Lernort Geologie Modul h

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Geologische Arbeitsmethoden

1 Geländearbeit: Untersuchung vor Ort 298

1.1 Hinweise vor der Geländearbeit 298

1.2 Was nimmt man ins Gelände mit? 299

1.3 Was ist ein Aufschluss? 299

1.4 Aufschlussaufnahme 299

1.5 Die Geologische Karte 307

2 Methoden im Labor 309

2.1 Die Mikroskopie 309

2.2 Die chemische Zusammensetzung des Gesteins 312

2.3 Das Alter des Gesteins 314

Dieses Kapitel gibt Hinweise, wie Untersu-chungen im Gelände durchzuführen sind undwelche Hilfsmittel dazu benötigt werden.Dabei sollen die Sinne für das detaillierte Be-obachten geschärft werden.

1.1 Hinweise vor der Geländearbeit

Noch bevor er mit den Schülern ins Geländegeht, muss sich der Lehrer Kenntnisse überden geologischen Aufbau des jeweiligen Ge-bietes aneignen (z. B. in geologischen Exkur-sionsführern). Diese Information wird vor derGeländearbeit auch an die Schüler weiterge-geben. Hierbei sollen keine Einzelheiten überden jeweiligen Aufschluss, sondern vielmehrein regional-geologischer Überblick vermit-telt werden. Auch eine Kopie der topographi-schen Karte des Gebietes wird als Orientie-rungshilfe an die Schüler verteilt. In diesetragen die Schüler dann vor Ort die Lage derjeweiligen Aufschlüsse ein. Bei der Besichti-

gung von Abbaubetrieben oder Privatgelände(Liste der Rohstoffbetriebe u ), mussimmer vorher eine Zustimmung vom Eigen-tümer eingeholt werden.

Folgende Sicherheitshinweise müssen vorder Geländearbeit angesprochen werden:

• In Steinbrüchen und an Felswänden stetseinen Helm tragen!

• Während des Hämmerns oder auch nurbeim Zuschauen, wie eine andere Personhämmert, unbedingt eine Schutzbrille tra-gen!

• Vor dem Hämmern auf andere Personenachten und diese ggf. auffordern wegzu-schauen (den Kopf abwenden) oder einStück beiseite zu treten (höchste Verlet-zungsgefahr)!

• Im Aufschluss keine Steine lostreten, dadiese andere, unterhalb stehende Perso-nen gefährden könnten!

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Sachinformation Geologische Arbeitstechniken und Arbeitsmethoden

Geologische Arbeitsmethoden

Geologische Arbeitsmethoden umfassen Untersuchungen sowohl im Gelände wie auch imLabor. Neue, zum Teil sehr aufwändige Methoden unterstützen dabei die geologische For-schung. Am Anfang aller Untersuchungen steht jedoch die Geländebeobachtung und Probe-nahme. Beides kann auch von Schülern nachvollzogen werden. Zum Einsatz von Labormetho-den werden einige Beispiele gegeben.

1 Geländearbeit: Untersuchung vor Ort

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Geologische Arbeitstechniken und Arbeitsmethoden Sachinformation

H1 | DickbankigerSandstein (Mittle-rer Burgsandstein)in Wechsellage-rung mit Letten-schichten in deralten Steinbruch-wand im Nürnber-ger Tiergarten.

• In Naturschutzgebieten und von Natur-denkmälern dürfen keine Steine abge-schlagen oder mitgenommen werden! Vor-her Erkundigungen einholen!

1.2 Was nimmt man ins Gelände mit?

Einige Hilfsmittel (Feldbuch, Lupe, ggf.Schutzhelm) müssen von jedem Teilnehmermitgeführt werden, andere (z. B. Geologen-hammer, Schutzbrillen, Kompass und Salz-säure) können gruppenweise eingesetzt wer-den. Fotoapparat, wasserfeste Stifte oderKlebeband sind nicht zwingend notwendig,sie erleichtern jedoch die Geländearbeit. Aufwettergerechte Kleidung sollte dringend ge-achtet werden, denn: es gibt kein schlechtesWetter, nur schlechte Ausrüstung! FestesSchuhwerk (am besten knöchelhohe Wan-derschuhe) und eine wasserdichte Beklei-dung sind bei der Geländearbeit unverzicht-bar, genauso wie ausreichender Sonnen-schutz (Tipp: bei starker Sonneneinstrahlungeinen Regenschirm als Schutz mitnehmen).Eine Kopfbedeckung (Mütze, Cap, Sonnen-hut) ist bei der Geländearbeit immer emp-fehlenswert, da sie vor Hitzschlag aber auchvor kleinerem Steinschlag schützt. Bitte auchan genügend Nahrungs- und Flüssigkeitsauf-nahme denken. Eine „Erste Hilfe“-Ausstat-tung immer in Griffnähe haben!

1.3 Was ist ein Aufschluss?

Während der Geländearbeit werden Auf-schlüsse aufgesucht und genau aufgenom-men. Als Aufschluss wird in der Geologie eineStelle bezeichnet, an der Gesteinsschichten,die sich normalerweise tief im Untergrundbefinden, frei zu Tage treten. Dies geschiehtauf natürliche Art und Weise durch Hebungund Erosion. Sind die Gesteinspakete in ihrerursprünglichen g Lagerung erhalten, sospricht man vom „anstehenden Gestein“. EinAufschluss ist wie ein Fenster, durch das maneinen Blick ins Erdinnere bekommt. Hier kön-nen alle Strukturen und Gesteinsarten er-fasst werden, um sie in verschiedenen Dia-grammen, Modellen oder geologischenKarten darzustellen. So erhält der Geologewichtige Informationen, die in vielen Berei-chen benötigt werden. Können keine geeig-neten Aufschlüsse ausfindig gemacht wer-den, müssen aufwändige und teilweise sehr

kostspielige Bohrverfahren eingesetzt wer-den. Neben den klassischen Aufschlüssenkönnen auch die auf Feldern oder Wiesenherumliegenden Steine (Lesesteine) einenHinweis auf die Geologie im Untergrundgeben. Des Weiteren bieten Flussbetten mitden antransportierten Geröllen einen sehrguten Überblick über die in der Umgebungvorkommenden Gesteinsarten. Dabei gilt: jerunder ein Stein, desto länger sein Transport-weg, aber auch die Gesteishärte hat hiereinen Einfluß.

1.4 Aufschlussaufnahme

Zu Beginn der Aufschlussaufnahme werdendie Schritte 1 und 2 (Eckdaten und Positio-nierung) gemeinsam mit den Schülern be-sprochen und im Feldbuch notiert sowie dieAufschlussposition in die topographischeKarte eingetragen. Anschließend werden dieSchüler in Gruppen aufgeteilt, in denen sieden Schritt 3 (Aufschlussbeschreibung)selbst erarbeiten sollen.

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Das wichtigste Werkzeug ist der Hammer. Am besten geeignet ist der Geologenhammer: er bestehtaus speziell gehärtetem Stahl, der selbst bei härtesten Gesteinen nicht splittert. Geologenhämmergibt es für rund fünfzig Euro im Versandhandel oder im Outdoor-Fachgeschäft. Von herkömmlichenHämmern aus dem Baumarkt ist abzuraten, denn beim Einschlag auf hartem Gestein (Granit, Basalt,metamorphes Gestein) können Splitter vom Stahl oder der Kopf vom Stiel gelöst werden und so zuVerletzungen führen.

