Einführung in die Geologie

Mark FeldmannDr.sc.nat. ETH

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Inhalt

•Aufbau der Erde•Kristall, Mineral, Gestein•Magmatische Gesteine•Sedimente•Metamorphe Gesteine•Prozesse

Sedimentgesteine

1) Klastische Sedimente

2) Organisch-/chemische Sedimente

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Organo-chemische Sedimente

Organisch-/chemische oder organo-chemische Sedimente sind Sedimente, die durchchemische Prozesse oder unter dem Einfluss biologischer Komponenten ausgefälltwurden.

Die meisten organo-chemischen Sedimente entstehen in den Ozeanen, welche über70% der Erdoberfläche bedecken.

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Glärnisch mit Vrenelisgärtli

Kalk CaCO3 - Aragonit oder Calcit

Aragonit

Calcit

Orthorhombisches Kristallsystem Trigonales Kristallsystem

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Marine Sedimentationsbereichegeo-life

Die hauptsächlichsten Ablagerungenim Schelfbereich sind Kalkeverschiedenster Art, seien es extremfeine mikritische (mikrokristallinerCalcit), gröbere mit sichtbaren Calcit-Kristallen oder solche mit Fossilresten.

Mikrite

Eine besondere Form des Mikrites ist die ehemalige Schreibkreide. Kreide ist eine sehr reineArt von Kalk, die fast ausschliesslich aus mikroskopisch kleinen Calcitplättchen besteht, die vonCoccolithen stammen. Obwohl jedes Plättchen nur ein paar Mikrometer Durchmesser hat,wurden über weite Gebiete Europas Kreideschichten von mehreren hundert Metern Mächtigkeit(Dicke) abgelagert.

Coccolithosphäre

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Kreidefelsen, Rügen

Mikrobiologische unkontrollierte Kalkproduktion

Leicht kalk-inkrustierter Mikroorganismus (die Risse deuten auf Resteorganischer Substanz)

Vollständig kalk-inkrustierter Mikroorganismus

Durch die grosse pH-Differenz zwischen Zellinnerem und -äusserem kommt es auf der Aussenseiteder Zelle spontan zu Kalkfällung, falls genügend Calcium- und Karbonationen vorhanden sind. DaCalciumionen für organische Zellen giftig sind, werden sie durch die Organismen mit einemPumpsystem nach aussen geschleudert.

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Biofilme

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Filament in der Mitte; Cyanobakterium Schizothrix sp. auf der Oberfläche eines einzelnen Sandkorns. Am linken Rand erkenntman die einzelnen Zellen, in der Mitte ist das Bakterium von anderen noch kleineren Mikroorganismen besiedelt und auf derrechten Seite ist das Filament bereits durch Kalkfällung mineralisiert.

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Zellstrukturen des Cyanobakteriums Schizothrix sp.

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Besiedlung und Abbau eines Cyanobakterienfilaments durch Mikroorganismen unbekannter Art

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Kalkmineralisierung des Cyanobakterienfilamentes durch die Freisetzung von Calciumionen, welche vorher an dieorganische Substanz gebunden waren.

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Cyanobakterium Dichothrix sp. mit „Schleim“-Hülle(Durchmesser des Filamentes ca. 10 Mikrometer)

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Kalkfällung an der Aussenseite eines Filamentes von Dichothrix sp.

Kalkfällung in einem Biofilm und das Endprodukt: die Lagenbildung eines Stromatolithen. Auf diese Weise entstanden dieersten Riffe durch Bakterien.

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Lagenstruktur in Stromatolithen

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Intertidaler Stromatolith, Exuma Cays, Bahamas Subtidaler Stromatolith, Exuma Cays, Bahamas

Schalen und SkeletteOrganismen, die Kalk produzieren, können Schalen aus Calcit oder Aragonit aufbauen(Ammoniten, Muscheln, Schnecken, Brachiopoden, Foraminiferen), Calcit-Skelette bilden (div.Schwämme, Seelilien) oder sie leben in Gehäusen aus Calcit (Korallen, Kalkalgen, Seeigel).

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Enzymatisch kontrollierte Verkalkungsmuster

Rotalge Echinoderme

Foraminiferen Koralle

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Riffkalke

Wie die meisten Sedimentgesteine entsteht auchKalkstein aus weichen Ablagerungen, die späterwährend der Diagenese verfestigt werden und zuGestein verhärten. Das Kalkmaterial sesshafterOrganismen wird zum Teil an dem Ort, an dem dieOrganismen gelebt haben, versteinert.

