Minerale und Gesteine ||

Minerale und Gesteine

Gregor Markl

Mineralogie Petrologie Geochemie

3. Auflage

Minerale und Gesteine

Gregor Markl

Minerale undGesteineMineralogie Petrologie Geochemie

3. Auflage

Mit Grafiken von Michael Marks

Professor Dr. Gregor MarklInstitut fr Geowissenschaften der Universitt TbingenWilhelmstrae 5672074 TbingenDeutschland

Ergnzendes Material zu diesem Buch finden Sie auf http:www.springer.com/978-3-662-44627-0.

ISBN 978-3-662-44627-0 ISBN 978-3-662-44628-7 (eBook)DOI 10.1007/978-3-662-44628-7

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Planung und Lektorat: Frank Wigger, Dr. Christoph IvenFotos/Zeichnungen: Gregor Markl und Michael Marks, bitte auch den Abbildungsnachweis und die Bildunterschriften

beachten.Satz: inmedialo, Plankstadt

Gedruckt auf surefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier

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Vorwort zur dritten Auflage

Nun ist es schon die dritte Auflage, in der dasvorliegende Buch erscheint, und bald ist es 10Jahre her, dass es zum ersten Mal auf denMarkt kam. Viele tausend Studierende und an-dere Interessierte haben dieses Buch seitherverwendet, um ein Grundwissen in Mineralo-gie, Petrologie und/oder Geochemie zu erwer-ben, aufzufrischen oder zu vertiefen.Jede Neuauflage stellt den Autor vor die Frage:Ist das, was bisher der Inhalt des Buches war,nach wie vor aktuell, ausreichend, an manchenStellen vielleicht zu umfangreich? Hier befindetman sich als Autor in stndiger Prfung, wasgar nicht so einfach ist, da man ja mit der Zeitbetriebsblind wird. Deshalb bin ich immerwieder fr Kommentare von Auenstehenden,die mit dem Buch arbeiten, dankbar, denndiese haben einen direkten Eindruck, ob das,was in den aktuellen Vorlesungen behandeltwird, durch das vorliegende Buch adquat ab-gedeckt wird. Auch Kollegen sind immer wie-der hilfreiche und konstruktive Kritiker, die aufSchwachpunkte hinweisen. Insofern war ichbesonders berrascht (und erfreut), in denletzten Jahren praktisch ausschlielich formalenderungswnsche bzw. Hinweise auf Fehlerbei Abbildungshinweisen, innerhalb von Abbil-dungen, in der Mineraltabelle, im Inhaltsver-zeichnis oder einfach im Text zu bekommen,aber kaum tiefer gehende nderungswnscheoder -vorschlge. Natrlich wre es nach wie

vor wnschenswert, einen ausfhrlichen Lager-sttten-Teil oder mehr Details zur Kristallogra-phie einzubinden, aber immer wieder kommeich zu dem Schluss, wenn ich solche Gedankendurchspiele: Das Buch wrde zu dick, zu un-handlich, auch zu teuer, und somit fr Studie-rende weniger attraktiv. Und nach wie vor ist esdiese Zielgruppe, die das Buch besonders an-sprechen soll.Da das Werk inzwischen stabil auf demdeutschsprachigen Markt etabliert ist, habe ichseit Erscheinen der 2. Auflage vor allem dasZiel verfolgt, Bewhrtes beizubehalten undFehler auszumerzen, die auch im achten Jahrseit Erscheinen noch immer (allerdings stetigabnehmender Zahl) aufgefunden und mir ge-meldet werden.Ich hoffe, dass diese dritte Auflage, fr die nunerstmals auch eine eBook-Version verfgbarist, weiterhin einen angenehmen und einiger-maen vollstndigen Begleiter durch die erstenSemester eines geowissenschaftlichen Studi-ums darstellt und dass sich die Mischung zwi-schen Beschreibung, Analytik und Interpreta-tion von Mineralen und Gesteinen weiter in derPraxis bewhrt. Fr jede konstruktive Kritikund Anregung, wie das Buch verndert oderweiter entwickelt werden sollte, bin ich abernach wie vor sehr dankbar.

Tbingen, im Sommer 2014 Gregor Markl

Danksagung

Ohne die Mitarbeit von Dr. Michael Marks, derin immer freundlicher, kompetenter, schnellerund fantasievoller Weise auf meine vielfltigenund sich immer wieder ndernden Gestal-tungswnsche einging, wre dieses Buch niezustande gekommen. Ihm verdankt diesesBuch die Flle und Qualitt von illustrativenZeichnungen und auch viele inhaltliche Anre-gungen. Ich spreche ihm dafr meinen tiefstenDank aus.Nachdem die erste Auflage bereits von Dr. Tho-mas Wenzel, Dr. Udo Neumann, Dr. BrittaTrautwein, den Studierenden Alevtina Dorn,Julian Schilling und Sebastian Staude sowieJens Seeling und Dr. Christoph Iven vom Spek-trum Akademischer Verlag und zu kleinerenTeilen von meinen Kollegen Prof. Dr. WolfgangFrisch und Prof. Dr. Wolfgang Siebel minutisgegengelesen worden war, machten sich um dieErweiterungen in der Neuauflage insbesondereDr. Heiner Taubald, wiederum Prof. Dr. Wolf-gang Siebel, Dr. Thomas Wenzel, Dr. ChristophBerthold und Dr. Udo Neumann verdient. Ichbin ihnen fr ihre vielen Anmerkungen, Vor-schlge und Verbesserungen zu sehr groemDank verpflichtet. Viele konstruktive Hinweisezur Verbesserung der alten Buchteile machteauch Prof. Wilhelm Heinrich, wofr ihm hiergroer Dank ausgesprochen sei. Viele Studie-rende wiesen mich in den vergangenen Jahrenauf Fehler hin und machten Verbesserungsvor-schlge, fr die ich ebenfalls sehr dankbar bin.

Prof. Dr. Heinz-Gnter Stosch, Karlsruhe, undDr. Rainer Kleinschrodt, Kln, stellten mirdankenswerterweise Ihre Texte und Tabellensowie Bildvorlagen zur Polarisationsmikrosko-pie zur Verfgung, Prof. Stosch daneben auchseine Skripten zur Isotopen- und REE-Geoche-mie. Herzlichen Dank auch dafr! Vorlesungs-skripten von Prof. Friedhelm von Blancken-burg dienten als Grundlage insbesondere derNiedertemperatur-Geochemie und ich bin auchihm fr die grozgige berlassung zu tiefemDank verpflichtet.Fr die berlassung von Bildmaterial oder frdie Hilfe bei der Suche nach geeigneten Vorla-gen sowie fr freundliche Hinweise in Diskus-sionen danke ich Dr. Richard Wirth, Prof. Dr.Klaus Nickel, Dr. Christoph Berthold, Dipl.-Min. Melanie Kaliwoda, Dr. Michael Hanel,Dr. Ralf Gertisser, Dipl.-Geol. Gesa Graser, Dr.Ralf Halama, Dipl.-Geol. Daniel Mller-Lorch,Dr. Andreas Audetat, Prof. Dr. Paddy OBrien,dem Forschungsinstitut Senckenberg (Dr. JuttaZipfel), Prof. Dr. Werner Schreyer, Dr. ThomasFockenberg, Prof. Caroline Rhr, Dipl.-Min.Daniel Wiedenmann, Dr. Andreas Kronz, Prof.Dr. Reiner Klemd, Dr. Istvan Dunkl, Dr. BerndBinder, Dr. Paul Green, Dr. Udo Neumann,Dr. Hiltrud Mller-Sigmund, Dr. HartmutSchulz, Prof. Andreas Kappler, Dr. JeromeChmeleff, Christopher Thomas, Dr. Axel Schip-pers und der Firma Bruker, Karlsruhe ganzherzlich.