Jeder, der einen Hammer einsetzt, muss eine Sicherheitsbrille tragen, da sie die Augen vor Gesteins-splittern schützt! Andere umstehende Personen müssen dabei einen Sicherheitsabstand (2-3 m) wah-ren und den Kopf vom Geschehen abwenden, damit die Augen nicht verletzt werden. Sicherheitsbril-len gibt es z. B. im Baumarkt, evtl. auch beim Chemielehrer nachfragen!

Eine Lupe erleichtert das Erkennenvon kleinen Mineralen, die oft bei derIdentifizierung eines Gesteins maß-gebend sind. Am besten sind ein-klappbare Lupen mit zehnfacher Ver-größerung, deren Linse durch einenMetalldeckel geschützt ist.

Der Kompass dient zur Orientierungund zum Einmessen der Strukturen(u Exkurs „Einmessen von Struktu-ren“).

In Steinbrüchen ist SchutzhelmPflicht! In Aufschlüssen mit Steilwän-den ist er ebenfalls empfehlenswert,da er vor losgetretenem Steinschlagdurch herumkletternde Personenschützt.

Ein Höhenmesser ist nur im Gebirgenotwendig, wo er die Orientierungund Positionierung erleichtert.

Verdünnte (1-molare) Salzsäure(Chemielehrer) zur Bestimmung desKarbonatanteils im Gestein (sieheSalzsäuretest). Fläschchen mit Pi-pette bekommt man z. B. in der Apo-theke oder beim Chemielehrer.

Mit dem Zollstock wird der Auf-schluss vermessen (z. B. Größe desAufschlusses, Mächtigkeit der Ge-steine, etc.). Er kann aber auch alsMaßstab beim Fotografieren einge-setzt werden.

Ein Klemmbrett ist als feste Unter-lage z. B. für Karten oder Aufgaben-blätter unerlässlich. Es sollte miteiner regenfesten Abdeckung (Folie)ausgestattet sein. Ein Klemmbrettkann z. B. im Werkunterricht ange-fertigt werden.

Ein Fotoapparat kann als Dokumen-tationshilfe eingesetzt werden. Erdarf aber Notizen und Skizzen kei-nesfalls ersetzen. Stets an einenMaßstab (Hammer, Geldstück, Zoll-stock) auf dem Foto denken!

Im Feldbuch (Protokollbuch) werden alle Notizen und Beobachtungen aufgezeichnet. Alles, was nichtim Gelände notiert wird, geht für immer verloren! Das Feldbuch sollte einen festen Einband haben,damit auch ohne Unterlage geschreiben werden kann. Praktisch sind DIN A 5-Notizbücher mit karier-ten Blättern. Zum Notieren benutzt man einen Bleistift, weil damit auch auf feuchtem Papier geschrie-ben werden kann. An einen Spitzer, Radiergummi und Ersatzstift denken!

Sonstiges: Plastiktüten (z. B. Gefrierbeutel) für bröselige Gesteinsproben; Klebebandund wasserfester Stift oder Lackstift (in schwarz und weiß für helle bzw. dunkle Steine).

Die Grundausstattung

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Eckdaten

• Datum, evtl. Uhrzeit• Name und/oder Nummer des Aufschlus-

ses• Manchmal ist es hilfreich, sich Notizen

über das Wetter zu machen, denn bei sichändernden Lichtverhältnissen und unter-schiedlicher Luftfeuchtigkeit kann der Ein-druck vom Aufschluss variieren.

• In welcher geologischen Einheit (u Kapi-tel 1.5) befindet sich der Aufschluss?

Positionierung

• Kurzbeschreibung des Anfahrtsweges:„Zum Aufschluss gelangt man über die A3,Ausfahrt Fischbach, Weiterfahrt über dieB12 …“

• Die genaue Position beschreiben: „DerAufschluss befindet sich an der B4 amOrtsausgang Oberndorf, drei Meter in öst-licher Richtung von der Straße entfernt…“

• Die Position (ein Kreuz) der Aufschlüssein die topographische Karte eintragen.

• Die Koordinaten mit Hilfe von GPS (Ge-nauigkeit ca. 1 Meter) feststellen: Dies istvor allem dann von Vorteil, wenn sich derAufschluss an einer versteckten Stelle be-findet, z. B. mitten im Wald, weit weg voneinem Weg. Außerdem werden mit Hilfevon GPS-Koordinaten (u Exkurs „Geogra-phische Informationssysteme“) Informa-tionen verortet und somit für GIS (Geoin-formationssysteme) zur Verfügung gestellt.Dadurch ist es anderen Personen mög-lich, geologische Informationen über die-ses Gebiet ohne erneute Aufschlussauf-nahme abzufragen.

• Im Gebirge: Bestimmung der Höhe miteinem Höhenmesser (erleichtert die Ori-entierung und Positionierung, da im Ge-birge kleinere Pfade oder Wanderwege oftnicht in Karten dargestellt sind).

Aufschlussbeschreibung: beobachten,

beschreiben, zeichnen

Nun tritt man zunächst einen Schritt zurückund versucht, den Aufschluss in seiner Ge-samtheit zu erfassen. Später, bei der Ge-steinsansprache und der Aufschlussauf-nahme, wird man auf die Einzelheiten nähereingehen.

Beschaffenheit des Aufschlusses im Ganzen

• Ausmaß (… der Aufschluss ist x m lang

und x m hoch)

• Zustand (alt, verwittert, zugewachsen)• Entstehung (natürlich: Klippe, Fluss…;

künstlich: Steinbruch, Straßenanschnitt…)• Gibt es markante Stellen? (das kann z. B.

eine Falte, Bankung oder Störung sein)

Makroskopische Gesteinsansprache

Nun geht man näher an den Aufschluss heranund schaut sich die vorliegenden Gesteinean. Eine Beschreibung des Gesteins nenntder Geologe Gesteinsansprache. Hierzu sollteman einen Fels anfassen oder ein abge -brochenes Stück Stein in die Hand nehmen(Handstück). Dabei ist darauf zu achten, dassdas Handstück eine frisch angebrocheneStelle besitzt. Falls nicht, wird ein Stück weg-geschlagen. Bei der Beschreibung werdenalle Sinne eingesetzt: Man fühlt, riecht, hört,schmeckt und sieht das Gestein. Der Seh-sinn wird an letzter Stelle eingesetzt, da erdie anderen Sinne zu stark in den Hinter-grund drängt. All diese Eindrücke werden nunins Feldbuch notiert:• Fühlen: Der Stein wird mit den Fingern ab-

getastet (die Augen schließen). Dabei kannz. B. die Korngröße ertastet werden. Wiefühlt sich der Stein an: glatt oder rau,schmierig oder trocken, zerbröselt er beimAnfassen?

• Riechen: Jeder Stein riecht anders. Ent-hält das Gestein z. B. Schwefelwasserstoff,so riecht er nach faulen Eiern. Oft ist auchein erdiger Geruch wahrnehmbar.

• Hören: Steine können sich unterschied-lich anhören, wenn man mit dem Hammerdaraufschlägt. Dies hat mit der Gesteins-zusammensetzung, dem Anteil von mehroder weniger kleinen Rissen oder dem Ver-witterungsgrad zu tun.