Die ältesten sesshaften Organismen warenCyanobakterien, die bereits vor 3.5 MilliardenJahren kalkige Gebilde, sogenannte Stromatolithen,bauten.

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Moderne Stromatolihen, Bahamas

Moderne Stromatolithen

Shark Bay, W-Australien

Lagen-Struktur eines StromatolithenLee Stocking Island, Bahamas

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Moderne Cyanobakterien,Bahamas

Oszillatoria sp.

Kolonie verschiedener faden- und kugelförmiger Cyanobakterien

(z.B. Microcoleus sp. und Spirulina sp.)

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Fossile Stromatolithen

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Fossile  Cyanobakterien

Bi1er  Springs,  Australien,  850  Ma

Gunflint  Forma?on,  Canada,  2  Ga

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Das grösste Korallenriff der Welt: GreatBarriere Reef, Australien

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Moderne Riffe

Heute sind die bekanntestenOrganismen Korallen und einigeAlgenarten, die ihre Zellen währenddes Wachstums zusammenzemen-tieren, wobei die Hartteile derOrganismen in ihrer Lebendstellungeingebettet werden. Sie bilden einenharten Riffkalkstein, der untergünstigen Bedingungen zu einemKorallenriff wächst, das bis zumehreren tausend Kilometer lang undund hunderten von Metern breit seinkann, wie z.B. das Great Barriere Reefvor Ostaustralien.

Korallenriff in der Karibik

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Korallenriff im Roten Meer

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Nicht alle Korallen bauen Riffe!

Bierflasche als Substrat eines Korallenriffs

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Luxuskarrosse elegant entsorgt ...

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... und etwas später als Substrat eines Riffes.

Fossile Korallenstrukturen in jurassischem Kalk (ca. 160 MioJahre)

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Pleistozänes Korallenriff, Florida Keys

Fossile Riffe

Atolle

Im Pazifischen Ozean bilden sich um erloschene Vulkane besondere Arten von Korallenriffen,die einst um Vulkaninseln gewachsen sind. Als die Vulkane erloschen und abgetragen wurden,wuchsen die Korallen rasch genug nach, um nahe der Oberfläche zu bleiben und ein Atoll zubilden - eine Lagune, umgeben von einem Riff.

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Moorea-Atoll(Barriere-Riff)

Südsee-Atoll

geo-lifeKieselige Sedimente

Kieselalgen (Diatomeen) können riesige„Blüten“ bilden. Nach dem Absterben lagernsich ihre Opalskelett ab. Mit der Diagenesebildet sich ein Horizont mit kielseligen Knollen –Feuersteine.

Kieselalgenblüte in der Ostsee

Diatomee – Kieselalgenskelett aus Opal (SiO2)

Feuersteinhorizonte in den Kreidefelsen von Rügen

Feuersteine am Strand von Rügen

Kieselige Sedimente

Im Tiefseebereich können sich keine Kalksteinebilden, da unterhalb der CalcitKompensationstiefe (CCD), einer Tiefe meistzwischen 4000-5000 Metern, aufgrund deshohen Kohlendioxiddruckes (CO2) Calcit wiederaufgelöst wird. Von den absinkenden Schalenund Skeletten bleiben in solchen Tiefen nursolche aus Kiesel (SiO2) oder andernunlöslichen Substanzen zurück, insbesonderedie feinen Skelette der Radiolarien, einerGruppe von Einzellern.

RadiolaritAlp Flix, GR

Radiolarien

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Protornis glaronensis (Glarner Vogel)

Protosiganus glarisianus (Kaninchenfisch) Glarichelys knorri (Glarner Schildkröte)

Phosphate

Fossilien unterhalb der CCD – z.B.Knochen oder Gräte aus Phosphat

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Evaporite

Im trockenen Klimabereich kann in abgeschlossenen Meeresbecken die Verdunstung so starksein, dass sie grösser ist, als die Wasserzufuhr ins Becken. So kommt es zur Ausscheidungder im Meerwasser gelösten Stoffe in Form von Evaporiten (Verdunstungsgesteinen) wie Gips,Anhydrit, Steinsalz, Kali- oder Magnesiumsalzen. Die letzteren werden nur bei extremerEindampfung ausgeschieden, so dass Lagerstätten mit solchen Salzen entsprechend seltensind.