Inhaltsverzeichnis

Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . XV

1 Makroskopische Bestimmung vonMineralen und Gesteinen . . . . . . 3

1.1 Eine grobe Einteilung derGesteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.2 Minerale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41.3 Der Aufbau der Erde . . . . . . . . . . 71.4 Die Differenzierung der Erde . . 111.5 Die Entstehung der Gesteins-

vielfalt der Kreislauf derGesteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.6 Gesteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.6.1 Magmatische Gesteine . . . . . . . . 161.6.1.1 Allgemeines zur Nomenklatur

von magmatischen Gesteinen . . 161.6.1.2 Die Streckeisennomenklatur . . . 181.6.1.3 Das TAS-Diagramm . . . . . . . . . . 221.6.1.4 Normberechnungen . . . . . . . . . . 221.6.1.5 Zur Nomenklatur von vulka-

nischen Auswurfprodukten . . . . 231.6.2 Metamorphe Gesteine . . . . . . . . . 251.6.3 Sedimentgesteine . . . . . . . . . . . . . 261.7 Ausgewhlte Minerale . . . . . . . . . 321.8 Ausgewhlte Gesteine . . . . . . . . . 74

2 Allgemeine Mineralogie . . . . . . . 1192.1 Einfhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1192.2 Kristallgeometrie und Kristall-

morphologie . . . . . . . . . . . . . . . . . 1202.2.1 Symmetrien . . . . . . . . . . . . . . . . . 1202.2.2 Kristallgitter . . . . . . . . . . . . . . . . . 1232.2.3 Kristallsysteme . . . . . . . . . . . . . . . 1252.3 Kristallchemie . . . . . . . . . . . . . . . 1292.3.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

2.3.2 Kristallchemie wichtigergesteinsbildender Minerale . . . . 136

2.3.3 Kristallwachstum und Diffu-sion, zonierte Minerale . . . . . . . . 152

2.3.3.1 Kristallwachstum . . . . . . . . . . . . . 1532.3.3.2 Diffusion und zonierte

Minerale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1582.4 Physikalische Eigenschaften

von Mineralen . . . . . . . . . . . . . . . 1612.4.1 Farbe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1612.4.2 Mechanische Eigenschaften . . . . 1662.4.3 Elektrische und magnetische

Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . 1692.5 Optische und analytische

Methoden der Mineralogie . . . . 1752.5.1 Polarisationsmikroskopie . . . . . . 1752.5.2 Spektroskopische Methoden . . . 1912.5.3 Rntgendiffraktometrie . . . . . . . 1942.5.4 Elektronenstrahlmikrosonde . . . 1982.5.5 Rntgenfluoreszenzanalyse . . . . 2002.5.6 Elektronenmikroskopie . . . . . . . 2032.5.7 Massenspektrometrie . . . . . . . . . 2072.5.8 Lumineszenzmikroskopie . . . . . . 2112.5.9 Spaltspurdatierung . . . . . . . . . . . 2122.5.10 Untersuchung von Flssigkeits-

einschlssen . . . . . . . . . . . . . . . . . 2142.5.11 Schwermineraltrennung . . . . . . . 2212.5.12 Korngrentrennung und

-messung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2212.5.13 Quecksilber-Porosimetrie . . . . . 225

3 Petrologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2293.1 Einfhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2293.2 Die betrachteten chemischen

Zusammensetzungen . . . . . . . . . 2293.3 Phasen und Komponenten . . . . . 230

X Inhaltsverzeichnis

3.4 Der Begriff des Gleichgewichtsin der Petrologie . . . . . . . . . . . . 232

3.5 Arbeiten mit petrologisch wich-tigen Diagrammen . . . . . . . . . . . 235

3.5.1 Phasendiagramme . . . . . . . . . . . . 2353.5.2 Dreiecksdiagramme . . . . . . . . . . 2363.5.3 Projektion von Phasen . . . . . . . . 2383.5.4 Berechnung von Reaktions-

stchiometrien mit Hilfe vonMatrizen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242

3.5.5 Aktivittsdiagramme . . . . . . . . . 2433.6 Metamorphe Reaktionen . . . . . . 2473.6.1 Phasenumwandlungen . . . . . . . . 2473.6.2 Sonstige Festphasen-

reaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2473.6.3 Entwsserungsreaktionen . . . . . 2493.7 p-T-t-Pfade und ihre Rekon-

struktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2503.8 Metamorphe Prozesse . . . . . . . . . 2543.8.1 Das metamorphe Fazies-

konzept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2543.8.2 Metamorphose von Ultra-

basiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2593.8.3 Metamorphose von kieseligen

Kalksteinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2643.8.4 Metamorphose von Tonsteinen

(Metapeliten) . . . . . . . . . . . . . . . . 2693.8.5 Metamorphose von Basalten

(Metabasiten) . . . . . . . . . . . . . . . . 2743.9 Magmatische Prozesse . . . . . . . . 2803.9.1 Der Zusammenhang von

Plattentektonik und Magmatis-mus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280

3.9.1.1 Tektonische Milieus und ihrZusammenhang mit vornehm-lich basischem Magmatismus . . 281

3.9.1.2 Klassifikation und tektonischeZuordnung von granitoidenSchmelzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294

3.9.2 Methoden und physikalisch-chemische Grundlagen dermagmatischen Petrologie . . . . . . 300

3.9.2.1 Binre Schmelzdiagramme . . . . 3013.9.2.2 Ternre Schmelzdiagramme . . . 3053.9.2.3 Der Verteilungskoeffizient . . . . . 3063.9.2.4 Kontamination von Schmelzen . . 3083.9.2.5 Fraktionierte Kristallisation . . . . 310

3.9.2.6 Dichte und Viskositt vonSchmelzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312

3.9.2.7 Fluide in der magmatischenPetrologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315

3.9.2.8 Redoxreaktionen in magma-tischen Systemen . . . . . . . . . . . . . 318

3.9.3 Bildung, Aufstieg und Kristalli-sation von Schmelzen . . . . . . . . . 322

3.9.3.1 Die Entstehung vonSchmelzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322

3.9.3.2 Aufstieg von Schmelzen . . . . . . . 3293.9.3.3 Kristallisation . . . . . . . . . . . . . . . . 3323.9.4 Wichtige Kuriositten:

Karbonatite, Kimberlite,Anorthosite . . . . . . . . . . . . . . . . . 343

3.10 Sedimentpetrologie . . . . . . . . . . . 3503.10.1 Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3503.10.2 Die Verwitterung . . . . . . . . . . . . . 3523.10.2.1 Chemische und physikalische

Verwitterung . . . . . . . . . . . . . . . . 3523.10.2.2 Verwitterungsbildungen . . . . . . . 3553.10.2.3 Der globale Thermostat:

ein Zusammenhang zwischenVerwitterung und Klima . . . . . . 365

3.10.3 Die Diagenese . . . . . . . . . . . . . . . 3713.10.3.1 Einleitung und Klassifikation

der Diagenese . . . . . . . . . . . . . . . 3713.10.3.2 Das Schicksal des organischen

Kohlenstoffs in der Diagenese . . 3713.10.3.3 Die Vernderung des Poren-

raumes und des Drucks imGestein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377

3.10.3.4 Fluidzusammensetzung undMineralstabilitten in Sedi-menten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385

3.10.3.5 Evaporite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392

4 Geochemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3974.1 Einfhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3974.2 Nukleosynthese . . . . . . . . . . . . . . 3984.3 Die Entstehung und frhe

Entwicklung der Planeten . . . . . 4044.4 Meteorite und Kometen . . . . . . . 4084.4.1 Allgemeines zu Meteoriten . . . . 4084.4.2 Alter und Herkunft von

Meteoriten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412

Inhaltsverzeichnis XI

4.4.3 Die Klassifikation vonMeteoriten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414

4.4.4 Funde und Flle . . . . . . . . . . . . . . 4154.4.5 Die verschiedenen Meteoriten-

arten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4174.4.5.1 Steinmeteorite . . . . . . . . . . . . . . . 4174.4.5.2 Stein-Eisenmeteorite . . . . . . . . . . 4274.4.5.3 Eisenmeteorite . . . . . . . . . . . . . . . 4274.4.5 Weitere Beurteilungskriterien

fr Meteorite . . . . . . . . . . . . . . . . 4294.5 Die Zusammensetzung von

Erde und Mond . . . . . . . . . . . . . . 4314.5.1 Die Zusammensetzung der

Gesamterde und des Erdkerns . . 4324.5.2 Die Zusammensetzung des

Erdmantels . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4354.5.3 Die Zusammensetzung der Erd-

kruste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4394.5.4 Die Zusammensetzung der

Ozeane und der Atmosphre . . . 4434.5.5 Die Zusammensetzung des

Mondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4544.6 Die Verteilung der Elemente . . . 4574.6.1 Die geochemische Einteilung

der Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . 4574.6.2 Verteilungskoeffizienten . . . . . . . 4624.6.3 Die Quantifizierung der Ele-

mentverteilung bei Schmelz-und Kristallisationsprozessen . . 471

4.6.3.1 Gleichgewichtskristallisation . . . 4714.6.3.2 Fraktionierte Kristallisation . . . . 4734.6.4 Die Seltenen Erden . . . . . . . . . . . 4734.7 Stabile Isotope . . . . . . . . . . . . . . . 4844.7.1 Die Fraktionierung stabiler

Isotope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4844.7.2 Fraktionierungsfaktoren und

gebruchliche Notationen . . . . . 4894.7.3 Traditionell hufig in den

Geowissenschaften benutztestabile Isotope . . . . . . . . . . . . . . . 489

4.7.3.1 Wasserstoff und Sauerstoff . . . . . 4894.7.3.2 Kohlenstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5064.7.3.3 Schwefel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5144.7.3.4 Stickstoff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519

4.7.4 Neue stabile Isotopen-systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 521

4.7.4.1 Eisen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5214.7.4.2 Kupfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5244.7.4.3 Die Leichtelemente Lithium,

Beryllium und Bor . . . . . . . . . . . 5254.7.4.6 Calcium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5274.7.4.7 Silizium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5284.7.4.8 Chlor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5294.8 Radiogene Isotope . . . . . . . . . . . . 5314.8.1 Einfhrung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5314.8.2 Geochronologie . . . . . . . . . . . . . . 5344.8.3 Wichtige Systeme radiogener

