Lernort Geologie Sa b Gesamt

Lernort Geologie

Minerale und Gesteine

Didaktische Hinweise 74

Schüleraktivitäten

B 1 Gesteinsarten und ihre Entstehung 75

B 2 Die Kristallstruktur der Mineralien bestimmt

ihre Eigenschaften – oder –

Warum glitzert der Glimmer im Granit? 76

B 3 Das schwarze Gold der Steinzeit 80

B 4 Industrielle Verwendung und Gesundheitsgefahr von Asbest 81

B 5 Kristalle züchten 82

B 6 Eckige und runde Steine 83

B 7 Das Hjulström-Diagramm – oder – Wer muss liegenblieben? 84

B 8 Gesteins-Memory 85

Die Entstehung der Mineralien und Gesteineist eine Folge endogener und exogener Pro-zesse; ihre Kenntnis dient deswegen in be-sonderem Maße der Vernetzung geologischerUnterrichtsinhalte.

Der Kreislauf der Gesteine

Mit dem Arbeitsblatt B 1 wird den Schülernklar, wie sich jede Gesteinsart in jede andereGesteinsart verwandelt. Die Lehrkraft solltevon den wichtigsten Gesteinsarten möglichstfür je 2 Schüler ein Handstück bereithalten,um auch die sinnliche Komponente des Ler-nens zu ermöglichen.


In den Arbeitsblättern B 2 bis B 4 erarbeitenOberstufenschüler am Beispiel der Silikate,wie die Eigenschaften von Mineralien durchihren Kristallaufbau bestimmt werden.

Das Züchten von Kristallen veranschaulichtden Prozess der Bildung und Kristallisation

von Mineralen, dazu gibt es mit dem Arbeits-blatt B 5 Hinweise.

Verwitterung und Erosion

Arbeitsblatt B 6 handelt von der Zurundungder Geröllfracht in Flüssen. Im Arbeitsblatt B 7 wird der Zusammenhang zwischen Fließ-geschwindigkeit und transportierter Korn-größe erarbeitet. Die schwierige Lesbarkeitdes Diagramms ist ein sehr gutes Trainingfür die Abiturprüfung.

Es ist zu beachten, dass die Arbeitsblätter B 2 – B 4 erst für höhere Jahrgangsstufenbearbeitbar sind. Für diese sind auch Grund-kenntnisse aus den Fächern Chemie und Mathematik erforderlich.

Das Gesteinspuzzle

Mit dem Arbeitsblatt B 8 erarbeiten sich dieSchüler spielerisch die wichtigsten Gesteins-arten. Diese Aufgaben sind für die Unterstufegeeignet.

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Schüleraktivitäten Minerale und Gesteine


Didaktische Hinweise

CD | Alle Arbeitsblätter sowieseparat die Grafikender Arbeitsblätter.

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Minerale und Gesteine Schüleraktivitäten

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1. Berichte, wie sich jedes Gestein in jedes andere Gestein verwandeln kann. Folgende Verwandlungen müssen in Deinem Bericht vorkommen:

A) Vom Tiefengestein zum Ablagerungsgestein – und umgekehrtB) Vom Umwandlungsgestein zum Ablagerungsgestein – und umgekehrtC) Vom Umwandlungsgestein zum Tiefengestein – und umgekehrt

2. Die Lehrkraft gibt Euch einige Steine (z. B. Granit, Basalt, Kalkstein, Marmor, Sand-stein, Gneis …). Legt sie jeweils auf die richtige Stelle im Kreislauf der Gesteine.

Gesteinsarten und ihre Entstehung

Arbeitsaufträge an die Schüler

1.

2.

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Die Kristallstruktur der Mineralien bestimmt ihre Eigenschaften – oder –Warum glitzert der Glimmer im Granit?