• Schmecken: Bestimmte Sedimente kön-nen auch im Mund identifiziert werden:Ton zergeht auf der Zunge, Schluff undSand knirschen zwischen den Zähnen,Salze können mit der Zungenspitze ge-schmeckt werden.

• Sehen: Bei den visuellen Eindrücken ach-tet man auf folgende Eigenschaften: Zustand des Handstücks (frisch oder ver-

Korngröße Beschreibung

< 1 mm feinkörnig

1 – 3 mm mittelkörnig

3 – 10 mm grobkörnig

> 10 mm großkörnig

Tabelle H1 | Körnigkeit vonGesteinen.

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H2 | Mineraleinregelungdurch Druck währendder Deformation desGesteins.

wittert); Farbe; Fossilinhalt; Korngröße (k Tabelle H1); Kornform (rund, eckig, plat-tig oder stängelig); Bruch (abgebrocheneStelle am Stein: plattig, muschelig, ...); kris-talline Gesteine: Matrix im Vergleich zu denMineraleinsprenglingen (= größere, früh-zeitig ausgeschiedene Kristalle). Sind sieeinheitlich eingeregelt oder unterschied-lich orientiert? Sedimentgesteine: Worausbesteht der Zement (siehe Ritztest undSalzsäuretest). Werden die Komponenten(Minerale) sehr klein, nimmt man eine Lupezur Hand. Hierzu hält man diese direkt ansAuge und führt das Handstück so naheheran, bis die Bestandteile scharf zu sehensind: Welche Farbe haben die Minerale?Wie viele kann man unterscheiden?

Außer den Sinneseindrücken kann man sichnoch weiterer Hilfsmittel bedienen:• Ritztest: Mit dem Ritztest kann herausge-

funden werden, ob das Gestein Quarz ent-hält oder nicht. Dabei wird der Hammermit dem Handstück geritzt: ist ein Kratzerzu sehen, ist Quarz enthalten (Quarz ritztStahl; siehe auch k Tabelle H2, Mohs’scheHärteskala).

• Salzsäuretest: Um zu bestimmen, ob dasGestein aus Karbonat besteht, träufeltman (1-molare) Salzsäure auf das Hand-stück. Fängt es an dieser Stelle an zuschäumen, so enthält das Gestein Karbo-nat. Kalzit (Ca-Karbonat) braust dabei stark(CaCO3 + 2 HCl => CaCl2 + H2O + CO2), Dolomit (Ca,Mg-Karbonat) dagegen nurschwach. Dieser Test ist besonders prak-tisch z. B. bei der Identifizierung von Ader-verfüllungen oder bei der Bestimmung vonkarbonatischem Zement in Sedimentge-steinen. Achtung: das Handstück anschlie-ßend nicht mehr anfassen, riechen oderablecken!

Strukturen in Gesteinen

In einem Aufschluss werden nicht nur Ge-steine, sondern auch die darin enthaltenenStrukturen bestimmt. Die geometrische Be-ziehung zwischen den verschiedenen Struk-turen wird in der Geologie als Gefüge bezeich-net. Im Aufschluss soll vor allem daraufgeachtet werden, welche Strukturen zu er-kennen sind. Falls Kompass vorhanden, wirdauch ihre Raumlage eingemessen (uExkurs„Einmessen der Raumlage von Strukturen“).Aufgrund solcher Raumlage-Daten könnenGeologen z. B. die Wegsamkeit von Grund-wasser aufgrund der Orientierung von Klüf-ten ermitteln oder das tektonische Regimeeiner Region z. B. als wichtigen Hinweis inder Erdbebenforschung. Für die Bestimmungder Raumlage von Strukturen benutzen dieGeologen einen speziellen Kompass. Für dieGeländearbeit mit Schülern reicht jedoch einMarschkompass völlig aus.

Primäre Strukturen bilden sich während derEntstehung des Gesteins. Hierzu zählt z. B.die Schichtung. Von einer Schichtung sprichtman nur bei Sedimentgesteinen. Sie wirddurch einen Materialwechsel verursacht, derwährend der Gesteinsablagerung durch sichändernde Bedingungen entsteht (uModul B„Minerale und Gesteine“). Ist eine relativmächtige Schicht (z. B. Sandstein) durch eineandere Schicht (z. B. Mergellage) deutlichabgegrenzt, so spricht man auch von einerBank.

Einregelung

von Mineralien

in einer Ebene

Regelloses Gefüge

Mohs-härte

Mineral Hilfsprüfung

1 Talk mit Fingernagel schabbar

2 Gips mit Fingernagel ritzbar

3 Calcit mit Kupfermünze ritzbar

4 Fluorit mit Messer leicht ritzbar

5 Apatit mit Messer noch ritzbar

6 Orthoklas mit Stahlfeile ritzbar

7 Quarz ritzt Fensterglas, Hammer

8 Topas –

9 Korund –

10 Diamant –

Tabelle H2 | Die Mohs’sche Härteskala.

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Geologische Arbeitstechniken und Arbeitsmethoden SachinformationExkurs

Geographische Informationssysteme (GIS)

Das GIS dient zur computergestützten Erfassung, Spei-cherung aber auch Analyse von raumbezogener Infor-mation. Mit GIS lässt sich erfasste Information jeglicherArt über jeden Ort oder jede verortete Sache auf der Erdeabrufen. Diese Information kann dann weiter verarbei-tet oder graphisch darstellt werden. Ein kleines Beispiel,das für den Laien wichtig ist, ist das Planen von Routenim Internet.

Gauß-Krüger-Koordinaten und das GPS

Um das Abfragen von raumbezogenen Koordinaten zuermöglichen, müssen Informationen über Orte oder Dingemit metrischen Koordinaten verortet werden. Dies ge-schieht mit Hilfe der Gauß-Krüger-Koordinaten, indemeinem Gebiet ein Rechts- und ein Hochwert (s. u.) zuge-wiesen wird. Auf diese Weise besitzt jeder beliebige Ortauf der Erde eine nur ihm zugeordnete Kombination anZahlen und ist somit sofort identifizierbar.

Das ist vor allem dann wichtig, wenn mit einem GPS-Gerät die Koordinaten bestimmt werden sollen. Das Prin-zip der Gauß-Krüger-Koordinaten beruht darauf, dassdie Oberfläche der Erdkugel zwischen jedem dritten Me-ridian aufgeschnitten wird, wodurch man 120 schmaleStreifen erhält. Jeder Streifen bekommt eine Kennung,die sich nach dem Meridian richtet: der erste Streifenbekommt die Null (0°), der zweite die drei (3°), usw.

Jeder Streifen besitzt dabei ein eigenes Koordinatensys-tem mit dem Nullpunkt in der Mitte und am Schnittpunktvom Äquator. Die Streifen sind so schmal, dass man dieWölbung der Erdkugel vernachlässigen kann und siedemzufolge als eben ansieht. Das ist wichtig, damit überdiese Streifen ein rechtwinkliges Gitternetz angelegt wer-den kann (z. B. das UTM-Koordinatensystem).

