgang, Bedingthei-
ten, Kräften usw., d. h. des Allgemeingültigen, be-
Geschichte der Geologie
9
zwecken; — wir sprechen dann insonderheit von „ A l l - g e m e i n e r G e o l o g i e " .
Die Untersuchung- der Lagerungsverhältnisse der Ge- steine, des strukturellen Einzelbaues der Kruste mit ihren Gebirgen und ihrem Unterbau ist Aufgabe der T e k - t o n i k .
Sind die Zielsetzungen auf bestimmte, gut abgrenz- bare regionale Einheiten (Landschaften, Länder, Konti- nente) beschränkt, wobei diese Einzelgebiete hinsichtlich der Gesteinsabfolge, des tektonischen Baus, der geolo- gischen Geschichte, der Lagerstätten usw. beschrieben werden, so sprechen wir von „ R e g i o n a l e r G e o - l o g i e " . — Steht hingegen das wirtschaftliche Interesse im Vordergrund, so handelt es sich um das Teilgebiet der
„ A n g e w a n d t e n G e o l o g i e " . Ihre Aufgaben sind mannigfach und erweitern sich fortlaufend. Sie betreffen den Baugrund (Baugeologie, Ingenieurgeologie), den land- wirtschaftlich nutzbaren Boden (Agrogeologie, Boden- kunde), den Wasserinhalt des Untergrunds (Hydrogeolo- gie) und im Teilgebiet der Lagerstätten-Geologie auch die nutzbaren Vorkommen von Erzen, Energieträgern (Kohle, Erdöl, Erdgas, heute auch Uran), Salzen und sonstigen Nichterzen, Erden und Steinen.
Die nachfolgende, sehr geraffte Darstellung muß sich darauf beschränken, die Grundzüge der Allgemeinen Geo- logie und der Erdgeschichte zu umreißen.
Geschichte der Geologie
Die Frage der Entstehung der Erde und Ausformung ihres Bildes hat die Menschheit seit alters bewegt. Zu- nächst hat die Religion mit dem Rüstzeug des Glaubens, dann die Philosophie mit dem des Denkens, schließlich die Wissenschaft durch Empirie und Deutung („malleo et mente") sie zu lösen versucht. Der Schöpfungsbericht der
10 Geschichte der Geologie
Genesis hat die erdgeschichtlichen Vorstellungen bis in die Neuzeit hinein tiefgreifend beeinflußt. Bei Thaies von Milet, Heraklit, Pythagoras, Xenophanes, Empedokles, Aristoteles, Eratosthenes, Strabo und Seneca finden sich erste Ansätze zu Beobachtungen geologischer Erscheinun- gen oder Überlegungen hinsichtlich des Erdbaus; aber das Wissen des Altertums, das Plinius der Ältere in seiner
„Historia naturalis" (darin auch Berichte über Vulkane, Erdbeben, Versteinerungen) zusammengefaßt hat, blieb gering, und die eigentliche Kernidee der Geologie, die- jenige einer „Entwicklung der Erde", blieb dem Altertum unerfaßbar. Auch das Mittelalter brachte keine Fort- schritte. Erst mit dem Beginn der Neuzeit erfolgte ein neuer Ansatz.
Leonardo da Vinci und andere erkannten die erdge- schichtliche Bedeutung der Fossilien; der bedeutende Däne Nicolaus Steno (1631—1686), der „Vater der Tektonik", beachtete als erster die Lagerungsverhältnisse der Gesteine und versuchte, den Schichtverband einer norditalienischen Landschaft zu gliedern. Als eigentliche Begründungszeit der Geologie, als ihr „heroisches Zeitalter", muß aber erst die Zeitspanne 1790—1820 gelten. Bedeutende Män- ner, unter ihnen besonders der „Vater der Geologie"
Abraham Gottlob Werner (1750 bis 1817), ferner die Eng- länder Hutton, Hall und Smith und der Franzose Cuvier legten das Fundament zu einer echten geologischen Wis- senschaft. Werner bezeichnete seine auf der Empirie basie- rende Lehre als „Geognosie", nachdem der von dem Poly- histor -de Luc geprägte Ausdruck „Geologie" als Name einer allzu spekulativen PseudoWissenschaft in Verruf gekommen war.