Die häufigsten Minerale sind Silikate, 95 vol-% der Erdkruste werden von ihnen aufgebaut. Ihre Eigenschaften sind die Ursache für etliche Phänomene:

1. Der Glanz des Glimmers und der fettige Griff des Specksteins sind auf die Kristall-struktur der Minerale zurückzuführen. Finden Sie diese durch Lektüre des Infotextes 1 heraus.

2. Warum kann man beim Gabbro die Kristalle mit dem bloßen Auge sehen, beim Basalt nicht? Lesen Sie dazu den Infotext 2.

3. Bei der weltweiten Verbreitung von Gesteinen fällt auf, dass der Anteil von saurenPlutoniten (Granit) sehr viel höher ist als der von basischen Plutoniten (Gabbro). Bei den Vulkaniten ist es dagegen umgekehrt, es gibt viel Basalt aber nur wenigRhyolith. Warum gelangt die granitische Schmelze nicht so weit nach oben wie die basaltische Schmelze?

4. Die Insel Hawaii ist ein riesiger Schildvulkan und besteht aus vielen übereinander ge-flossenen Lavaströmen, die zum Teil nur wenige Meter dick sind, sich aber über vieleKilometer erstrecken. Warum kann sich die Lava so weit ausbreiten?

5. Einen Schildvulkan haben wir auch in Süddeutschland. Er nimmt eine Fläche von2.500 km2 ein. Um welchen Vulkan handelt es sich?


1.

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In allen Silikaten weist das Silizium die Ko-ordinationszahl 4 auf. Das bedeutet, dassjedes Silizium-Atom von 4 Sauerstoffatomenumgeben ist, die als Tetraeder angeordnetsind. Der Tetraeder insgesamt ist also einAnion. In jeder Tetraederecke sitzt ein ein-fach negativ geladenes Sauerstoffatom; andiese negativen Ladungen binden verschie-dene Kationen wie Magnesium-, Alumini- um-, Eisen- oder Kalziumionen.

Die einzelnen Tetraeder können sich zu kom-plexeren Strukturen zusammenfinden, dieVerknüpfung entsteht dabei immer über einSauerstoffion als gemeinsamen Eckpunktder einzelnen [SiO4] 4– Tetraeder. Die gemein-sam „genutzten“ Sauerstoff-Atome nenntman Brückensauerstoff. Je nach Vernetzungentstehen Ketten-, Band-, Ring-, Schicht-, oderGerüstsilikate.

Aus der Kristallstruktur ergeben sich z. B. fol-gende Eigenschaften:

• Bandsilikate bilden oft faserige oder stän-gelige Mineralien (z. B. Hornblende, As-best*).

• Bei den Schichtsilikaten sind die Bausteinein einzelnen Ebenen (Schichten) miteinan-der verbunden. Neben Ebenen mit vernetz-ten Tetraedern gibt es auch Ebenen mitOktaederanordnung und diese Schichtenkönnen sich in unterschiedlichem Rhyth-mus abwechseln. Die Schichten lassen sichleicht gegeneinander verschieben, daraus

resultiert die gute Spaltbarkeitund der „fettige Griff“. An denSpaltflächen wird Licht reflek-tiert, darum glänzen die Glim-mer. Auch Tonminerale sindSchichtsilikate. Ihr Aufbau undihre Eigenschaften sind in derHandreichung „Lernort Boden“S. 25 beschrieben.

• Bei den Gerüstsilikaten ist jeder Tetraederüber vier Sauerstoffbrücken mit einem an-deren Si04-Tetraeder (z . B. beim Quarz).Durch diese Vernetzung ergibt sich diegroße Härte. Bei den Feldspäten ist das Siteilweise durch Al ersetzt.