Isotope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5394.8.3.1 Das Rb/Sr-System . . . . . . . . . . . . 5394.8.3.2 Das Sm/Nd-System . . . . . . . . . . . 5424.8.3.3 Das U/Pb-System . . . . . . . . . . . . . 5444.8.3.4 K/Ar und Ar/Ar . . . . . . . . . . . . . . 5544.8.3.5 Das Lu/Hf-System . . . . . . . . . . . . 5574.8.3.6 Das Re/Os-System . . . . . . . . . . . . 5594.8.3.7 Die Ungleichgewichtsmethoden

des Urans und Thoriums . . . . . . 5624.8.3.8 Die U-Th-(Sm)/He-Methode . . . 5654.8.3.9 Kosmogene Radionuklide . . . . . 5654.8.3.10 Edelgase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5694.8.4 Radiogene Isotope als petro-

genetische Tracer in magma-tischen Prozessen . . . . . . . . . . . . 572

4.9 Biogeochemische Kreislufe amBeispiel des Kohlenstoffs . . . . . . 578

Abbildungsnachweis . . . . . . . . . . 583

Tabellennachweis . . . . . . . . . . . . 591

Literaturverzeichnis . . . . . . . . . . 593

Mineraltabelle . . . . . . . . . . . . . . . 597

Register . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 600

Liste der Ksten

Kasten 1.1 Begriffsdefinitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

Kasten 1.2 Hrteskala nach Mohs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

Kasten 1.3 Bestimmungsgang fr Minerale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

Kasten 1.4 Geschtzte Durchschnittszusammensetzung von Gesamterde, Kruste, Mantelund Kern sowie von CI-Chondriten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

Kasten 1.5 QAPF-Beispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

Kasten 1.6 Die Quarzsttigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Kasten 1.7 Was ist ein Dnnschliff . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

Kasten 1.8 Korngrenskala fr kristalline Gesteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Kasten 1.9 Magmatische Gesteine und ihre Strukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

Kasten 1.10 Bis auf Wasser isochemische Metamorphose verschiedener Gesteinstypen beizunehmender Temperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Kasten 1.11 Strukturtypen klastischer Sedimente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Kasten 1.12 Hauptprozesse der Sedimentitbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Kasten 1.13 Bestimmungsgang fr Gesteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

Kasten 2.1 Die Berechnung einer Mineralformel aus einer chemischen Analyse . . . . . . . . . 130

Kasten 2.2 Wertigkeiten ausgewhlter Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

Kasten 2.3 Elektronegativitten nach Pauling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

Kasten 2.4 Berechnung von Grenzwerten fr Ionenkoordination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

Kasten 2.5 Ionenkoordinationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

Kasten 2.6 SiO2-Polymorphe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

Kasten 2.7 Spinelle (sensu latu) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

Kasten 2.8 Die wichtigsten Pyroxene . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

Kasten 2.9 Wichtige Schichtsilikate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147

Kasten 2.10 Wichtige Amphibole und ihre Baueinheiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151

Kasten 2.11 Mischungslcke und Entmischung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

Kasten 2.12 Warum kristallisieren Feldspte bei unterschiedlichen Temperaturen inunterschiedlichen Kristallsystemen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

Kasten 2.13 Zonierung in Granat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

Kasten 2.14 Fe-Mg-Austausch zwischen Granat und Biotit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162

Kasten 2.15 Was ist polarisiertes Licht? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177

Kasten 2.16 Einstellen der Khlerschen Beleuchtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178

Liste der Ksten XIII

Kasten 2.17 Methoden der Lichtbrechungsbestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180

Kasten 2.18 Gebrauch der Michel-Levy-Tafel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

Kasten 2.19 Was kann ich im Polarisationsmikroskop sehen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186

Kasten 2.20 Auf was mu ich bei der Bestimmung gesteinsbildender Minerale achten? . . . . 190

Kasten 2.21 Wie mikroskopiere ich einen Dnnschliff? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191

Kasten 2.22 Spektroskopische Methoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194

Kasten 3.1 Die Berechnung von Molenbrchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231

Kasten 3.2 Das Prinzip von Le Chatelier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234

Kasten 3.3 Die Gleichgewichtskonstante und der Begriff der Aktivitt . . . . . . . . . . . . . . . . . 234

Kasten 3.4 Verschiedene Reaktionstypen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239

Kasten 3.5 Einzeichnen von Mineralen mit negativen Koeffizienten inDreiecksdiagramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242

Kasten 3.6 Phasenumwandlung und Reaktionen von Mg2SiO4 bei hohen Drucken . . . . . . . 247

Kasten 3.7 Die Clausius-Clapeyron-Gleichung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248

Kasten 3.8 Geothermobarometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253

Kasten 3.9 Metamorphose und Gebirgsbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256

Kasten 3.10 Ca und Al in Ultrabasiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260

Kasten 3.11 Kontaktmetamorphose und Isograde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262

Kasten 3.12 Reaktionen in silikathaltigen Dolomiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268

Kasten 3.13 Wichtige Reaktionen in Metapeliten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273

Kasten 3.14 Ozeanboden- und Subduktionszonenmetamorphose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275

Kasten 3.15 Wichtige Reaktionen in Metabasiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280

Kasten 3.16 Die petrologische Klassifikation von Basalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281

Kasten 3.17 Strontium- und Neodymisotope und ihre Verwendung in der magmatischenPetrologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283

Kasten 3.18 Die Klassifikation von Graniten nach Chapell & White (1974) . . . . . . . . . . . . . . 296

Kasten 3.19 Das Alkalien+Erdalkalien-zu-Aluminium-Verhltnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297

Kasten 3.20 Aufschmelzung und Kristallisation in einem binren System mitEutektikum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303

Kasten 3.21 Aufschmelzung und Kristallisation in einem binren System ohneEutektikum; fraktionierte und Gleichgewichtskristallisation . . . . . . . . . . . . . . . . 306

Kasten 3.22 Spiderdiagramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309

Kasten 3.23 Kalkalkaline und tholeiitische Entwicklung basaltischer Schmelzen . . . . . . . . . . 314

Kasten 3.24 Pufferreaktionen fr die Sauerstofffugazitt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319

Kasten 3.25 Die Skaergaard-Intrusion in Ostgrnland und das magmatische Layering . . . . 335

Kasten 3.26 Pyroxenthermometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350

Kasten 3.27 Die Aufbereitung von Tonmineralproben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358

Kasten 3.28 konomisch wichtige Verwitterungsbden und -gesteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360

Kasten 3.29 Der globale Treibhauseffekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368

Kasten 3.30 Die Illitkristallinitt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372

XIV Liste der Ksten

Kasten 3.31 Die Vitrinitreflexion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374

Kasten 3.32 Magnetotaktische Bakterien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376

Kasten 3.33 Porositt und Permeabilitt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381

Kasten 3.34 Peloide, Ooide, Pisoide und Onkoide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384

Kasten 4.1 Fusionsreaktionen und das Wasserstoffbrennen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399

Kasten 4.2 Radioaktivitt und Zerfallsgesetze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402

Kasten 4.3 Die natrlichen Atomreaktoren der Oklo-Mine in Gabun . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403

Kasten 4.4 Carbonados makroskopische, interstellare Diamanten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405

Kasten 4.5 Das Nrdlinger Ries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409

Kasten 4.6 Meteoritenklassifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414

Kasten 4.7 Die Widmanstttenschen Figuren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430

Kasten 4.8 Die ozeanische Kalziumkarbonat-Chemie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448

Kasten 4.9 Rekonstruktion der Paloozeanzirkulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 452

Kasten 4.10 Die Entwicklung der Atmosphre im Verlaufe der Erdgeschichte . . . . . . . . . . . . 453

Kasten 4.11 Henrys Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458

Kasten 4.12 Geochemische Zwillinge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462

Kasten 4.13 Diskriminations-Diagramme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464

Kasten 4.14 Typische Spurenelementmuster von Subduktionszonenschmelzen . . . . . . . . . . . 466

Kasten 4.15 Das Cl/Br-Verhltnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467

Kasten 4.16 Zonierte Fluorite in hydrothermalen Erzgngen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468

Kasten 4.17 Die Rekonstruktion der Entwicklung eines kristallisierenden Magmas . . . . . . . 474

Kasten 4.18 Die Leichtelemente Lithium, Beryllium und Bor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482

Kasten 4.19 Wir kochen uns meteorische Wasserlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494

Kasten 4.20 Klimarekonstruktion mithilfe von Sauerstoffisotopen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495

Kasten 4.21 Die AFC-Modellierung mittels Sauerstoffisotopen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500

Kasten 4.22 Bakterielle Schwefelumsetzung in Bergbaufolgelandschaften . . . . . . . . . . . . . . . . 517

Kasten 4.23 Die Isotopenverdnnungsmethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532

Kasten 4.24 Warum betrachtet man radiogene Isotopenverhltnisse und nichtKonzentrationen? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533

Kasten 4.25 Die verschiedenen Alter eines Gesteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 536

Kasten 4.26 Wann ists eine Isochrone, wann eine Errorchrone? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538

Kasten 4.27 Die Sr-Isotopie des Meerwassers als stratigraphischer Indikator . . . . . . . . . . . . . 541