Universal Transverse Mercator (UTM-) Koordinaten

Das UTM-Koordinatensystem ist aus dem Gauß-Krüger-Koordinatensystem abgeleitet und wurde 1947 von derUS-Armee entwickelt, um auf großmaßstäbigen Militär-karten rechtwinklige Koordinaten zu erhalten. Das UTM-System teilt die komplette Erde in der Ost-West Richtungin 60 Meridianstreifen (Zonen) von 6° Breite. Die Haupt-meridiane (Meridiane in der Mitte der Zonen) liegen bei3°, 9°, 15°, 21° usw. bis 177°. Man beginnt aber nichtmit dem Zählen der Zonen bei Greenwich (0° Meridian),sondern genau auf der gegenüberliegenden Seite derErde. Von 180° bis 174° westlicher Länge ist die ersteZone. Deutschland zum größten Teil in Zone 32. Die UTM-Git-terkoordinaten werden als Entfernung in Metern nachOsten ausgedrückt, dies wird „Rechtswert“ genannt, undals Entfernung in Metern nach Norden, dies wird als„Hochwert“ bezeichnet.

H3 | Die Gauß-Krüger-Koordinaten.

H4 | Die UTM-Koordinaten mit Beispielen zur Bestimmung derRechts- und Hochwerte.

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H5 | Drei Grundtypen vonStörungen. Betrachtetwird bei der Auf- undAbschiebung jeweils die Bewegung der g Hangendscholle (Gesteine oberhalb derStörungsbahn) zur g Liegendscholle (Gesteine unterhalb der Störungsbahn). Beider Seitenverschiebung(Blattverschiebung)wird eine Bewegung imUhrzeigersinn (rechts-seitig, dextral) von einerBewegung gegen denUhrzeigersinn (linkssei-tig, sinistral) unterschie-den. Die schwarzenPfeile deuten die Rela -tiv bewegung an.

Sattel

Mulde

aufrechte Falte geneigte Falte

c. d. e.

SchieferungsflächeSchieferungsfläche

sflächesf

Faltenachsenfläche

a.

Ausgangszustand

Schichtung

b.

Verschnittlinien zw.Schichtung und Schieferung

H6 | Elemente einer Falte.

Sekundäre Strukturen entstehen erst nachder Bildung der Gesteine durch die Einwir-kung von Deformation während tektonischerProzesse (z. B. während der Gebirgsbildung).Hierzu zählen Schieferung, Störungen, Klüfteoder Falten. Bei der Schieferung handelt essich um lagige Trennflächen, an denen dasGestein am leichtesten in mehr oder wenigerdünne Platten zu spalten ist. Dies wird durchDeformation bzw. Metamorphose verursacht,in dem sich plattige Minerale (v. a. Tonmine-rale oder Glimmer) in einer Ebene senkrechtzum größten Druck einregeln (kH4). So wirdwährend der Metamorphose z. B. aus einemTonstein, der noch eine Schichtung besitzt,ein Tonschiefer und dann ein Glimmerschie-fer, in dem sich die Tonminerale in Schicht-minerale (Glimmer) umwandeln und dabei ineiner Ebene ausrichten. Ist die Schieferungin metamorphen Gesteinen nicht deutlich aus-geprägt, so spricht man von einer Foliation (=metamorphes Lagengefüge).

Geologische Störungen sind Zonen oder Flä-chen (gVerwerfungen), entlang welcher sich

Gesteine/Minerale gegeneinander verscho-ben haben (k H5). Störungen können sichüber viele Größenordnungen, von mehrerenhundert Kilometern umfassenden Struktu-ren in der Lithosphäre und der Erdkruste (anPlattengrenzen z. B. San Andreas Störung)bis zu Mikro- und Nanometer kleinen Dislo-kationen (Versatz) in Gesteinen und Minera-len lokalisieren. Die durch Deformation ent-standene Trennfläche, aber auch der Vorgangselbst, wird als Störung bezeichnet.

g Klüfte sind Trennflächen im Gestein. ImGegensatz zur Schieferung haben sich keineMinerale eingeregelt. Im Gegensatz zu Stö-rungen fand kein Versatz entlang der Trenn-flächen statt. Klüfte bilden sich z. B. bei derHeraushebung der Gesteine (u Modul E„Landschaftsentwicklung in Bayern“, k E9)oder der Abkühlung von magmatischenSchmelzen (u Modul I „AußerschulischeLernorte“, Exkursion Nr. 8).

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Falten treten in allen möglichen Variationenund Größenordnungen (mm-, cm- oder m-Be-reich) auf. Im Aufschluss wird darauf geach-tet, ob es sich z. B. um eine Mulde (g Synkli-nale) oder einen Sattel (gAntiklinale) handelt.Mit einem Kompass kann die Himmelsrich-tung bestimmt werden, in die der Faltenschen-kel einfällt. Den Prozess der Faltung kannman auch mit einem kleinen Experimentnachmachen. Man braucht nur ein bis dreiDIN-A4 Papierblätter: Man fasst das Papieran beiden Enden an und schiebt diese vor-sichtig zusammen. Je nachdem, ob paralleloder etwas versetzt geschoben wird, entste-hen aufrechte oder geneigte Falten (k H6).

Raumlage von geologischen Strukturen

Die Raumlage (Orientierung) von Strukturenwird mit einem Kompass bestimmt (uExkurs„Einmessen der Raumlage von geologischenStrukturen“). Es werden generell zwei Werteeingemessen: Das Streichen und das Fallen(k H7).

Das Streichen ist eine Schnittlinie, die ausdem Verschnitt der Fläche mit einer horizon-talen Ebene entsteht. Das Fallen setzt sichwiederum aus zwei Werten zusammen: (1)der Fallrichtung (α), die die Abweichung vonmagnetisch Nord ist. Sie repräsentiert dieRichtung, in die die Schicht einfällt. Und (2)dem Fallwinkel (ϕ), der den Winkel zwischender Fläche und der Horizontalen bildet. Das Streichen steht dabei senkrecht, alsomit 90° zur Fallrichtung. Somit kann aus demStreichen die Fallrichtung berechnet werdenund umgekehrt:

Skizzen und Fotos

Nach der Aufnahme werden Detailskizzenvon Strukturen sowie eine Aufschlussskizzeangefertigt. Es müssen keine Meisterwerkewerden, aber es gilt immer: besser eineschlechte Skizze als gar keine! In jeder Skizzemuss jedoch die Himmelsrichtung und einMaßstab angegeben werden! In der Auf-schlussskizze müssen alle markanten Struk-turen (z. B. Falten, Schichtung, Schieferung,Störungsflächen) enthalten sein. Hier wirdauch die Position der eingemessenen oderbeprobten Stellen mittels einer Nummer ein-getragen.

Zur zusätzlichen Dokumentation könnenFotos gemacht werden (Foto-Nummer insFeldbuch eintragen!). Diese dürfen jedochauf keinen Fall die Skizzen ersetzen. EineSkizze hebt die Strukturen viel deutlicher her-vor. Unbedingt an einen Maßstab (Münze,Bleistift, Hammer oder Person) denken! DieHimmelsrichtung sowie eine kurze Beschrei-bung, was auf dem Foto zu sehen ist, wer-den ins Feldbuch notiert.

H7 | Fallrichtung und Fallwinkel einer geneigtenFläche

Streichen (σ ) = Fallrichtung (α ) +/- 90°

H8 | Aufschlussskizze deralten Steinbruchwandim Nürnberger Tiergar-ten (Originalfoto k H1).