Strukturformel Modell

B7 – B9 | (von oben) Bandsilikat, Kettensilikat, Schicht silikat

* Asbest ist weder ein eigenständiges, anerkanntes Mineralnoch eine Mineralgruppe, sondern ein Sammelbegriff für be-stimmte, natürlich vorkommende, faserige Silikatmineralien.(Quelle: www.mineralienatlas.de)

Infotext 1: Eigenschaften von Silikaten

B10 |

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Magmatische Gesteine (nach dem grie-chischen Wort magma für geknetete Masse)entstehen durch Kristallisation aus Gesteins-schmelzen, die in großen Tiefen der Erdkrusteoder im Oberen Erdmantel entstehen. BeimAufstieg und Abkühlen des Magmas bildensich Kristalle. Wenn dieser Vorgang langsamgenug erfolgt, wie beim Abkühlen in der Erd-kruste, haben die Kristalle genug Zeit (meh-rere tausend bis hunderttausend Jahre), ummehrere Millimeter bis hin zu ZentimeterGröße zu erreichen, und es entsteht ein mit-telkörniges bis grobkörniges magmatischesGestein (Plutonit). Magma, das entlang vonBruchzonen der Erdkruste aufsteigt und naheder Erdoberfläche erstarrt (Ganggesteine)oder sogar als glutflüssige Schmelze (Lava)zu Tage tritt, erstarrt schnell, in Tagen bis Wo-chen. Es bilden sich hier gleichzeitig vielekleine Kristalle, es entsteht ein feinkörnigesGestein. In dem Magma gelöstes Gas ent-weicht und bildet viele Blasen im Gestein.Bei plötzlichem Abkühlen reicht die Zeit nichtzum Ausbilden kleiner Kristalle, und die Ge-steinsmasse wird zu einem Glas abge-

schreckt. Gesteine, die aus Magma entstan-den sind, das an der Erdoberfläche erstarrtist, nennt man Vulkanite.

Magmatite werden u.a. nach dem Chemis-mus ihrer ursprünglichen Magmen klassifi-ziert. Ein felsisches Magma hat Kieselsäure-gehalte von über 65 % SiO2 und bringt alsPluton einen Granit bzw. als Vulkanit einenRhyolith hervor. Felsische (helle) Mineralesind Quarz, Alkalifeldspäte, Plagioklase. Dem-gegenüber kristallisiert aus einem mafischenMagma mit weniger als 52 % SiO2 kein Quarz,dafür aber Plagioklas aus, und es bilden sichin der Tiefe ein Gabbro bzw. an der Erdober-fläche ein Basalt.

Fe-Mg arm, reich an K, Na, Al und SiO2

SiO2 > 66%: felsisch („sauer”)SiO2 = 52 – 66%: intermediär

Fe-Mg-reiche GesteineSiO2 = 45 – 52%: mafisch („basisch”)SiO2 < 45%: ultramafisch („ultrabasisch”)

Der SiO2-Gehalt bestimmt die Fließeigen-schaften eines Magmas, denn er steuert dieViskosität (Zähflüssigkeit) der Schmelzen.Felsische Schmelzen haben daher eine hoheViskosität, mafische Schmelzen sind niedrigviskos. Felsische Schmelzen enstehen durchAufschmelzung der Krustengesteine, dasMagma erreicht oft nicht die Erdoberflächeund bildet Plutone. Basalte können dagegenentlang von Störungszonen aus dem Bereichdes oberen Mantels bis an die Erdoberflächeaufsteigen. An der Erdoberfläche können siesich flächig ausbreiten, wie bei den Schild-vulkanen auf Hawaii.

Infotext 2: Kristallisation

B11 | Amethyst

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4.

5.

B12 | Handstück 7 cm B13 | Handstück 12 cm

B15 |

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Obsidian, das „schwarze Gold der Steinzeit“ wurde als Material für Werkzeuge genutzt. InEuropa gibt es insbesondere auf der Insel Lipari in Italien und auf Milos in GriechenlandObsidianströme. Die begehrte Handelsware Obsidian wird auch als Gesteinsglas bezeich-net und hat eine Zusammensetzung, die dem Granit ähnlich ist mit einem sehr hohenKieselsäuregehalt (etwa 70 Gewichts-%), siehe dazu auch Infotext 2.