Kasten 4.28 Das Alter der Erde eine historische Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545

Kasten 4.29 Zirkonologie I: Morphologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550

Kasten 4.30 Zirkonologie II: Datierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552

Kasten 4.31 Os-isotopische Hinweise zur Kreide/Tertir-Grenze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560

Kasten 4.32 Gashydrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 580

Einleitung

Jede Wissenschaft, die sich mit der festenErde beschftigt wie die Geologie, die Palon-tologie, die Geophysik oder die Mineralogie,hat mit Gesteinen zu tun, die wiederum ausMineralen bestehen (Kasten 1.1). Will man alsoden Aufbau, die Vernderung, die Entwicklungund die chemisch-physikalischen Eigenschaf-ten unserer Erde verstehen, so ist es ntig, sichzunchst einmal mit Mineralen und Gesteinenvertraut zu machen. Dabei kommt man um diechemische Untersuchung dieser Bestandteilenicht herum, denn die Erde ist nichts anderesals ein riesiges, chemisches Labor, in dem stn-dig Elemente zu Mineralen und Minerale zuGesteinen kombiniert werden. Dabei knnenMinerale durch chemische Reaktionen zerstrtoder gebildet werden. Gesteuert werden solcheVorgnge durch physikalisch-chemische Para-meter wie Druck, Temperatur oder Oxidations-bedingungen. Der Zusammenhang von Mine-ral, Gestein, Reaktion und diesen Parameternwird auf so einfachen, in der Schule gelegten

Grundlagen von Physik und Chemie verdeut-licht werden, dass jeder Leser sich hierin zu-recht finden sollte, auch wenn er kein Physik-As ist und nicht Chemie studiert.Dieses Buch wird das Verstndnis fr die Mine-rale, Gesteine und geologischen Prozesse nachund nach aufbauen. Im ersten Kapitel geht esdarum, Minerale und Gesteine erst einmalkennen und erkennen zu lernen, bevor imzweiten Kapitel dann spezifischer auf die sub-mikroskopische Struktur, die chemischen Vari-ationen und die Eigenschaften von Kristalleneingegangen wird. Das zweite Kapitel beinhal-tet daneben eine Zusammenstellung und kurzeErluterung der wichtigsten Untersuchungs-methoden, mit denen man Minerale undGesteine chemisch und physikalisch analysie-ren kann. Im dritten Kapitel schlielich geht esdarum, wie man Minerale und Gesteine dazuverwenden kann, um geologische Prozesse zuverstehen, nachzuvollziehen und zu quantifi-zieren.

1 Makroskopische Bestimmungvon Mineralen und Gesteinen

Kasten 1.1 Begriffsdefinitionen

Mineral: Ein Mineral ist eine chemische Ver-bindung (oder ein Element), die normaler-weise kristallin ist und als Ergebnis geologi-scher Prozesse entstanden ist.

Kristall: Festkrper mit dreidimensional re-gelmiger Anordnung der atomaren Bau-steine (= Kristallgitter). Feststoffe, die dieseregelmige Anordnung nicht haben, hei-en amorph (Beispiel: Glas).

Edelstein, Schmuckstein: Mineral, das zuSchmuckzwecken verwendet wird, mit einerRitzhrte ( 1 Abschnitt 1.2) grer (Edel-stein) bzw. kleiner (Schmuckstein) als 7.

Erz: Festes, natrlich vorkommendes Mine-ralaggregat von wirtschaftlichem Interesse,aus dem durch Bearbeitung ein oder meh-rere Wertbestandteile extrahiert werdenknnen.

Gestein: Geologischer Krper statistischgleichartiger Zusammensetzung, meist Ge-menge aus verschiedenen Mineralen, selteneraus Kristallen einer Mineralart. Ein Gesteinkann auch biogene oder amorphe Substanzenenthalten, etwa Kohle oder Glas.

Fluid: Geologische Flssigkeit, z.B. Wasser,Kohlendioxid, Methan oder Gemisch ver-schiedener Komponenten, die ber ihrem je-weiligen kritischen Punkt die physikalischenEigenschaften eines Gases haben kann.

1.1 Eine grobe Einteilungder Gesteine

In seltenen Fllen ist ein Gestein eine Anhu-fung von Krnern eines einzigen Minerals(monomineralisch). Beispiele hierfr sindKalksteine oder Quarzite. Weitaus hufiger al-lerdings ist ein Gestein aus verschiedenen Mi-neralen zusammengesetzt. Bei derzeit etwa4000 bekannten Mineralarten knnte man ver-muten, dass daraus eine unbersehbare Vielfaltvon Gesteinen resultiert. Tatschlich aber sinddie meisten Minerale extrem selten oder nurauf relativ wenige Vorkommen (z.B. in Erzla-gersttten) beschrnkt. Ferner stellt man fest,dass es eine groe Zahl von Elementen und

daraus zusammengesetzten Mineralen gibt,die in ber 99% der Gesteine nur in kleinstenMengen vorkommen (im ppm-Bereich; fr dieErklrung von Einheiten, Abkrzungen usw.siehe vorderer Buchdeckel). Daher kann mansich auf rund zehn der etwa 100 in der Naturvorkommenden Elemente beschrnken, wennman nicht an Lagerstttenbildung, sondern anden wichtigsten Gesteinstypen und ihren Ver-nderungen interessiert ist. Somit wird dieZahl der Minerale und der daraus zusammen-gesetzten Gesteine berschaubar.Unabhngig von ihrer chemischen Zusammen-setzung, aber gem den bergeordneten geo-logischen Prozessen, teilt man die Gesteine invier Klassen ein:

G. Markl, Minerale und Gesteine, DOI 10.1007/978-3-662-44628-7_1, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2015

Sedimentgesteine (Sedimentite) entstehenbei der Verfestigung von Sedimenten. Diesewiederum bilden sich als Folge der Verwitte-rung durch die mechanische Umlagerungvon Mineralen oder biogenen Materialienoder durch chemische Ausfllung aus einerwssrigen Lsung.

Magmatische Gesteine (Magmatite) entste-hen bei magmatischen Prozessen, also durchdie Abkhlung von etwa 450 bis 1500C hei-en Gesteinsschmelzen.

Metamorphe Gesteine (Metamorphite) ent-stehen bei der Umkristallisation von Sedi-mentgesteinen, Magmatiten oder anderenMetamorphiten, wenn sich Umgebungspara-meter, wie z.B. Druck oder Temperatur, ver-ndern; dabei verbleiben sie aber im festenZustand.

Hydrothermalbildungen sind Gesteine oderMinerale, die aus heien, wssrigen Lsun-gen abgeschieden wurden. Viele Vererzun-gen sind solche Hydrothermalbildungen,doch sind grere hydrothermal gebildeteGesteinskrper sehr selten, weshalb diesevierte Kategorie in vielen Gesteinsklassifika-tionen nicht auftaucht.

Innerhalb dieser vier Klassen gibt es weitereEinteilungen, die sich entweder auf die detail-liertere Beschreibung des Entstehungsprozes-ses beziehen oder auf die chemisch-mineralo-gische Zusammensetzung des Gesteines.

1.2 Minerale

Bevor wir mit der Bestimmung von Gesteinenbeginnen, mssen wir uns mit den Mineralenauseinandersetzen, die sie aufbauen. Im Fol-genden werden wir uns daher mit den wich-tigsten gesteinsbildenden Mineralen beschfti-gen und versuchen, makroskopische, also mitbloem Auge sichtbare Kennzeichen zu ihrerBestimmung zusammenzutragen. Zwar ben-tigt man aufwndige analytische Methoden,auf die in spteren Kapiteln noch eingegangenwird, um sich ber die Beschaffenheit und

Identitt eines Minerales absolut und unum-stlich sicher zu sein. Trotzdem kann mansich in vielen Fllen mit der wahrscheinlichs-ten Mglichkeit zufrieden geben und brauchtkeine hundertprozentige Gewissheit, sodass diemakroskopische Bestimmung in vielen Fllenausreicht und sinnvoll ist. Erfreulicherweisebesitzt der Mensch etwas, das jeder Analytikberlegen ist und das gerade in den Geowis-senschaften von besonderer Bedeutung ist: dieGabe, verschiedene Sinneseindrcke, die berlange Zeitrume angesammelt wurden, sinn-voll zu kombinieren und somit Erfahrung auf-zubauen. Nichts ist so wichtig, wenn man mitGesteinen und Mineralen zu tun hat, wie diesesGefhl das habe ich doch schon einmal ir-gendwo gesehen. Dies bedingt natrlich auch,dass man sich diese Erfahrung zunchst einmalaneignen muss, und dies gelingt selten oder garnicht durch das Studium eines Buches (nochnicht einmal des vorliegenden), sondern nurdurch selbststndige Gelndebeobachtung,durch Betrachtung von Vergleichsstcken inMuseen oder in bungen und durch das stn-dige Vergleichen von dem, was man bereitskennt, mit dem, was man gerade neu sieht. DieGeowissenschaften knnen ohne Gelndebezugnicht funktionieren, da die vernetzten Erfah-rungen verschiedener Sinne wie sieht etwasaus, wie fhlt es sich an, wie hrt es sich an,wenn ich mit dem Hammer darauf schlage die Grundlage fr das Erkennen von Zusam-menhngen darstellen. Dass dies allein natr-lich nicht mehr ausreicht, um neue Entdeckun-gen zu machen und Erklrungen fr Prozessezu finden, ist selbstverstndlich, aber der Be-ginn neuer geowissenschaftlicher Ideen liegt inden meisten Fllen nach wie vor in der Geln-dearbeit.Fr die makroskopische Mineral- und Ge-steinsbestimmung mssen robuste, einfach zuerkennende und pragmatisch handhabbareKriterien gefunden werden. Wenn man aus ei-ner Bestimmung wichtige Rckschlsse ziehenwill, sei es wissenschaftlicher oder wirtschaftli-cher Art, so sollte man sie mit sicheren, analy-tischen Methoden berprfen. Ansonsten wird