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Gesteinsbezeichnung

Nach den Untersuchungen kann die Ge-steinsbezeichnung abgeleitet werden (nötigeVorkenntnisse u Modul B „Gesteine und Mi-nerale“). Dabei geht man so vor, dass dasGestein zuerst einer der drei großen Gesteins-gruppen (Sedimente, Magmatite, Metamor-phite) zugewiesen wird (das sollte man aufjeden Fall können) und erst dann eine spe-zifische Gesteinsbezeichnung (z. B. Sand-stein, Granit, Schiefer) bestimmt wird. Einegenauere Bestimmung im Gelände ist auchfür einen Geologen nicht immer möglich. Des-wegen werden Gesteinsproben entnommen,die im Labor mit verschiedenen Methodenweiter untersucht werden.

Probenahme und Probenbeschriftung

Die Probenahme wird an einer für das Ge-stein repräsentativen Stelle mit dem Geolo-genhammer entnommen (Sicherheitshin-weise beachten!). Mit der flachen Seite desHammers werden kleinere Proben (etwafaustdick) herausgeschlagen. Solch eineProbe nennt der Geologe Handstück. Mit derspitzen Seite des Hammers kann die Ge-steinsprobe gespalten werden. Jedes Hand-stück erhält eine Nummer (mit Lackstift), dieim Feldbuch und ggf. auch in der zuvor an-gefertigten Skizze notiert wird. Die entnom-menen Gesteinsproben werden mit einemKlebeband umwickelt, auf welches nochmalsdie Probennummer geschrieben wird (für denFall, dass ausgerechnet das Stück wegbricht,auf dem die Nummer steht). Falls die Proben

Exkurs

Einmessen der Raumlage von geologischen Strukturen

I. Einmessen des Streichens:

1. Kompass horizontal halten und die lange Kante andie Fläche anlegen.

2. Einnorden: Während der Kompass immer noch ander Fläche anliegt, wird jetzt die schwarze Kompass-dose so weit gedreht, bis die Kompassnadel undder schwarz-rote Pfeil am Boden der Dose parallelangeordnet sind. Dabei muss die rote Nadel im rotenPfeil zu liegen kommen.

3. Es wird der Wert abgelesen, den die weiße Markie-rung außen an der Kreisskala der schwarzen Kom-passdose anzeigt. Da das Streichen nur zwischen0° und 179° angegeben wird, muss diejenige Mar-kierung berücksichtigt werden, welche innerhalbdieses Bereiches liegt (z. B. 176°).

II. Einmessen des Einfallwinkels:

1. Zunächst muss die schwarze Kompassdose solangegedreht werden, bis die 90°-Marken der innerenSkala mit den äußeren weißen Strichmarkierungenübereinstimmen.

2. Die lange Kante des Kompasses wird vertikal an dieFläche gelegt.

3. Es wird der Wert abgelesen, den das Lot in der in-neren Kreisskala angibt (z.B. 40°).

4. Zum Streich- und Fallwert muss zusätzlich die Him-melsrichtung notiert werden, in die die eingemes-sene Fläche einfällt (z.B. West).

Ergebnis: angegeben wird entweder das Streichen und Fallen der Fläche, also in die-sem Fall 176°/40°W, oder Fallrichtung und Fallwinkel der Fläche mit 266°/40° (k H7)

H9a

H9b

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leicht bröseln, werden sie in Plastiktüten ver-packt (Nummer nicht vergessen). Es emp-fiehlt sich, ein Handstück mehrfach zu be-schriften, denn nichts ist ärgerlicher, als zuHause eine Probe zu finden, deren Nummerfehlt und deswegen ihre Herkunft nicht mehrnachvollziehbar ist.

Bericht

Nach der Geländearbeit wird ein Bericht er-stellt. Hier sollen alle Aufschlüsse dokumen-tiert werden und auch Skizzen, Fotos undmitgebrachte Proben sowie anschließendeUntersuchungsergebnisse eingebunden wer-den.

1.5 Die Geologische Karte

Die Geologische Karte ist eine Darstellungder geologischen Gegebenheiten eines Ge-bietes in einem Kartenblatt. Grundlage istdie topographische Karte, in diese wird dieflächenhafte Verbreitung geologischer For-mationen eingetragen. Die geologischeGrundkarte hat im Allgemeinen den Maßstab1:25.000. Detailkartierungen werden jedochauch im kleineren Maßstab von 1:10.000oder auch 1:5.000 angefertigt. Der Maßstab1:50.000 wird nur in Ausnahmefällen ver-wendet, z. B. falls der geologische Untergrundgroßflächig aus denselben Gesteinen aufge-baut ist. Aus den Grundkarten können Über-sichtskarten im Maßstab 1:100.000,1:200.000 oder 1:250.000 erstellt werden.

Kartierung

Der Transfer von Geländebeobachtung in dieKartendarstellung wird Kartierung genannt.Im Gelände unterscheidbar Gesteinseinhei-ten werden als g Formationen bezeichnet.Alle Informationen wie Gesteinsname, strati-graphische Situation, Lagerungsverhältnissegehen mit ein. Dabei muss eine dreidimen-sionale Information (Orientierung von Schicht-flächen im Raum) auf eine zweidimensionaleDarstellung reduziert werden. Bezüglich dergeologischen Situation des Untergrundes wer-den Profilschnitte (Querschnitte) angefertigt,die die strukturellen Lagerungsverhältnisseund/oder Mächtigkeiten abbilden, die im Ge-lände nicht direkt beobachtet werden kön-nen.

Bei horizontaler (söhliger) Schichtlagerungfolgen die geologischen Grenzen den Höhen-linien, und das Kartenbild ist einfach struk-turiert (kH10). Diese Situation zeigt sich aufdem Ausschnitt aus der Geologischen Kartevon Wassertrüdingen (1:25 .000) wo eine

Sattelachse

N

N

N

H11 | Darstellung vonSchichteinfallen ingeologischen Kartendurch Symbole.

H12 | Die geologische Situation der Partnachklamm in einer Blockbilddarstellung: In derKlamm ist der Wambacher Sattel angeschnitten mit steiler Südflanke und flachererNordflanke. Der Sattelkern wird von Schichten des mittleren Alpinen Muschelkalksgebildet.

H10 | Oben: Ein Ausschnitt aus der Geologischen Karte von Wassertrüdingen (1 : 25 000) zeigt die geologische Situation des Hesselbergs. Unten: Ein Profilschnitt durch den Hesselberg zeigt die Mächtigkeiten der Schichtenfolge.

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H13 | Generalisiertes litho-stratigraphisches Profilvon Teilen des UnterenKeupers in Unterfran-ken. An der linkenSeite des Profils wirddas Verwitterungsver-halten der Schichtenangedeutet.

Schichtenfolge von der Trias bis zu den Malm-kalken an die Oberfläche tritt.

Bei geneigten Schichten wird die im Geländegemessene Schichtlagerung (Streichen undFallen) durch Symbole angezeigt (k H11).Faltenstrukturen können durch ihre Falten-achse dargestellt werden, die als Sattel- oderMuldenachse gekennzeichnet wird. Ist dieAchse nicht horizontal, dann wird die Abtauch-richtung durch einen Pfeil angezeigt.

Eine dreidimensionale Darstellung wird miteinem sogenannten Blockbild ermöglicht (k H12). Dieses dient der Verdeutlichung

komplizierter Lagerungsverhältnisse odergeologischer Gegebenheiten.