1. Worin liegt der Unterschied zwischen einem Gesteinsglas und einem Gestein?

2. Warum eignet sich der Obsidian zur Herstellung von Pfeil- und Speerspitzen?

Das schwarze Gold der Steinzeit


1.

2.

B16 | Handstück 7 cm

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Finden Sie die Ursachen der von Asbest ausgehenden Gesundheitsgefahren durch Lektüre des Infotextes heraus.

Industrielle Verwendung und Gesundheitsgefahr von Asbest

Arbeitsauftrag an die Schüler

Infotext (Quelle: www.mineralienatlas.de)

Asbest war aufgrund seiner hervorragen-den Säure-, Hitze- und Isolationseigen-schaften bis vor nicht allzulanger Zeiteiner der wichtigsten Industrie-Rohstoffeund wurde bei der Herstellung von Dach-platten (Eternit), Wand- und Rohrverklei-dungen, Brems- und Kupplungsbeläge,Isolierungen, Schutzanzügen, Filter, Glas-und Keramikfasern, Glas- und Steinwolleund Faserzement verwendet.

Asbest hat jedoch den Nachteil, dassbeim Abbau und beim Bearbeiten Fasernfreigesetzt werden, welche, wenn sie übereinen längeren Zeitraum in die Lunge geraten, dort eine zellschädigende Wir-

kung entfalten und die Krankheit Asbe-stose auslösen (eine Schädigung des Bin-degewebes). Dadurch können Atemnot,Lungenfunktionsstörungen, Ateminvalidi-tät und Lungenkrebs entstehen. Die durchAsbest hervorgerufene Krebsform Meso-thelioma ist zerstörerisch und unheilbarund fordert pro Jahr alleine in den USAüber 10.000 Todesopfer.

Die Gesundheitsgefahren sind schon seitca. 1900 bekannt, ohne dass man etwasdagegen unternahm. Erst 1990 wurdeAsbest in Österreich, 1993 in Deutsch-land und seit 2005 in der EU verboten.

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Der Vorgang der Kristallisation und die Unterschiede in der Ausbildung von natürlichenMineralen lässt sich im Unterricht sehr gut durch das Züchten von Kristallen nachvollzie-hen. Um ein gutes Gelingen zu gewährleisten und aus Sicherheitsgründen sollten dieseExperimente nur in Zusammenarbeit mit dem Chemielehrer/der Chemielehrerin an derSchule durchgeführt werden.

Kristalle züchten

u www.chemieunterricht.de/dc2/kristalle/ (in der Menüleiste unter „Experimente“)

u www.experimentalchemie.de/ – Herstellung eines Impfkristalls (Versuch Nr. 015)– Blaue Kristalle aus Kupfersulfat (Versuch Nr. 016)– Farblose Kristalle aus Alaun (Versuch Nr.017) – Natürliche Kristalle auf Stein (Versuch Nr.018)

u www.seilnacht.com/Lexikon/VSKrist.htm

Detaillierte Anleitungen zu den Versuchen gibt es unter den folgenden Weblinks:

B17 | Versuchsaufbau

B18 | gezüchteter Alaunkristall

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Die Lehrkraft gibt Euch einige Steine. Macht Euch eine Skizze, wie sie unten abgebildet ist.

1. Platziert die Steine entlang dieses Flusslaufs von der Quelle bis zur Mündung an derrichtigen Stelle.

2. Wie sind die unterschiedlichen Transportstrecken für gute Zurundung der Gesteine(siehe Tabelle) zu interpretieren?

3. Nimm einen besonders gut gerundeten Stein und schreibe einen kurzen Text in derIch-Form: „Was ich alles erlebt habe, bis ich meine heutige Form bekommen habe“.

Eckige und runde Steine


1.

2.