Das nachfolgende „Goldene Zeitalter", auch „Zeit der
großen Meister" genannt (1820—1860), brachte den wei-
teren Ausbau von Geologie und Paläontologie und die
Die Gesamterde 11 anschließende Zeit bis heute die Vollendung zum der- zeitigen Wissenschafts-Gebäude. Von den „großen Mei- stern" verdienen besonders genannt zu werden der Deut- sche K.-A. v. Hoff (1771—1837), der den Entwicklungs- gedanken für das Anorganische wesentlich förderte und mit Lyell das „Prinzip des Aktualismus" begründete — wonach die gegenwärtig auf der Erde wirkenden Kräfte durch ihre sich summierenden Dauerwirkungen die ge- samte geologische Entwicklung bedingen, so daß man aus den Erscheinungen der Gegenwart heraus auch diejenigen der Vergangenheit zu verstehen vermöge —, und Ch.
Darwin, der den Entwicklungsgedanken für das Orga- nische zum Siege führte. Unter den Geotektonikern nimmt Eduard Suess (1831—1914) eine hervorragende Stellung ein; sein berühmtes Buch „Das Antlitz der Erde"
gehört zu den klassischen Werken der Geologie. Sein Erd- bild erfuhr in neuerer Zeit durch H. Stille (gestorben 1966) eine wesentliche Erweiterung.
Der Erdkörper: Bauplan und Stoff Die Gesamterde
Die Erde, von der Sonne aus der dritte unter den neun bekannten Planeten des Sonnensystems, hat ein Volumen von rd. 1083 Milliarden km3, eine Gesamtmasse von rund 6000 Trillionen Tonnen (genauer 5,973 • 12" g) und ein mittleres spezifisches Gewicht von wahrscheinlich 5,52.
Die Oberfläche des festen Erdballs mißt 509,9 Millionen km2, der Äquatorumfang 40 076 594 m, der Äquator- radius 6 378 260 m, der Polradius 6 356 912 m. Die Figur der Erde („Geoid") nähert sich sehr einem kugelähn- lichen Rotationsellipsoid mit einer Abplattung 1 :297. Die durch Gebirge und Meere bedingten Unregelmäßigkeiten der Erd-Oberfläche sind im Verhältnis zur Gesamtgröße
12 Der Erdkörper: Bauplan und Stoff
nur sehr gering. Auf einem maßstabgetreu verkleinerten Erdmodell von 2 m Durchmesser würden die höchsten Gebirge (Mount Everest: 8882 m) und die Tiefsee-Gräben (Challenger-Tiefe im Marianen-Graben, Pazifik: 11 035 m) vom mittleren Niveau der Krusten-Oberfläche (2430 m unter NN) nicht einmal um 2 mm abweichen, also kaum wahrnehmbar sein.
Diese große Kugel bewegt sich mit einer Geschwindig- keit von 30 km/sec auf einer fast kreisförmigen, rd. 940 Millionen km langen Ellipse um die Sonne, die in dem einen Brennpunkt steht. Sie hält dabei von der Sonne einen mittleren Abstand von 149,6 Mio km ein, ist ihr aber Anfang Januar um 2,5 Mio km näher, Anfang Juli um 2,5 Mio km ferner. Zugleich rotiert sie um eine Achse, die gegen die Erdbahn unter 66° 33' geneigt ist, in west/östlicher Richtung, wobei die Geschwindigkeit eines Punktes auf dem Äquator 465 m/sec beträgt.
Der A u f b a u d e r E r d e ist konzentrisch-schalig.