Stratigraphie

Die Schichtenfolge einer geologischen Kartewird in einer sogenannten Stratigraphie zu-sammengefasst. Diese bildet die Legendeder geologischen Karte. Das Grundgesetzder Stratigraphie wurde 1669 von NikolausSteno formuliert (uModul G „Wissenschafts-geschichte“). Es besagt, dass sich bei der Se-dimentation eine Sedimentschicht über dieandere legt, so dass die jeweils jüngere dieältere überdeckt. Dies ermöglicht eine rela-tive zeitliche Gliederung sedimentärerSchichtfolgen und man erhält eine Abfolgelithologischer Einheiten.

Diese werden bei der Lithostratigraphie zulithologisch gleichen Gesteinsschichten (z. B. Formationen) zusammengefasst (kH13)und bilden die Grundlage für die Erstellunggeologischer Karten, da diese Einheiten imGelände wiederzuerkennen (auskartierbar)sind. Die Schichtenfolge kann als Säulenpro-fil dargestellt werden, hier können beson-dere Charakteristika der Gesteinseinheitenwie Internstrukturen oder Verwitterungsver-halten abgebildet werden. Eine Unterbre-chung in der kontinuierlichen Schichtenfolgenennt man g Schichtlücke.

Biostratigraphie

Um 1800 zog der englische Ingenieur Wil-liam Smith aus seinen Erfahrungen bei Ka-nalbauten in Mittelengland den Schluss, dassFossilien in bestimmter Folge im Schichtpro-

H14 | Die normale stratigra-phische Abfolge mit äl-teren Schichten untenund jüngeren Schich-ten oben (links) kanndurch Faltung umge-dreht werden (rechts).

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fil eingebettet sind (u Modul G „Wissen-schaftsgeschichte“). Zudem erkannte er,dass gewisse Fossilien charakteristisch fürbestimmte Schichten sind. Er wurde damitzum Begründer der Biostratigraphie, die diein den Fossilien dokumentierte Entwicklungals relative Zeitmarker nutzt. Bedingt durchdie Evolution treten bestimmte Fossilien zueinem bestimmten Zeitpunkt erstmals auf,und das Auftreten verschiedener Fossilienbildet charakteristische Abfolgen. Die bios-tratigraphische Feingliederung (Zonierung)des Kambriums ist z. B. auf die Trilobiten, die

des Juras auf Ammoniten gegründet. Fossi-lien, die man zur relativen Altersdatierungheranziehen kann, nennt man Leitfossilien(u Modul D „Erdgeschichte“).

Manchmal sind die Gesteine durch die Tek-tonik verstellt und dabei sogar überkippt.Man braucht daher Kriterien, um festzustel-len, wo oben (jung) und unten (alt) ist (kH14),die sogenannten Oben-Unten Kriterien odergeopedale Gefüge, wie z. B. Ablagerungs-strukturen oder Spurenfossilien in Sediment-gesteinen (k H15).

2 Methoden im Labor

Die im Folgenden aufgeführten Methodenstellen nur eine kleine Auswahl dar und sol-len lediglich einen Überblick über einige wich-tige laboranalytischen Arbeitsmethoden derGeowissenschaftler geben.

2.1 Die Mikroskopie

Zur Bestimmung der Minerale, ihrer Korn-größe und Anordnung im Gesteinsgefüge istdie lichtoptische Mikroskopie die wichtigsteAnalysemethode. Für die mikroskopische Ana-lyse der lichtdurchlässigen Minerale werden

H15 | Oben-Unten-Kriterien: Links: Schrägschichtungsgefüge in Sandsteinen. Rechts: Spuren von Sedimentbewohnern. Der Watt-wurm Arenicola marina legt Baue im Schlickwatt an. Diese sind J-förmig (unten links) und das von den Würmern ausgeschiedene Sedimentliegt genau über der Öffnung der Wohnröhre. Ein fossiles Beispiel für ähnliche Strukturen zeigt eine Rekonstruktionszeichnung des Spurenfos-sils Trusheimichnus franconicus aus dem oberen Muschelkalk Unterfrankens. a: Sedimentkegel neben der Wohnröhre; b: unregelmäßig verlau-fende zylindrische Röhre; c: kugelförmige Kammer.

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H16 | Ein Gesteinsdünn-schliff ist lichtdurch-lässig und kann mitdem Lichtstrahl desMikroskops durch-leuchtet werden.Durch die mikroskopi-sche Vergrößerungwerden Strukturen imGestein sichtbar.

aus den Gesteinsproben Stücke herausge-sägt und sogenannte Dünnschliffe gemacht(k H16). Dabei werden die Minerale so dünngeschliffen (etwa 25 μm), dass sie das Lichtdurchlassen und durchsichtig werden.

Dieses Präparat wird dann unter einem Mi-kroskop bei verschiedener Vergrößerung(etwa 10- bis 1.000-fache Vergrößerung) be-trachtet. Dazu wird ein sogenannter polari-

sierter Lichtstrahl verwendet. Lichtwellenschwingen normalerweise in allen Ebenensenkrecht zur Ausbreitungsrichtung, durcheinen Filter werden nur die Strahlen einer be-stimmten Ebene durchgelassen (polarisier-tes Licht). Betrachtet werden die Dünnschliffein zwei verschiedenen Modi: (i) im einfach po-larisierten Licht (k H16) und (ii) im doppeltpolarisierten Licht (k H17). Erstere lässt nurdie Strahlen in einer Ebene durch und das

H17 | Prinzip der Lichtpolari-sation zur Dünnschliff-mikroskopie (doppeltpolarisiertes Licht). Mikroskopbild linksohne Dünnschliff,rechts mit Dünnschliff.

Lichtstrahlen mitunterschiedlicherSchwingungsebene

1. Polarisationsfilter

2. Polarisationsfilter

Gesteinsdünnschliff

ohne Dünnschliff:

Auslöschung des Lichtstrahlsdurch senkrecht

aufeinanderstehende Filter.

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Objekt kann in diesem einfach polarisiertenLicht betrachtet werden, hierbei gibt jedochnur eine unterschiedliche Eigenfarbe der Mi-nerale Information. Viele wichtige gesteins-bildende Minerale (u Modul B „Minerale undGesteine“) wie Quarz und Feldspat zeigen je-doch keine Färbung und sind damit nicht un-terscheidbar. Wird das Licht durch zwei Pola-risationsfilter geschickt (Modus ii), die in ihrer

Filterebene senkrecht aufeinander stehen,dann kann es zu einer Lichtbrechung desStrahls in den Kristallen kommen (Doppel-brechung, uModul B „Minerale und Gesteine,k Calcit Tab. 1c) und das austretende Lichthat wiederum unterschiedliche Polarisations-ebenen, die durch den zweiten Polarisations-filter (der sogenannte Analysator) nicht mehrherausgefiltert werden.

Was sieht man im Dünnschliff? Einige Beispiele:

Exkurs

Mineralogische Information:

Olivinkristalle unterschiedlicher Größe (bunte Farbenim doppelt polarisierten Licht) in einem Basalt von derWasserkuppe in der Rhön. Die feinkörnige Matrix be-steht aus kleinen Kristallen (z. B. Plagioklas, grau) undGesteinsglas (schwarz).

Strukturelle Information:

Sedimentäre Schichtung (hell-dunkel Lagen) und Schieferung (Position markiert durch rote Linie) in dendunklen Tonmineralreichen Lagen eines schwach me-tamorphen feinschichtigen Gesteins aus dem Schor-gasttal bei Wirsberg (Kreis Kulmbach). Aufnahme imeinfach polarisierten Licht.