Gestein Transportstrecke

Kalkstein 11 – 50 km

Gabbro ca. 140 km

Granit 85 – 330 km

Gangquarz ca. 300 km

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1. Markieren Sie im Hjulström-Diagramm die Felder für Erosion, Transport und Sedimentation. Erstellen Sie eine Tabelle der kritischen Geschwin-digkeit für Transport und Sedimentation – Näherungswerte genügen.

2. Erläutern Sie,– warum die Grenzlinie

zwischen Transport und Erosion erst fällt und dann ansteigt,

– warum die Grenzlinie zwischen Sedimentation und Transport im linken Teil des Diagramms waagrecht verläuft,

– der Bereich zwischen Erosion und Sediment-ation im rechten Teil des Diagramms schmaler wird.

Das Hjulström-Diagramm – oder –Wer muss liegenbleiben?

Arbeitsaufträge

B19 | Hjulström-Diagramm: Zusammenhang zwischen Korngröße und Strömungsgeschwindigkeit. Beachten Sie, dass die Achsenin diesem Diagramm zur Erfassung großer Spannweiten logarithmisch sind. Das Hjulström-Diagramm gilt nur für Lockermaterial.

Korngröße in mm

Strömungsge-schwindigkeit, un-terhalb der die Teil-chen sedimentiertwerden (in cm/s)

Fließgeschwindig-keit, oberhalb dererdie Teilchen aus demBachbett mitgeris-sen werden (in cm/s)

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Ziel dieser Spielkarten ist es, gängige Gesteinsarten und bekannte „Besonderheiten“ kennen zu lernen und den Blick für Strukturen und Unterschiede der Gesteine zu schulen.Der vorliegende Satz an Spielkarten kann selbstständig durch die im u Modul B vorge-stellten Gesteine erweitert werden.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, diese Spielkarten einzusetzen:

1. In Anlehnung an die klassische „Memory“ Form2. Als Domino zum Aneinanderlegen.

Gesteins-Memory

Spielanleitung

• Die Spiele bieten sich eher für die unteren Jahrgangsstufen an, wobei der Schwierig-keitsgrad bei der Zuordnung nicht unterschätzt werden darf.

• Für beide Spielvarianten müssen Text- und Gesteinskarten in ausreichender Zahl ko-piert oder ausgedruckt und zugeschnitten werden (beide Vorlagen befinden sich u. a.auch auf der u ). Verwendet man dafür Karton, so können die Karten öfter verwen-det werden. Das Spiel funktioniert jedoch nur, wenn die Gesteinskarten farbig ausge-druckt oder kopiert sind, da sonst die Unterschiede zwischen den Gesteinen nicht deut-lich genug werden. Generell ist die Zuordnung nicht immer ganz einfach, da sich vieleGesteine in ihrem Aussehen ähneln, bzw. es keinen Prototypen gibt.

• Um allen Schülern die gleichen Kenntnisse über alle Gesteinsarten zu sichern, ist esnotwendig, dass die Ergebnisse gegenseitig vorgetragen werden. So findet bei jeder derSpielarten ein Austausch der Informationen statt.

• Bleiben Karten übrig, sind falsche Paare gebildet worden. Alle überprüfen ihre Ergeb-nisse noch einmal.

• Eine schöne Ergänzung für alle Spiele ist es, wenn die Schule über entsprechende Ge-steine verfügt und die Schüler den originalen Gegenstand noch in die Hand nehmenund vergleichen können.

• Als Erweiterung ist auch denkbar, die Abkürzungen hinter jedem Gesteinsnamen miteinzubeziehen. Die Abkürzungen geben Auskunft über die Entstehungsart des Gesteins(k Arbeitsblatt B 1):

Sed. = Sedimentgestein = Ablagerungsgestein, b. Sed. = biogenes Sedimentgestein,Vul. = Vulkanit = Ergussgestein, Plu. = Plutonit = Tiefengestein, Met. = metamorphes Gestein = Umwandlungsgestein.