Die äußerste Schale, die selbst schichtig unterteilte gas- förmige A t m o s p h ä r e , hat eine Mindesthöhe von 1000 km, wird nach außen aber außerordentlich dünn;
so sind 90 °/o der Luftmasse bereits in den unteren 20 km enthalten. Die unterlagernde H y d r o s p h ä r e ist zwischen 0 und rund 10 km dick; über 9 8 % ihrer Ge- samtmasse, nämlich 1370 Mio km3 Wasser, sind in den Meeren angesammelt; der Rest entfällt auf das Eis (22 Mio km3) sowie den Wasserinhalt der Flüsse und Seen, der allerdings rein mengenmäßig (0,13 Mio km3) ohne Belang ist, dynamisdi aber eine erhebliche Rolle spielt.
D e r f e s t e E r d k ö r p e r (Lithosphäre und deren Unterlage) ist seinerseits kugelsdialig geschichtet. Uber seinen Aufbau haben vor allem die Erdbeben-Wellen, die von den nahe der Oberfläche gelegenen Herden aus den ganzen Erdkörper in allen Richtungen durchstrahlen und
Die Gesamterde 13
Abb. 1. Geschwindigkeit der elastischen Raumwellen im Erd- innern als Funktion in der Tiefe.
Nach H. Haalck.
V| — Geschwindigkeit der Longitudinal wellen v, = Geschwindigkeit der Transversalwellen.
- t tOOO 2000 J000 «100 ¡000 lOOOkniitle
auf ihrem Wege mancherlei Veränderungen erleiden, Kunde gebracht (Abb. 1). Die vertikale Großgliederung wird durch eine Unstetigkeitsfläche I. Ordnung in 2900 km Tiefe gegeben. Innerhalb von ihr liegt der „Erd- kern", außerhalb die „Erdschale". Letztere zeigt eine wei- tere Unterteilung durch eine deutliche Trennungsfläche („Mohorovicic-Unstetigkeit") in „Kruste" und „Mantel".
Diese liegt unter den Festländern in rd. 35, unter den Meeren in 10—12 km Tiefe unter NN. Weitere, weniger bedeutende und z. T. nicht ganz sichere Unstetigkeits- flächen kommmen hinzu.
Nur über die p h y s i k a l i s c h e n V e r h ä l t - n i s s e der äußersten Kruste wissen wir durch Beobach- tungen unmittelbar Bescheid. Hinsichtlich der in größe- ren Tiefen herrschenden Drücke und Temperaturen blei- ben die Aussagen hypothetisch.
In den obersten Metern des Erdbodens schwankt die Boden t e m p e r a t u r entsprechend dem Jahresgang des Klimas. In einer bestimmten Tiefe (10 bis 20 m je nach den örtlichen Verhältnissen) herrscht konstant eine dem Jahresmittel an der Erd-Oberfläche entsprechende Tem- peratur (im Mittel der gesamten Festlands-Gebiete
14 Der Erdkörper: Bauplan und Stoff
+ 14,3° C). Weiter nach unten nimmt die Temperatur stetig zu in einem Maße, das durch die sogenannte
„geothermisdie Tiefenstufe" bestimmt ist. Man versteht darunter die vertikale Strecke in Metern, in der sich die Temperatur nach unten um 1° C erhöht. In den ober- flächennahen Bereichen der Kontinente beträgt sie im Durchschnitt 33 m; hier steigt die Temperatur also um je 3° C j e 100 m Tiefenzunahme. In Gebieten mit noch tätigen oder jung erloschenen Vulkanen sowie in Be- reichen jüngerer Gebirgsbildung pflegt die Temperatur- erhöhung größer zu sein (z. B. im Uracher Vulkangebiet auf der Schwäbischen Alb fast 10° C pro 100 m Tiefe) als in vulkanisch inaktiven und tektonisch altverfestigten Kontinentalbereichen (z. B. in Nordamerika bis 0,8° C auf 100 m Tiefe). Uber die Verhältnisse unter dem Mee- resboden sind wir nicht orientiert. Vielleicht darf für die Außenzonen der Gesamterde ein mittlerer Temperatur- gradient von 1,5 bis 2° C/100 m Tiefe angenommen wer- den. Wenigstens läßt sich auf Grund theoretischer Er- wägungen für die tiefere Erdkruste bei rd. 60 km eine Temperatur von 1000—1200° C ableiten. Weiter nach unten muß jedoch der Temperaturanstieg wesentlich langsamer erfolgen, und für den Erdkern liegen die Schätzungen zwi- schen 2000 und 20 000° C, wobei Werten unter 5000° C die größere Wahrscheinlichkeit zukommt.