4 1 Makroskopische Bestimmung von Mineralen und Gesteinen

1.1 Der Habitus von Kristallen. Oben: stngeli-ger oder prismatischer Habitus (z.B. Pyroxene);Mitte: isometrischer Habitus (z.B. Granat); unten:blttriger oder tafeliger Habitus (z.B. Glimmer).

man aber mit einem guten Blick fr Formenund Farben auch schon viel erreichen.Die wichtigsten Kriterien zur Bestimmung vonMineralen sind im Folgenden zusammengefasst:Optische Eigenschaften: Die Farbe, wobei man deutlich zwischen derEigenfarbe eines Minerales, die durch seinechemische Zusammensetzung bedingt ist,und der Fremdfrbung durch Spurenele-mente, Kristallgitterstrungen oder Mineral-einlagerungen unterscheiden muss ( 1 Fluo-rit, Quarz). Die Ursachen von Farben werdendetailliert in Abschnitt 2.4.1 besprochen.

Die Strichfarbe, also die Farbe des fein ge-mahlenen Pulvers, das z.B. durch Reiben aufeinem unglasierten Porzellantfelchen erhal-ten wird, kann bei Erzmineralen deutlichunterschiedlich von der Farbe des kompak-ten Kornes sein und dadurch Hinweise aufdie Identitt des Minerales geben.

Der Glanz eines Minerales ist ebenfalls einsehr typisches Bestimmungskennzeichen, daes viele verschiedene Arten gibt: Glas-, Fett-,Perlmutter-, Seiden- oder Metallglanz sindeinige Varianten. Hufig ist die Kombinationvon Farbe und Glanz schon ausreichend freine Bestimmung. In diesem Zusammen-hang muss auch die Lichtdurchlssigkeit ei-nes Minerals genannt werden.

Die Form der Kristalle (der so genannte Ha-bitus) ist fr viele Mineralgruppen charakte-ristisch. So sind Amphibole hufig nadeligbis stngelig, Glimmer dagegen blttrig odertafelig und Granate isometrisch (zeigen alsokeine Vorzugsrichtung) (Abb. 1.1). Liegenkeine schn ausgebildeten Kristalle, sondernnur unregelmige Krner vor, spricht manvon xenomorpher Ausbildung, whrend gutausgebildete Kristalle auch als idiomorphbezeichnet werden.

Manche Minerale gehen gerne Zwillingsbil-dungen ein (Abb. 1.2). Dies sind Verwach-sungen zweier Kristalle desselben Mineralesnach einem bestimmten kristallographi-schen Gesetz. Man erkennt solche Zwillingeleicht an ihrer schn symmetrischen Form(Beispiel: Feldspte).

Physikalische und chemische Eigenschaften: Reichen diese Kriterien noch nicht, so kannnoch die Spaltbarkeit weiterhelfen. MancheMinerale brechen entlang bestimmter, durchihre submikroskopische Kristallstruktur vor-gegebene Richtungen gut auseinander, ha-ben also dort eine gute Spaltbarkeit, wh-rend in andere Richtungen keine Spaltbar-keit existiert. Besitzen Minerale berhauptkeine Richtungen guter Spaltbarkeit, so re-sultiert ein splittriger oder muscheligerBruch.

Auch die Hrte eines Minerals ist ein wichti-ges Kennzeichen, das sich im Gegensatz zurFarbe nicht verndert. Bereits im 18. Jahr-hundert hat man festgestellt, dass es eine

1.2 Minerale 5

1.2 Typische Zwillingsbildun-gen von Kristallen. Obere Reihe:Rutil, Calcit, Quarz (Japaner-zwilling); untere Reihe: Stauro-lith, Gips (Schwalbenschwanz-zwilling), Kalifeldspat (Karls-bader Zwilling).

groe Spannbreite bei Hrten von Mineralengibt, und der Mineraloge Friedrich Mohs hatdaraufhin eine Hrteskala entwickelt (Mohs-sche Ritzhrte), die aufgrund ihrer Einfach-heit heute noch in Gebrauch ist. Er definiertezehn Hrtegrade durch in der Natur vor-kommende Minerale (Kasten 1.2), und jenachdem, ob ein zu untersuchendes Korn ei-nes dieser Minerale ritzt oder von ihm ge-ritzt wird, kann man seine Hrte als greroder kleiner der Hrte dieses Minerales ein-ordnen. Die Hrte eines Schweizer Offizier-messers entspricht etwa der Mohshrte 7.

Besondere physikalische Eigenschaften wieeine auergewhnlich hohe oder niedrige

Kasten 1.2 Hrteskala nachMohs (= Ritzhrte)

1 = Talk 6 = Feldspat2 = Gips 7 = Quarz3 = Calcit 8 = Topas4 = Fluorit 9 = Korund5 = Apatit 10 = Diamant

Dichte (ein Mineralkorn erscheint sehr schweroder ungewhnlich leicht), Magnetismus oderelektrische Leitfhigkeit werden ebenfalls alsBestimmungskennzeichen verwendet. Bei manchen Mineralen kann man relativleicht Aussagen zu ihrer chemischen Zusam-mensetzung machen: Steinsalz (wissen-schaftlicher Name Halit) etwa lst sich leichtin Wasser und schmeckt salzig, Calcit, dasCalciumcarbonat, lst sich sprudelnd inSalzsure. Solche Hinweise knnen insbe-sondere bei hnlich aussehenden, gleich har-ten Mineralen von Nutzen sein, die ansons-ten ohne aufwndige Analytik nicht zu un-terscheiden wren. Zum Beispiel hat das Mi-neral Sylvin gleiche Eigenschaften wie Halit,sieht gleich aus, ist ebenso leicht in Wasserlslich, schmeckt aber stechend bitter.

Weitere Bestimmungskriterien: In den meisten Bchern wird das Kristallsys-tem als wichtiges Bestimmungskriterium ge-nannt. Wenn man ehrlich ist, ist es jedochfr jeden auer den absoluten Spezialistenvon nur untergeordneter Bedeutung. Dies istauch der Grund, warum erst in Abschnitt


2.2.3 die verschiedenen Kristallsysteme be-sprochen werden.

Nachdem bisher nur Eigenschaften des Mi-nerales selbst besprochen wurden, darf alsletztes ein sehr wichtiges, aber vom Mineralunabhngiges Bestimmungskriterium nichtfehlen: die Mineralvergesellschaftung oderParagenese. Viele Minerale kommen bevor-zugt mit bestimmten anderen Mineralen zu-sammen vor, und hat man einmal einesidentifiziert, kann man hufig schon auf dasnchste schlieen. Manche Minerale schlie-en sich auch gegenseitig aus, so dass die si-chere Identifizierung z.B. des Minerales Ne-phelin automatisch das Vorkommen vonQuarz im selben Gestein nahezu unmglichmacht. Hier lohnt es sich besonders, Erfah-rungen zu sammeln.

Nachdem wir nun die wichtigsten makroskopi-schen Bestimmungskennzeichen beisammenhaben, wollen wir uns in Abschnitt 1.7 einerAuswahl von Mineralen zuwenden, die fr dasVerstndnis von geologischen Prozessen be-sonders wichtig sind. Eine Bestimmungshilfedazu bietet Kasten 1.3. Diese Auswahl ist not-wendigerweise subjektiv und jeder wird ir-gendein ihm wichtiges Mineral darin vermis-sen und einige ihm unwichtig erscheinende da-rin finden. Allerdings kann man mit der hiervorgestellten Auswahl die allermeisten geologi-schen Prozesse und insbesondere den Petrolo-gieteil dieses Buches verstehen und ange-sichts der Tatsache, dass nur etwa 1% aller der-zeit bekannten Minerale vorgestellt werden, istdas doch ein schnes Ergebnis. Eine kleineAuswahl von Mineralen aus Erzlagerstttenund von Edelsteinmineralen wurde deswegenangefgt, weil diese auch unter Nicht-Wissen-schaftlern weit verbreitet sind oder durch ihreFarbe und ihren Glanz besonders auffallen, sodass man als Geowissenschaftler hufig danachgefragt wird. Wer sich fr weiteres interessiert,sei an die wirklichen Mineralbestimmungsb-cher, die es in reicher Zahl und guter Qualittauf dem Buchmarkt gibt, verwiesen.