Sedimentologische Information:

Zusammensetzung, Korngröße und Rundungsgrad vonSedimentgesteinen geben Auskunft über Herkunft (Ab-tragungsgebiet) und Transportweite. Das Bild zeigteinen Sandstein der Clarens Formation, Südafrika (Un-terjura) mit einem vulkananischen Bruchstück (inbraun) in einer Matrix aus Quarz- und Feldspatkörnern.Aufnahme im einfach polarisierten Licht

Paläontologische Information:

Art und Zusammensetzung des Sediments, des Scha-lenmaterials von Organismen sowie deren Füllungengeben Informationen über die ehemaligen Ablage-rungs- und Lebensbedingungen. Das Bild zeigt asphalt-haltige Verfüllungen (braune lagige Ablagerungen) inden Kammern eines Orthoceras (Kopffüßler) aus demBuckhorn Asphalt Quarry, Karbon, Oklahoma, USA.

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Tabelle H3 | Vergleich der chemischen Zusammensetzung eines Granits (Leuchtenberger Granit, Oberpfalz)und eines Basalts (Oberteich bei Mitterteich, Oberpfalz).

2.2 Die chemische Zusammen-setzung des Gesteins

Gesteinsschmelzen variieren in ihrer Zusam-mensetzung von mafisch bis sauer (uModulB „Minerale und Gesteine“), was natürlichauch zu einer Variation in ihrer chemischenZusammensetzung führt. Somit zeigen Gra-nit und Basalt deutliche Unterschiede in denHauptelementen, wie z. B. im SiO2 Gehalt,welcher im Granit, oder im FeO-Gehalt, derim Basalt höher liegt (k Tabelle H3). Kristal-lisieren Minerale aus einer Schmelze aus, sobauen sie charakteristische Elemente ein,die die Zusammensetzung der Schmelze re-flektieren. Die chemische Analyse ermöglichteine Klassifizierung der Gesteine, wenn z. B.aufgrund von Feinkörnigkeit oder hohen Glas-anteilen eine Klassifizierung über den Mine-ralbestand nicht möglich ist, wie manchmalin vulkanischen Gesteinen. Bestimmt wer-den die Hauptelemente als Oxide (in Ge-wichtsprozent) und Spurenelemente in ppm(parts per million) und mit hochauflösendenMethoden auch im ppb-Bereich (parts perbillion).

Die Analysendaten werden in standardisier-ten Diagrammen, sogenannten Klassifizie-rungs- und Diskriminierungsdiagrammen,dargestellt. Solche Diagramme sind durchAnalyse von Gesteinen bekannter geologi-scher Herkunft entwickelt worden. Eine der

Exkurs

Makro – Mikro – Nano

Neben den lichtoptischen Verfahrenzur Mikroskopie werden heute in derForschung höher auflösende Techni-ken eingesetzt, die eine Beobachtungder Minerale bis in die Gitterstruktu-ren möglich machen. Statt einesLichtstrahls arbeitet man hier mitElektronenstrahlen. Dabei gibt es ge-nerell zwei Verfahren, die Rasterelek-tronenmikroskopie (REM) und dieTransmissionselektronenmikrosko-

pie (TEM). Bei der REM wird die Ober-fläche der Probe mit einem Elektro-nenstrahl beschossen und dabei dieRückstrahlung registriert (uModul D„Erdgeschichte“, k D10). Durchschnelle Bewegung des Elektronen-strahls kann die Probenoberflächeabgescannt werden. Mit diesem Ver-fahren werden bis zu 100.000facheVergrößerungen erreicht. Bei der TEMwird eine sehr dünne Probe mit Elek-

tronen durchstrahlt. Bei der Durch-strahlung des Kristallgitters kommtes, wie beim lichtoptischen Verfah-ren, zu Brechungen des Elektronen-strahls. Mit einem TEM kann maneine Auflösung bis in den Bereich derGitterabstände zwischen den atoma-ren Bausteinen des Kristalls (uModulB „Minerale und Gesteine“), also imBereich von weniger als einem Nano-meter erreichen.

Spurenelemente in ppm

Ce 134 101

Ba 950 680

Pb 48 20

Co 15 54

Cr 43 341

Nb 21 83

Ni 15 292

Sr 205 710

Rb 205 38

V 35 239

Zr 282 272

Granit Basalt

Hauptelemente in Gewichts-%

SiO2 68,1 41,7

Al2O3 15,42 11,21

Fe2O3 3,29 12,6

MnO 0,056 0,171

MgO 0,99 10,49

CaO 2,16 12,22

Na2O 3,25 3,49

K2O 4,62 0,82

TiO2 0,565 2,67

P2O5 0,24 0,72

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Geologische Arbeitstechniken und Arbeitsmethoden SachinformationExkurs

H18 | Von der Aufschlussprobe zur Feinstruktur: Die Beobachtung eines verformten Quarzganges von der Makro- über die Mikro- zur Na-nostruktur. Das rote Feld zeigt jeweils den Ausschnitt für die Darstellung in der nachfolgenden, höher auflösenden Betrachtung.

wichtigsten Darstellungen ist das sogenannteTAS-Digramm, hier wird die Summe der Na2O-und K2O-Gehalte in Gewichtsprozenten überdie SiO2-Gehalte in Gewichtsprozenten ge-stellt. Die Unterschiede in der Zusammen-setzung von feinkörnigen Vulkaniten aus derOberpfalz werden in dem gezeigten Beispiel(k H19) deutlich.

Die chemische Zusammensetzung ist einewichtige Informationsquelle für Hinweise zurEntstehung des Gesteins (Petrogenese). Sohaben Basalte, die an einem ozeanischenRücken entstanden sind, eine andere geo-

chemische Signatur als Basalte, die alsSchmelze im oberen Mantel unterhalb derkontinentalen Platten entstanden und dannaufgestiegen sind (uModul B „Minerale undGesteine“). Granite, die oberhalb einer Subduktionszone liegen, habe eine etwasandere Zusammensetzung als Granite, dieim Zuge der Kontinent/Kontinent-Kollision (uModul C „Plattentektonik“) entstehen. Ins-besondere die sogenannten Spurenelemente(k Tabelle H3) sind hier aussagekräftig, diesegeben dem Gestein einen charakteristischenchemischen „Fingerabdruck“. Viele Elementesind immobil, d. h. sie verbleiben während

H19 | Chemische Zusam-mensetzung von basischen und saurenVulkaniten aus Nord-ost-Bayern. Die unterBasalte zusammenge-fassten untrabasi-schen Vulkanite stehen im Zusammen-hang mit der Bildungdes Egergrabens. Die sauren Vulkanitesind aus der Zeit desPerms.

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der Metamorphose in den Mineralen undsind daher auch nach einer langen geologi-schen Vorgeschichte wichtige Zeugen derEntstehungsgeschichte des Gesteins.

Die geochemische Zusammensetzung unter-stützt in archäologischen Untersuchungendie Rekonstruktion der früheren Handels-wege. So wurde z. B. Bimsstein im gesamtenMittelmeerraum als Schleifmittel eingesetzt.Mit Hilfe des chemischen Fingerabdruckskann unterschieden werden, von welchemVulkan die Gesteine stammen.