Daß der D r u c k nach der Tiefe zunimmt, liegt auf der Hand, da die auflastende Gesteinsdecke ja nach unten immer mächtiger wird. An der Kerngrenze (2900 km) dürfte der Drude gegen 1,5 Millionen, im Erd-Mittel- punkt gegen 3,5 Millionen Atmosphären betragen.
In Nähe der Erd-Oberfläche verhalten sich die Gesteine wie normale feste und großenteils wie spröde Körper.
Der hohe Umschließungsdruck und die erhöhte Tempera- tur verändern mit zunehmender Tiefe die m e c h a -
Die Gesamterde 15 n i s c h e n E i g e n s c h a f t e n ; das Material wird dehnbar und verhält sich zuletzt stetig wirkenden Kräften gegenüber wie eine sehr zähe Flüssigkeit. Dem wider- spricht nicht, daß sich die Erdschale mindestens bis in 2900 km Tiefe Erdbeben-Wellen gegenüber wie ein fester Körper verhält und daß die Gesamterde den Ebbe-Flut- Kräften gegenüber die „Righeit" des Stahls aufweist. — ü b e r den A g g r e g a t z u s t a n d i m E r d k e r n ist keine endgültige Aussage zu machen. Bisher konnte nicht mit Sicherheit festgestellt werden, ob auch durch den Erd- kern transversale Erdbeben-Wellen laufen; daraus ist ge- schlossen worden, daß der Erdkern solche überhaupt nicht zu leiten vermöge, wie das für den flüssigen und gasförmigen Zustand zutrifft. Möglicherweise handelt es sich aber lediglich um eine Beobachtungslücke.
ü b e r den c h e m i s c h e n S t o f f b e s t a n d der Erde haben wir unmittelbare Kenntnisse nur hinsichtlich der unteren Atmosphäre, der Hydrosphäre und des äuße- ren Gesteinsmantels. Die hier bisher bekannten 100 Ele- mente umfassen nahezu die Gesamtheit der nach den Ge- setzmäßigkeiten des „Periodischen Systems" überhaupt zu erwartenden chemischen Elemente. Auf indirektem Wege wurden sie großenteils auch im Weltenraum nach- gewiesen.
Von diesen Elementen sind indes nur acht in und auf der festen Oberkruste so häufig, daß sie für die geologi- schen Vorgänge eine ausschlaggebende Rolle spielen. Diese sind, geordnet nach ihrem Anteil in Gewichtsprozenten:
Aluminium (AI) Eisen (Fe) Kalzium (Ca) Sauerstoff (O) Silizium (Si) .
46,59 °/o 27,72 °/o 8,13 % 5,01 °/o 3,63 %>
16 Der Erdkörper: Bauplan und Stoff Natrium (Na)
Kalium (K) . . Magnesium (Mg)
2,85 % 2,60 °/o 2,09 %>
Wenn man in Volumenprozenten statt Gewichtsprozen- ten rechnet, ergibt sich die Rolle des Sauerstoffs als noch bedeutsamer. Unsere Erdkruste erscheint dann als eine Packung von Sauerstoff-Atomen, in die die übrigen Atome mehr oder weniger regelmäßig eingelagert sind, örtlich können sonst seltenere Elemente (wie Gold, Pla- tin, Zinn, Kohlenstoff usw.) besonders konzentriert sein.