Die Mineralien sind in Abschnitt 1.7 nach ihrerchemischen Zusammensetzung geordnet. Aufdie Sulfide folgen die Oxide, dann die Haloge-nide usw. Die Anordnung hat also nichts mitihrer Hufigkeit oder ihren makroskopischenKennzeichen zu tun. Erluterungsbedrftig istder Ausdruck Verwandte Minerale: Dieser istbewusst schwammig gehalten, da hierunterhnlich aussehende Minerale genauso subsum-miert werden wie hinsichtlich ihrer chemi-schen Zusammensetzung oder ihrer Kristall-struktur hnliche Minerale. Dies wechselt zwarvon Fall zu Fall, doch halte ich diese Rubrik un-ter pragmatischen Gesichtspunkten dennochfr ntzlich.

1.3 Der Aufbau der Erde

Bevor wir uns den Gesteinen im Detail zuwen-den, mssen wir kurz ber den Aufbau der Er-de und ber die Entstehung von Gesteinen inder Erdgeschichte sprechen, um den Kontextzu verstehen, in dem sich geologische Prozesseund insbesondere die Gesteinsbildung abspie-len. Die Erde ist schalenfrmig aufgebaut undweist einen positiven geothermischen Gradien-ten auf das heit, es wird mit zunehmenderTiefe immer wrmer (Abb. 1.3). Ein metallrei-cher Kern, bestehend vornehmlich aus Eisen,Nickel, Kobalt und eventuell kleineren Gehal-ten an Kalium, Silizium, Kohlenstoff, Schwefelund Sauerstoff, ist umgeben von einem ber-wiegend aus Magnesiumsilikaten bestehendenMantel, der wiederum von zwei Typen vonKruste berlagert wird: der nur etwa 615 kmdnnen ozeanischen und der etwa 25 bis maxi-mal 65 km dicken kontinentalen Kruste (Abb.1.4). Dieser inhomogene Aufbau ist das Resul-tat eines kontinuierlich seit der Entstehung derErde ablaufenden Differenzierungsvorganges.Im statistischen Mittel ist die ozeanische Krus-te reich an den Elementen Calcium, Mag-nesium und Eisen, die kontinentale Kruste da-gegen enthlt insbesondere Kalium und Sili-zium und beide enthalten im Vergleich zumMantel relativ viel Aluminium (Vorsicht: Ein

1.3 Der Aufbau der Erde 7

Kasten 1.3 Bestimmungsgang fr Minerale


Kruste

obererMantel

bergangs-zone

unterer Mantel(fest)

uerer Kern (flssig)

innerer Kern (fest)

D"-Schicht

2000 4000 6000 8000

Temperatur (C)

Kimberlit

3640

240130

1360

3300

00

400670

2890

5150

6378

Dru

ck (

kbar

)

Tief

e (k

m)

1.3 Schalenbau, Druck-und Temperaturverlauf(nach Bukowinski, 1999)im Erdinneren. Kimber-lite (Abschnitt 3.9.4) brin-gen die tiefsten bekann-ten Proben an die Erd-oberflche. Die D-Schicht wird kontroversdiskutiert: Manche sehendarin einen Phasenber-gang, andere Zusammen-setzungsunterschiededurch die Wechselwir-kung von uerem Kernund unterstem Mantel.Sicher und davon unab-hngig scheint allerdingszu sein, dass in der D-Schicht die groen Plu-mes entstehen.

1.4 Schematischer Auf-bau von Kruste und obe-rem Mantel. Man be-achte: KontinentaleKruste und Lithosphreist mchtiger als ozeani-sche Kruste und Litho-sphre.

statistisches Mittel besagt nicht, dass jedes Ge-stein der kontinentalen Kruste reich an K undSi sein muss! Es gibt natrlich z.B. auch reineKalksteine, die berhaupt kein K und Si enthal-ten). Kasten 1.4 gibt die geschtzten Durch-schnittszusammensetzungen von Kruste, Man-tel, Kern und Gesamterde wieder.

Vom Erdkern und dem unteren Erdmantelbesitzen wir keine Proben. Auf ihre Beschaffen-heit (ob flssig oder fest) und ihre Zusammen-setzung knnen wir daher nur aus geophysika-lischen Daten, aus Hochdruckexperimentenund aus der Untersuchung ehemaliger, nunzerstrter extraterrestrischer Himmelskrper

1.3 Der Aufbau der Erde 9

Kasten 1.4 Geschtzte Durchschnittszusammensetzung vonGesamterde, Kruste, Mantel und Kern sowie von CI-Chondriten(einem bestimmten Typ von Meteorit, dessen Zusammensetzungin etwa unserem Sonnensystem entspricht)

Gesamterde Mantel Kernnach McDonough, 2003; in Gew.-%

Fe 32 6,26 85,5O 29,7 44 0Si 16,1 21 6Mg 15,4 22,8 0Ni 1,82 0,2 5,2Ca 1,71 2,53 0Al 1,59 2,35 0S 0,64 0,03 1,9Cr 0,47 0,26 0,9Na 0,18 0,27 0P 0,07 0,009 0,2Mn 0,08 0,1 0,03C 0,07 0,01 0,2H 0,03 0,01 0,06Total 99,88 99,83 99,97

Gesamtkruste CI-Chondritnach Rudnick& Gao, 2003

nach Palme& ONeill, 2003

in Gew.-%SiO2 60,6 22,9TiO2 0,72 0,08Al2O3 15,9 1,6FeOtotal 6,71 23,7MnO 0,1 0,25MgO 4,66 15,9CaO 6,41 1,3Na2O 3,07 0,67K2O 1,81 0,07P2O5 0,13 0,21Total 100,12 66,68

in ppmLi 16 1,49Be 1,9 0,0249B 11 0,69C ? 32200N 56 3180F 553 58,2S 404 54100Cl 244 698Sc 21,9 5,9V 138 54,3Cr 135 2646Co 26,6 506Ni 59 10770Cu 27 131Zn 72 323Ga 16 9,71Ge 1,3 32,6As 2,5 1,81

Gesamtkruste CI-Chondritnach Rudnick& Gao, 2003

nach Palme& ONeill, 2003

in ppmSe 0,13 21,4Br 0,88 3,5Rb 49 2,32Sr 320 7,26Y 19 1,56Zr 132 3,86Nb 8 0,247Mo 0,8 0,928Ru 0,00057 0,683Rh ? 0,14Pd 0,0015 0,556Ag 0,056 0,197Cd 0,08 0,68In 0,052 0,078Sn 1,7 1,68Te ? 0,133Sb 0,2 2,27I 0,71 0,433Cs 2 0,188Ba 456 2,41La 20 0,245Ce 43 0,638Pr 4,9 0,0964Nd 20 0,474Sm 3,9 0,154Eu 1,1 0,058Gd 3,7 0,204Tb 0,6 0,0375Dy 3,6 0,254Ho 0,77 0,0567Er 2,1 0,166Tm 0,28 0,0256Yb 1,9 0,165Lu 0,3 0,0254Hf 3,7 0,107Ta 0,7 0,0142W 1 0,0903Re 0,000188 0,0395Os 0,000041 0,506Ir 0,000037 0,48Pt 0,0015 0,982Au 0,0013 0,148Hg 0,03 0,31Tl 0,5 0,143Pb 11 2,53Bi 0,18 0,111Th 5,6 0,0298U 1,3 0,0078


(Meteorite) schlieen, von denen manche ei-nen der Erde vergleichbaren Kern und Mantelhatten. Lediglich aus Tiefen von maximal etwa400 km sind einige wenige Proben an die Erd-oberflche gelangt. Diese wurden von speziel-len, hoch explosiven Vulkanen, den diamant-fhrenden Kimberliten, nach oben transpor-tiert. Es muss uns also bewusst sein, dass wirden allergrten Teil unserer Erde Erdkernund Erdmantel kaum oder gar nicht bepro-ben knnen. Lediglich die Erdkruste und man-che Teile des oberen Erdmantels knnen wir alsreale Gesteine in die Hnde nehmen. Diese u-eren etwa 100 150 km, die uns mit mehr alseiner Handvoll Proben zur Verfgung stehen,bieten allerdings immer noch ein groes Bet-tigungsfeld.Die kontinentale Erdkruste und ihre Gesteinesind vermutlich etwas in unserem Sonnensys-tem Einmaliges, da fr ihre Bildung eine relativunwahrscheinliche Mischung aus richtiger Ent-fernung von der Sonne (fr die Temperaturenvon auen) und Himmelskrpergre (fr dieArt und Schnelligkeit der Abkhlung, also frdie Temperatur von innen) ntig ist. Insbeson-dere die Abkhlgeschwindigkeit bestimmt, obsich ein anfangs homogener Himmelskrperweiter differenzieren kann, d.h. ob sich auereinem Kern und einem Mantel durch geolo-gisch sehr lang andauernde, chemische Ent-mischungsprozesse auch noch eine Krusteund letztendlich die Plattentektonik (wie aufder Erde geschehen) bilden kann. Die Alterna-tive ist, dass ein Himmelskrper wie etwa derMond einfriert, also komplett erkaltet undsomit keine geologischen Prozesse wie Vulka-nismus, Plattenbewegungen oder Gebirgsbil-dungen mehr stattfinden knnen. Die genauenMechanismen der chemischen Differenzie-rung, also der Aufteilung der Elemente inKruste und Mantel, werden im nchsten Kapi-tel besprochen.Fr den Moment also halten wir fest: Die Erdehat sich im Laufe ihrer Entwicklung in Kern,Mantel und Kruste differenziert. Mit dem Erd-kern beschftigen wir uns nicht weiter, da erfr die Probennahme unzugnglich ist. Der

Erdmantel weist fundamental andere Gesteineauf als die Erdkruste, und die ozeanischeKruste unterscheidet sich deutlich von der kon-tinentalen Kruste. Diese Unterschiede der che-mischen Zusammensetzung verbunden mitUnterschieden von Druck und Temperatur be-dingen die Vielfalt der Minerale und damit derGesteine in den verschiedenen Bereichen derErde.