Es gibt verschiedene Verfahren zur chemi-schen Analyse, einen Einblick bekommenSchüler im Chemieunterricht. Generell wirdbei der chemischen Analyse das Gestein auf-gemahlen und das Gesteinsmehl untersucht.Durch die Lasertechnolologie ist es heuteaber auch möglich, hochauflösende chemi-sche Analysen an Einzelmineralen in Dünn-schliffen zu erhalten. Dazu wird die Methodeder LA-ICP-MS eingesetzt. Die Abkürzungenstehen für „laser ablation inductively cou-pled mass spectrometry“. Durch den Laser-beschuss wird Material abgelöst und ver-dampft (k H21). Dieses Gas wird ionisiertund in einem Massenspektrometer auf seineElementanteile analysiert.

Die Probemenge, die der Laser abträgt, istderart winzig, dass auf der Oberfläche desSteins keine Schäden erkennbar sind. Damitwird diese Methode auch eingesetzt, um Edel-steine auf ihre Echtheit zu überprüfen. EchteSteinen haben eine charakteristische Ele-

mentverteilung, diese lässt sogar Rück-schlüsse auf die geografische Herkunft zu.

2.3 Das Alter des Gesteins

Stratigraphische Methoden (Biostratigraphie,Lithostratigraphie) geben nur Hinweise aufdas relative Alter der Gesteinseinheiten. Erstdurch die Entdeckung des radioaktiven Zer-falls von Elementen und ihrer Nutzung zursogenannten radiometrischen Altersdatie-rung können die absoluten Alter von Gestei-nen (Chronostratigraphie) und die Zeitdauergeologischer Prozesse ermittelt werden.

Radiometrische Altersdatierungen basierenauf der Veränderung des Isotopenverhältnis-ses von Elementen aufgrund des radioakti-ven Zerfalls. Ein radioaktives Element (Mut-terisotop) zerfällt unter Aussendung vonStrahlung in ein anderes Element. Das Grund-prinzip der Methodik wird im k Exkurs„Grundlagen der Radiokohlenstoffmethode“exemplarisch dargestellt.

Verschiedene Zerfallsreihen können in dergeologischen Datierung genutzt werden,dabei sind die Halbwertszeiten der radioge-nen Isotope ausschlaggebend für den Alters-bereich (k Tabelle H4). Insbesondere dieUran-Blei-Isotopenanalyse gibt den Forscherndie Möglichkeit, auch die Alter präkambri-scher Gesteine zu bestimmen, die nicht bios-tratigraphisch datiert werden können. Wei-terhin werden diese Methoden beimagmatischen und metamorphen Gesteinen

H20 | Analyse eines Mona-zitkristalls mit der Lasermethode: Durchden Laserstrahl wirdein Krater von weni-gen Mikrometern er-zeugt. Im linken Bildsind im Monazit dreiAnalysekrater zusehen.

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Grundlagen der Radiokohlenstoffmethode (14C Methode)

In den oberen Schichten der Erdat-mosphäre werden durch die kosmi-sche Strahlung Neutronen erzeugt,die durch eine Kernreaktion dasStickstoffisotop 14N in das radioak-tive Kohlenstoffisotop 14C umwan-deln. Dieses zerfällt mit einer Halb-

wertszeit von 5730 Jahren zurück in14N. Die Erzeugung und der Zerfallvon 14C stehen im Gleichgewicht, sodass das Verhältnis von dem radio-aktiven Nuklid 14C zu den stabilen Iso-topen 12C und 13C konstant bleibt.Beim Kohlenstoff liegt das Isotopen-

verhältnis von 14C:12C in der Atmo-sphäre bei 1,2:1012. Dieses Verhält-nis findet man auch in allen leben-den Organismen, da bei Stoffwech-selprozessen alle Isotope eines Ele-mentes in gleichem Maße beteiligtsind. Stirbt der Organismus ab, sofindet nur noch der Zerfall des insta-bilen Isotops nach dem bekanntenZerfallsgesetz statt. Daher kann ausdem heute noch vorhandenen Anteilan 14C auf das Alter der Probe ge-schlossen werden. Es muss dabei je-doch berücksichtigt werden, dass dieatmosphärische 14C-KonzentrationSchwankungen unterliegt, die durchVariationen des erdmagnetischen Di-polmoments (Schutzschild gegenkosmische Strahlung, u Modul A„Planetensystem und Aufbau derErde“, kA17) verursacht sind. Außer-dem macht sich der menschliche Ein-fluss durch die Verbrennung fossiler,nicht 14C-haltiger Brennstoffe, sowiein den frühen 1960er Jahren durchAtombombentests bemerkbar.

Exkurs

H21 | Prinzip des radioaktiven Zerfalls und Nutzung für die Kohlenstoffdatierung.

angewandt. Dazu werden Minerale analy-siert, die viel Uran enthalten, wie z. B. Zirkonoder Monazit. Durch den radioaktiven Zer-fall wird Strahlung freigesetzt (α-Strahlung),die das Kristallgitter umliegender Mineraleschädigt. Die geschädigten Bereiche sindunter dem Mikroskop, da sie lichtundurch-lässiger sind, als dunkle Ränder um die strah-lenden Minerale sichtbar (k H20).

Es sollte jedoch nicht vergessen werden, dassalle absoluten Datierungsmethoden miteinem Fehler behaftet sind, der die analyti-sche Präzision der Methode widerspiegelt.Der Fehlerbereich (Standardabweichung vomMittelwert) einer Altersdatierung sollte daherimmer mit angegeben werden.

Mutterisotop Tochterisotop Halbwertszeit datierbarer Zeitraum

in Jahren in Jahren

Uran-238 Blei-206 4,5 Mrd. 10 Mio. – 4,6 Mrd.

Kalium-40 Argon-40 1,3 Mrd. 50.000 – 4,6 Mrd.

Rubidium-87 Strontium-87 47 Mrd. 100 Mio. – 4,6 Mrd.

Kohlenstoff-14 Stickstoff-14 5730 100 – 10.000

Tritium Helium 12,7 100

Tabelle H4 | Isotopen-systeme für Altersdatie-rungen.

Weiterführende Literatur, Links und Karten (Auswahl):

Dixon, D. & Bernor, R. L. 1998. Geologie für Amateure. Einführung in die Wissenschaftvon der Erde. Ein praktischer Begleiter für Gesteins- und Mineraliensammler, 159 S., Kö-nemann Verlag, ISBN 978-3-82900-324-7.

Fischer, H.W. 1999. Naturwissenschaftliches Zeichnen und Illustrieren, 202 S., Beringeria Sonderheft 3, ISSN 0937-0242.

Markel, G. 2004. Minerale und Gesteine, Eigenschaften – Bildung – Untersuchung, 355 S., Spektrum Akademischer Verlag, ISBN 978-3-82741-495-4.

Murawski, H. & Meyer, W. 2004. Geologisches Wörterbuch, 262 S., Spektrum Akademi-scher Verlag, ISBN 978-3-82741-445-8.

Vinx, R. 2007. Gesteinsbestimmung im Gelände, 472 S., Spektrum Akademischer Verlag,ISBN 978-3-82741-925-5.

Materialien zum Thema System Erde

Leibniz-Institut für die Pädagogik der Naturwissenschaftenu www.ipn.uni-kiel.de

Schülerlabor am Helmholtz-Zentrum Potsdam (Deutsches GeoForschungsZentrum)u www.geolab.gfz-potsdam.de

Herausgeber

Bayerisches Staatsministerium fürUmwelt und Gesundheit (StMUG)

Staatsinstitut für Schulqualität und Bildungsforschung (ISB)

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