Solche Anreicherungen bezeichnet man dann, wenn sie sich wirtschaftlich verwerten lassen, als L a g e r s t ä t - ten.-—•
Wenn man die Hauptbestandteile auf Oxide umrechnet, erscheint die Erde in ihren äußeren 16 km („Oberkruste") zusammengesetzt aus 59,12 %> Si02, 15,34 % A1,0..„
5,08 %> CaO, 3,84 % Na20, 3,81 % FeO, 3,08 %> Fe203, 3,49 % MgO, 3,13% K20, 1,15% H20, 1,05% Ti02, 0,299% P2Or>. Der Rest von rd. 0 , 6 % entfällt auf alle übrigen Stoffe.
Wegen des Vorherrschens von Silizium und Aluminium bezeichnet man die Oberkruste auch als „ S i a 1 " ; die darunter liegende, bis in rd. 35 km Tiefe reichende Unter- kruste, aus der die in Vulkanen ausfließenden Basaltlaven stammen dürften, wird wegen der stärkeren Anteilnahme von Magnesium neben Silizium als „ S i m a " bezeichnet.
Daß der chemische Aufbau der tieferen Erde von dem der Kruste wesentlich abweicht, ergibt sich schon aus dem spezifischen Gewicht der Gesamterde, das mit 5,52 sowohl von demjenigen der sialischen Oberkruste (2,7—2,8) als auch dem der simatischen Unterkruste (2,9—3,0) wesent- lich abweicht. Aus der Fortpfianzungs-Geschwindigkeit der Erdbeben-Wellen, aus der stofflichen Zusammenset-
Mineralien und Gesteine 17 zung der Meteoriten, aus Betrachtungen über geoche- mische Sonderungsvorgänge in Analogie zu Hochofen- Prozessen (Zerfall einer Schwefel- und arsenhaltigen Sili- katschmelze mit Metallüberschuß in Silikatschmelze, Sul- fid-Oxidschmelze und Metallschmelze) hat man abgeleitet, daß der Mantel (s. S. 13) in seinem oberen Teil aus ultra- basischem Silikatmaterial, in seinem unteren Teil aus Metallsulfiden und daß der Kern aus Eisen mit Nickel bestände (E. Wiechert u. a.). In neuerer Zeit sind Beden- ken vor allem gegen die Vorstellung des Erdkerns als eines Eisenkörpers erhoben worden. Man hat daran ge- dacht, daß hier im wesentlichen unverändert gebliebene Solarmaterie vorläge (Kuhn und Rittmann), daß der Kern hauptsächlich aus Olivin bestände (Ramsey) oder daß sich in ihm ein hoher Gehalt an Eisen in einatomigem Zustand mit einem relativ bedeutenden Gehalt an Wasser- stoff in mehr oder weniger vollständig ionisiertem Zu- stand (mit Beimengungen besonders von Si, O und Mg) vereinige (Haalck). Hier harren wesentliche Fragen noch der Lösung. Für die Bereiche zwischen Kruste und Kern (35—2900 km Tiefe) ist dagegen eine Stoffsonderung im Sinne eines Hochofen-Prozesses durchaus wahrscheinlich;
danach würden unterhalb der Unterkruste zunächst spe- zifisch schwere, eisenreiche Silikate (Olivin u. a.) vor- herrschen ( S i f e m a ) , die nach unten über eine an Oxi- den und Sulfiden von Eisen und anderen Metallen reiche Region weiter gegen den Kern zu in reineres, nickel- haltiges Eisen (N i f e) übergehen würden.
Mineralien und Gesteine
Unter den an der Erd-Oberfläche herrschenden Bedin- gungen vermögen nur wenige der Grundstoffe in elemen- tarem Zustand zu existieren; in der Regel sind vielmehr zwei oder mehrere derselben zu chemischen Verbindungen
2 Lotze, G e o l o g i e
18
Der Erdkörper: Bauplan und Stoff
vereinigt, wobei Sauerstoff-Verbindungen (Oxide) stark vorherrschen.