1.4 Die Differenzierung der Erde

Die Erde entstand kurz nach der Entstehungunseres Sonnensystems vor ca. 4,556 Milli-arden Jahren durch die Zusammenballunginterplanetaren Staubes. Da die Zusammen-setzung eines bestimmten, aus dem Asteroi-dengrtel stammenden Meteoritentyps, derCI-Chondriten, berwiegend mit der ausspektroskopischen Daten (Abschnitt 2.5.2) ab-geschtzten Zusammensetzung der Sonnebereinstimmt, ist es wahrscheinlich, dass un-ser Sonnensystem ursprnglich chemisch sehrhomogen war. Dies legt nahe, dass auch dieGesamtzusammensetzung unserer Erde ziem-lich genau dieser chondritischen Zusammen-setzung entspricht. Die oben genannte Alters-zahl, die fr die Erde, die sonstigen Planetenund die meisten Meteoriten praktisch identischist, bedeutet brigens, dass man heute mitmodernen isotopengeochemischen Methodendie Geburt unseres Sonnensystems bis aufeine Million Jahre genau datieren kann eineschier unglaubliche Przision mit einem Fehlervon weniger als einem Viertausendfnfhun-dertstel!Zu Beginn war unsere Erde komplett ge-schmolzen und homogen. Innerhalb wenigerMillionen Jahre aber khlte sie schon so weitab, dass eine Differenzierung im Sinne einerEntmischung der Bestandteile stattfindenkonnte. Schwere, metallreiche Schmelze sam-melte sich zunehmend im Kern, leichtere, sili-katische Schmelze an der Oberflche die Un-terteilung in Erdkern und -mantel war gebo-

1.4 Die Differenzierung der Erde 11

2900

670

0

unterer Mantel

oberer Mantel

kontinentaleLithosphre

Tief

e (k

m)

Plu

me

MittelozeanischerRcken

Ozeaninsel

2900

670

0

unterer Mantel

oberer Mantel

kontinentaleLithosphre

Tief

e (k

m)

Plu

me

MittelozeanischerRcken

Ozeaninsel

?

?

Inselbogen

Inselbogen

1.5 Konkordia-Diagrammdes ltesten Mineralkornsder Welt. Der unten rechtsdargestellte Zirkon wurdeanmehreren Punkten (z.B.im Bereich der beschrifte-ten Ellipse) auf seine Pb-und U-Isotopenzusammen-setzung hin analysiert. DieGesetzmigkeit desradioaktiven Zerfalls vonUran zu Blei wird durchdie mit Zahlen verseheneKurve abgebildet, die Kon-kordia genannt wird. Derobere Schnittpunkt derAnalysen mit der Konkor-dia gibt das Entstehungs-alter des Zirkons von ber4,4 Milliarden Jahren an.Nach Wilde et al. (2001).

1.6 Zwei Mglichkeitender Mantelkonvektion:oben das von Geochemi-kern bevorzugte Zwei-schicht-, unten das vonGeophysikern vorgeschla-gene Einschicht-Modell.Aus Hofmann (1997).


ren. Diese Entwicklung fand in all jenen Him-melskrpern statt, die gro genug waren, umlange genug Hitze speichern zu knnen, damitdieser Prozess ablaufen konnte. Belege dafrund berreste davon finden wir heute noch inzerborstenen Himmelskrpern (Asteroiden),von denen Proben als Meteorite auf die Erdegelangen.Die kontinentale Kruste brauchte lnger, umsich zu bilden. Verschiedene Modelle gehen da-von aus, dass es zwischen 500 Millionen und 2Milliarden Jahren dauerte, bis sie in etwa ihreheutige Gre erreicht hatte. Durch den Fundsehr alter Zirkonkristalle (Abb. 1.5) ist seit we-nigen Jahren sicher, dass sie bereits von Anfangan wuchs und erste Vorstufen von kontinenta-ler Kruste bereits vor etwa 4,4 Milliarden Jah-ren existierten, vermutlich als kleine Inselchenauf der ansonsten basaltischen Oberflcheschwimmend.Die Kruste wuchs durch so genannte Differen-tiationsvorgnge, wobei sich durch lokale Auf-schmelzung des Mantels leichte, kalium-, sili-zium- und wasserreiche Schmelze infolge ihrergeringeren Dichte auen, also an der Erdober-flche, ansammelte. Dieser Mechanismus wirktauch heute noch. Durch inhomogene Abgabevon Wrme aus dem Erdkern werden Wrmea-nomalien im Erdmantel erzeugt (plumesoder hot spots), die wiederum Aufschmelz-vorgnge nur in bestimmten Gebieten bedin-gen. Durch solche aufgrund ihrer geringerenDichte aufsteigenden Schmelzen werden wei-terhin Kalium und Silizium in der Kruste ange-reichert. Zusammen mit Kalium, Silizium undWasser (das letzten Endes zur Bildung vonOzeanen fhrte) reicherte sich eine groe Zahlweiterer Elemente in der Kruste an, z.B. U, Rb,Zr u. v. m. (siehe Kasten 1.4), whrend andereElemente wie Ni, Cr und Mg im Mantel zurckblieben.Sptestens vor ca. 2,5 Milliarden Jahren exis-tierte die Erde in ihrer heutigen, geologischenGliederung, mit Kontinenten und Ozeanen. Seitdem Einsetzen der Plattentektonik (wann ge-nau diese begann, ist allerdings unklar) fandein Materialrckfluss von der Erdoberflche in

den Mantel zurck durch die Subduktion vonOzeanboden statt. Kontinentales Material wirdnur hchst selten und vermutlich nie in groeTiefen von mehr als 100 150 km subduziert.Geophysikalische Beobachtungen zeigen, dassehemals nahe oder an der Erdoberflche be-findliches Gestein, insbesondere Ozeanboden,bis an die Grenze zwischen Erdkern und Erd-mantel hinunter subduziert werden kann. DerMantel wird also im Laufe von Jahrmilliardendurch diese Konvektion, die Bewegung in gro-en walzenfrmigen Stoffflssen, einer Durch-mischung und einem Recycling unterworfen.(Abb. 1.6). Ob die Konvektion in zwei durch diebergangszone (Abb. 1.3) getrennten Zellenoder in einer einzigen groen Walze vonstattengeht, darber sind Geochemiker und Geophysi-ker immer noch uneinig (Abb. 1.6).

1.5 Die Entstehung derGesteinsvielfalt der Kreislaufder Gesteine

Wie aus dem zuvor Gesagten ersichtlich, kris-tallisierten die ersten Gesteine aus Schmelzenaus, waren also Magmatite. Auf der Erde sindberwiegend Silikatschmelzen von Bedeutung,die als wichtigste Elemente (neben O) Si, Al,Fe, Ca, Mg, Na, K, Mn, Ti und P enthalten, so-wie als so genannte volatile (= leichtflchtige)Komponenten H2O, CO2, F, Cl und S-Verbin-dungen. Selten kommen auch reine Karbonat-schmelzen vor (siehe Abschnitt 1.7 und 3.9.4).Was geschieht nun mit diesen magmatischenGesteinen, nachdem sie erstarrten? Sie werdenTeil des Gesteinskreislaufes (Abb. 1.7). Befin-den sie sich an der Erdoberflche, so verwit-tern sie. Allerdings ist die Art und Intensittder Verwitterung sehr unterschiedlich und ne-ben klimatischen Faktoren spielen insbeson-dere plattentektonische Prozesse eine mageb-liche Rolle, denn starke Verwitterung herrschtinsbesondere dort, wo durch tektonische Pro-zesse Relief entsteht, z.B. in Gebirgen. Verwit-