• Man kann die Schüler nach dem eigentlichen Spiel zusätzlich noch mit Hilfe der Abkür-zungen in Gruppen einteilen und die Entstehung der Gesteine erklären lassen.

• Je nach Intention und Alter der Schüler kann man auch die Schüler selbst die Textkartenentwickeln lassen und nur die Bildkarten verwenden oder neue Spielabläufe entwickeln.

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Allgemeine Anmerkungen

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Diese Spielvariante ähnelt dem bekannten „Memory“- Spiel, wird jedoch vereinfachtdurchgeführt.

• Die Schüler bilden Gruppen von je vier Personen.• Die 20 Textkarten werden gleichmäßig an alle verteilt und die 20 Gesteinskarten mit

der Bildseite nach unten auf den Tisch gelegt.• Jeder Schüler liest sich seine 5 Textkarten genau durch und prägt sich wichtige Erken-

nungsmerkmale der Gesteine ein.• Ein Schüler beginnt eine Gesteinskarte umzudrehen.• Passt die Textkarte eines Schülers zweifelsfrei zu dem Bild, liest er den anderen seinen Text

vor oder trägt die Merkmale vor (z.B.: „Dieses Gestein ist ein Granit, weil …“). Erst wenn alleSpieler dem Ergebnis zustimmen, darf der Schüler beide Karten zu sich nehmen.

• Kommt es zu keiner Lösung, wird die Gesteinskarte wieder verdeckt, eine neue umge-dreht und von vorne begonnen.

• Gewonnen hat derjenige, der als erster alle seine Textkarten den richtigen Gesteinsbil-dern zugeordnet hat.

Kartenspiel in Kleingruppen

Diese Variante ist aktionsreicher und deshalb auch „lauter“. Sie bietet sich v. a. bei klei-neren Klassen an. Bei größerer Klassenstärke müssen die Karten entsprechend häufigerkopiert und ggf. ausgewählt werden.

• Die Klasse wird halbiert.• Der eine Teil erhält die Text-, der andere die Gesteinskarten mit den Bildern.• Nun müssen sich die Paare gegenseitig finden, indem der eine die Informationen aus

dem Text entnimmt und der andere sein Gesteinbild genau anschaut.• Haben sich die Paare gefunden, besprechen sie sich kurz, denn sie sollen ihr Ergebnis

nun vor der ganzen Klasse präsentieren, indem sie das Bild auf der Karte benennenund beschreiben.

• Hier besteht die Möglichkeit, das Spiel noch um die Variante der Originalsteine zu erweitern. Das Schülerpaar muss nun aus einer Sammlung von entsprechenden Originalsteinen den passenden zu ihrer Karte auswählen. Die Handstücke könnendurchgegeben werden.

• Auch können sich die Paare mit Hilfe der Abkürzung auf den Textkarten z. B. zur „Entstehungsgruppe“ der Sedimentgesteine etc. zusammenfinden.

Kartenspiel mit großen Gruppen

• Die Schüler bilden Gruppen von je vier Personen.• Jeder Schüler erhält fünf Text- und fünf Gesteinskarten, die den anderen Mitspielern

nicht gezeigt werden dürfen.• Ein Schüler beginnt und legt eine Bildkarte aus.• Der Schüler, der die entsprechende Textkarte hat, liest diese laut vor und legt sie an.

(Die Karten sollten liegen bleiben, da sich so die Bilder besser einprägen und Fehlereinfacher behoben werden können.)

• Er darf nun die nächste Bildkarte hinlegen usw.• Gewonnen hat der, der zuerst alle Karten losgeworden ist.

Als Anlegespiel, ähnlich wie „Domino“

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Herausgeber

Bayerisches Staatsministerium fürUmwelt und Gesundheit (StMUG)

Staatsinstitut für Schulqualität und Bildungsforschung (ISB)

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