Die in der Natur als physikalisch und chemisch homo- gene Körper anzutreffenden Elemente und ihre Verbin- dungen werden als M i n e r a l i e n bezeichnet. Vielfach sind diese kristallisiert; dann gehorcht die Verteilung ihrer Bauelemente, der Atome, Ionen oder Moleküle, bestimmten geometrischen Gesetzen, d. h. sie sind in einem „Raumgitter" angeordnet, was sich in entsprechen- den physikalischen Eigenschaften und gewöhnlich auch in einer regelmäßigen äußeren Gestalt, dem „Kristall", kennzeichnet. Die Winkelbeziehungen zwischen den (äußeren) Kristallflächen sowie den (inneren) Spaltflächen, ferner auch die optischen Eigenschaften (neben anderen) geben daher die Möglichkeit, die Mineralien zu „bestim- men", so daß in vielen Fällen die mineralogische Unter- suchung eine chemische Analyse zu ersetzen vermag. —•
Neben den kristallisierten Mineralien, deren Einzelkri- stalle bis mikroskopisch klein sein können, gibt es ganz zurücktretend auch völlig unkristallisierte, „amorphe"
(gestaltlose).
Die Mineralien scheiden sich aus heißen Schmelzflüssen, aus Dämpfen und aus wässerigen Lösungen aus, wenn diese Medien durch Änderung von Temperatur, Druck oder Chemismus unter neue Gleichgewichts-Bedingungen gelangen. Wärmeverlust spielt bei Schmelzflüssen, Schwin- den des Lösungsmittels bei wässerigen Lösungen eine große Rolle. Im Einzelfall hängt die Mineralausscheidung wesentlich von dem Chemismus der Lösung sowie von Druck und Temperatur ab; dabei gelten die Grundvor- gänge der Mineralbildung nicht nur für heute, sondern auch für die geologische Vergangenheit.
In den G e s t e i n e n sind Einzelmineralien meist ver-
schiedener, nicht selten auch gleicher Art zu Mineralgesell-
Mineralien und Gesteine 19 schaften vereint. Dieser Zusammenschluß kann schon bei der Bildung der Einzelmineralien oder unmittelbar da- nach, aber noch in ursächlichem Zusammenhang mit ihrem Werdegang, geschehen; so entstehen Salzgesteine als Gemenge der aus wässerigen Lösungen sich abschei- denden einzelnen Salzkristalle. In einer solchen Mineral- gemeinschaft (Paragenese) stehen die Komponenten in gesetzmäßigen Beziehungen zueinander. — Der Zusam- menschluß kann aber auch in größerem zeitlichem Ab- stand von der Bildung mehr „zufällig" erfolgen, z. B.
in der Weise, daß Mineralkörner aus verschiedenen Mine- ralgesellschaften ausgesondert und etwa durch fließendes Wasser zu neuen Mineralgemeinschaften zusammengetra- gen werden; das ist z. B. bei sandigen Gesteinen der Fall.
Während die Gesamtzahl der bekannten Mineralarten über 2000 beträgt, nehmen nur etwa 100 am Aufbau der normalen Gesteine teil, und nur etwa 10 Grundtypen sind von ausschlaggebender Bedeutung. Hierzu gehören Quarz (Si02), Feldspat (in mehreren Abarten, wie Orthoklas und die Plagioklase), Glimmer (hauptsächlich zwei Arten:
heller Glimmer [Muskowit] und dunkler, eisenhaltiger Glimmer [Biotit]), Hornblende, Augit, Olivin, Magnetit, ferner die Tonmineralien und die Karbonate Kalkspat (Kalzit) und Dolomit.
Durch verschiedene Kombinationsmöglichkeiten dieser Grundmineralien und ihrer Abarten ergibt sich eine er- hebliche Mannigfaltigkeit. Im einzelnen werden die Ver- hältnisse durch die physiko-chemischen und geologischen Bildungsbedingungen bestimmt, und die Gesteine als Kombinationen von Mineralien werden damit bezeich- nend für bestimmte Bildungsbereiche.
Auf dieser g e n e t i s c h e n Basis lassen sich die Ge- steine in folgende drei Hauptgruppen einteilen:
2 *