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Salzlagune, Mexico

Gips

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Bei hoher Verdunstungsrate kann im Karbonatschlammzuerst Gips, eine Verbindung von Calcium und Schwefel(CaSO4), und später Steinsalz (NaCl) auskristallisieren.

Halit, Steinsalz

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„Bullauge“ - Struktur

und

die „Austrocknung des Mittelmeeres vorrund 5.5 Millionen Jahren

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Eine Anreicherung von Schwefel im Wasser entsteht dann, wenn das Wasser auf seinem Wegvon der Oberfläche bis zu seinem Quellaustritt Schwefel aufnimmt. Dabei kann sich Gips imRegenwasser mit Hilfe von Mikroorganismen auflösen und es entsteht Schwefelwasser mitseinem typischen Geruch nach „faulen“ Eiern.Alle bekannten kalten Schwefelquellen in unserer Region haben ihre Ursache im Gips, dereinst in der Mittleren und Späten Trias abgelagert wurde.

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Das einstige Bad Stachelberg

Die Zeiten, als man ohne Umsteigen mit dem Zug von Paris nach Linthal(GL) gelangen konnte, sind vorbei, doch die Schwefelquellen der „Bains deStachelberg“, dem einstigen Treffpunkt der internationalen High Society,sind bis heute nicht versiegt.

Schwefelquellen

Schwefelquelle Luchsingen (GL)

Chemische und Organochemische Sedimente und Sedimentgesteine

Begriff Chemische Zusammensetzung Minerale

KarbonateKalkstein (Travertin, Tropfstein, Quelltuff, ...) Calciumcarbonat (CaCO3) Calcit, AragonitDolomit Calcium-Magnesium-Carbonat (Ca,Mg(CO3)2) Dolomit

Kieselige SedimenteHornstein, Feuerstein (Flint), Silex Siliciumdioxid (SiO2) Opal, Chalcedon, Jaspis, ...

OxideEisenerz Eisenoxid (Fe2O3) Hämatit, Limonit

Evaporite - VerdunstungsgesteineSteinsalz Natriumchlorid (NaCl) HalitSulfate (Sulfatsalze) Calciumsulfat (CaSO4) Gips, Anhydrit

PhosphatePhosphorit Calciumphosphat (Ca3(PO4)2) Apatit (Zahnschmelz)

Bituminöse "Gesteine" - Umwandlungen organischer WeichteilePflanzliche Oranismen Torf, KohleTierische Organismen Erdöl

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Mischgesteine – Klastische Sedimente + Chemische Sedimente

Sand und Ton, beliebig beigemischt

Die Flu�sse tragen ständig Material in die Meere, entweder Sand oder Ton. Beide könnenbis zu Hunderten von Kilometern weit ins Meer hinausgetragen werden, bevor sieabsinken und sich mit dem Kalkschlamm vermengen. So können beliebige Mischungenzwischen reinem Kalk-, reinem Ton- und reinem Sandstein entstehen.

Flussmündung

Baryt (BaSO4) inGegenwart einesKettenmoleküls

Organische Mineralisationen geo-life

Calcit (CaCO3) inGegenwart einesKettenmoleküls

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Schichtaufbau einer Schneckenschale. Die Perlmuttschicht (graublau) besteht ausAragonit, wobei jede Lage in eine Matrix aus Proteinen und Chitin verpackt ist. DerRest aus Calcit.

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Luftkammern im Schulp (Wetzstein) des Sepia-Tintenfisches. Etwa 4% Eiweiss und Chitin sinddem Kalk beigemischt. Diese Konstruktion widersteht dem Wasserdruck in mehreren 100 mTiefe.

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Im Stachel einesSeeigels ist ein Kranzvon Kalksäulenzwischen Hautzelleneingebettet.

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Bambus - in die Einzelfasern baut die Pflanze grosse Mengen Kieselsäure(SiO2) ein. Manche Arten mehr als 70%

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Brennessel - in die Wände eines Brennhärchens lagert die Pflanze Kieselsäure ein. Dadurch bricht die Spitze bei einerBerührung leicht. Der Schaft bohrt sich wie eine Injektionsnadel in die Haut und setzt einen Schmerz auslösendenChemikaliencocktail frei.

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Radiolarien - Opalskelett (SiO2)

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