1.5 Die Entstehung der Gesteinsvielfalt der Kreislauf der Gesteine 13

1.7 Der Kreislauf der Gesteine.

tern Gesteine an der Erdoberflche, so ge-schieht dies auf zwei Arten: durch physikali-sche (= mechanische) oder chemische Verwit-terung. Die physikalische Verwitterung, wiez.B. die Frostsprengung, lst Krner aus demGesteinsverband, die sich an anderer Stellewieder ansammeln (als klastisches Sediment)und dann durch Verfestigung ein neues Gesteinbilden knnen, ein klastisches Sedimentgestein(Sedimentit). Ein klastisches Sediment kanndurch verschiedene Prozesse zu seinem Abla-gerungsraum transportiert werden. Wird esmit dem Wind transportiert, so spricht manvon olischen Sedimenten, deren wichtigsterVertreter der auch in Deutschland verbreiteteund sehr fruchtbare L ist. In Flssen abgela-gerte Sedimente werden entsprechend fluviatilgenannt, die von Gletschern abgelagerten gla-zial, und die mengenmig wichtigsten Sedi-

mente, nmlich die im Meer abgelagerten, ma-rin. Weitere klastische Sedimente sind Pyro-klastite (griechisch pyros = Feuer), die durchdie Ablagerung von vulkanischem Materialentstehen. Werden Schalen abgestorbener Tiereoder auch sonstiges biogenes Material wie (zuKohle gewordenes) Holz physikalisch umgela-gert, sedimentiert und verfestigt, so sprichtman von einem biogenen Sedimentit.Im Gegensatz zur physikalischen Verwitterunglst die chemische Verwitterung Minerale aufoder wandelt sie in andere Minerale um. Feld-spte werden beispielsweise in Tonmineraleumgewandelt, wobei bestimmte Elemente, indiesem Fall Alkalien und Erdalkalien, in L-sung gehen. An anderer Stelle knnen diesedann wieder als chemisches Sediment ausge-fllt werden und nach Verfestigung ein chemi-sches Sedimentgestein bilden. Durch Verdamp-


aufsteigendesMagma

Asthenosphre

Vulkanismus

Tiefseegraben

Regionalmetamorphosedurch Gebirgsbildung

Kontakt-metamorphose

Magmen-bildung

Subduktionszonen-metamorphose

Ozeanbodenmetamorphosean Mittelozeanischen

Rcken

Versenkungsmetamorphose in tief liegenden Sedimenten

kontinentale Kruste

ozeanische Kruste

Impaktmetamorphosedurch Meteoriteneinschlag

lithosphrischer Mantel

1.8 Verschiedene Metamorphosetypen in ihrem jeweiligen geotektonischen Zusammenhang.

fung von flachen salzhaltigen Gewssern (Seen,Randmeere) entstehen Evaporite. Diese Art derVerwitterung und Ausfllung ist durch dasKlima, besonders durch die Niederschlge,kontrolliert. Da allerdings auch die Nieder-schlagsmenge und -verteilung wieder reliefab-hngig sind, sieht man an diesem Beispiel sehrdeutlich, dass endogene (tektonische) und exo-gene (in diesem Fall klimatische) Prozesse mit-einander wechselwirken und nicht isoliert be-trachtet werden drfen.An der Erdoberflche liegende Gesteine (Sedi-mentite wie Magmatite) knnen an bestimm-ten Stellen, z.B. in Becken, von immer weiterenSchichten von Sediment bedeckt und dadurchin grere Tiefen (zu hheren Drucken undTemperaturen) versenkt werden. Bei dieserTemperatur- und Druckerhhung setzt die Dia-genese ein, d.h. sie rekristallisieren, der Poren-raum wird verringert und sie geben Wasser ab.Bei etwa 150200 C beginnen dann ohne Be-teiligung einer Schmelze neue Minerale zukristallisieren, da die vorher die Gesteine auf-bauenden Minerale bei diesen erhhten Tem-peraturen nicht mehr stabil sind und sich imPorenfluid auflsen. Hier beginnt der Bereichder Gesteinsmetamorphose (Umwandlung),der Temperaturen von etwa 200 bis maximal

etwa 1050C umfasst. In normaler, tektonischkaum beeinflusster kontinentaler Kruste wer-den 800C selten berschritten und selbst beitypischen Gebirgsbildungsprozessen (Oroge-nesen) werden nicht mehr als etwa 900950Cerreicht. Auer durch den Prozess der Zusedi-mentation (der Versenkungsmetamorphosegenannt wird) knnen sich metamorphe Ge-steine natrlich auch durch verschiedene an-dere, insbesondere, aber nicht ausschlielichtektonische Prozesse bilden, so durch Subduk-tion (Subduktionszonenmetamorphose), durchGebirgsbildungen (Regionalmetamorphose),durch Reaktion mit Meerwasser (Ozeanboden-metamorphose), durch Wrmeabgabe vonMagmen an ihr Nebengestein (Kontaktmeta-morphose) oder bei Meteoriteneinschlgen(Impakt- oder Schockwellenmetamorphose)(Abb. 1.8). Werden bei diesen Prozessen Tem-peraturen von mehr als ca. 600C erreicht, be-ginnen die Gesteine, je nach dem herrschendenDruck, ihrer Zusammensetzung und dem Vor-handensein von Fluiden, zunchst teilweisewieder aufzuschmelzen. Die Schmelzen kn-nen aufsteigen und neue magmatische Ge-steine bilden. Der Kreislauf der Gesteine be-ginnt von vorn.

1.5 Die Entstehung der Gesteinsvielfalt der Kreislauf der Gesteine 15

Qz

PlQz

Pl

Bt Or

Mag

Bt

Bt

Hbl

Mag

Mag

Aug

Hbl

Aeg

Mag

PlSa

1.9 Texturen eines pluto-nischen (links) und vulkani-schen (rechts) Gesteins imDnnschliff, umgezeichnetnach Wimmenauer (1985).Man beachte, dass dieXeno- (Fremd-) oderPhno- (Gro-) Kristalle imVulkanit durch Reaktionmit einer spten Schmelzezum Teil angelst ausse-hen. Mineralabkrzungensind in der Tabelle abS. 343 erklrt.

1.10 Typische Texturen verschiedener vulkanischer Gesteine, umgezeichnet nach Wimmenauer(1985). Links porphyrische, Mitte glomerophyrische, rechts fluidale Textur.

1.6 Gesteine

Wir werden in diesem Abschnitt darauf hinar-beiten, einen Bestimmungsgang fr Gesteinezu entwickeln. Dazu bentigen wir allerdingsdetailliertere Informationen zum Auftreten,zur Ausbildung und zur Klassifikation derwichtigsten Gesteine.

1.6.1 Magmatische Gesteine

1.6.1.1 Allgemeines zur Nomenklaturvon magmatischen Gesteinen

Die groe Gruppe der magmatischen Gesteinewird zunchst in solche Gesteine eingeteilt, diean der Erdoberflche erstarren (Vulkanite, Ef-fusiv- oder Ergussgesteine) und solche, die imErdinneren erkalten (Plutonite, Intrusiv- oderTiefengesteine). Sie unterscheiden sich deutlich

in ihren Gefgen (Abb. 1.9), die unterschiedli-che Abkhlgeschwindigkeiten (Abkhlraten)anzeigen. Kommt zum Beispiel bei der Bildungeines Vulkanits eine 1300C heie Schmelzeam Ozeanboden in Kontakt mit Wasser, sowird sie regelrecht abgeschreckt bei Silikat-schmelzen fhrt das typischerweise zur Bil-dung von Glas, da dieser Prozess zu schnell ist,um Kristallwachstum zu ermglichen. Wennder Kontrast dagegen nicht gar so extrem ist,also die Abkhlung z.B. mit Luft statt mit Was-ser an der Erdoberflche abluft, so bilden sichfeinkrnige Gesteine, die aus kleinen, bisweilennur unter mm-groen Kristallen bestehen.Schwammen in der Schmelze vor ihrem Kon-takt mit dem Meerwasser oder der Luft bereitsKristalle (was hufig der Fall ist, da natrlicheSchmelzen hufig eher einem Kristallbrei h-neln), so bleiben diese natrlich in der glasigenoder extrem feinkrnigen Grundmasse erhal-


CpxOl

Lherzolith

Opx OlOpx

Dunit90

40

OlivinnoritTroktolith

Gabbro

PlOl

Peridotit

Pyx OlPyx Amph

Pyroxenit Hornblendit

Dunit9090

40

50

10

40 90

Pyroxenit Peridotit

Gabbro (Cpx)Norit (Opx)Troktolit (Ol)

Dunit

Anorthosit

Klino-pyroxenit

Ortho-pyroxenit

Olivinwebsterit

Harzburgit Wehrlit

> 10 % Pl< 10 % Pl

Norit

Gabbronorit Olivingabbro

Cpx

1.11 Dunkler, biotit-reicher Xenolith in Granitvon Malsburg, Sdschwarzwald. Vermutlich han-delt es sich um einen teilweise angeschmolzenenGneisrest. Der Xenolith ist etwa 5 cm gro.

1.12 Nomenklatur mafischer und ultramafischer Gesteine nach Streckeisen (1976). Die AbkrzungPyx umfasst sowohl Ortho- als auch Klinopyroxen.

ten es entsteht ein so genanntes porphyri-sches Gefge (Abb. 1.9, 10) mit groen Ein-sprenglingen in feinkrniger oder glasiger Ma-trix (Grundmasse). Die Abkhlung solcher

Schmelzen auf Umgebungstemperatur dauertnur Stunden bis Tage. Bildeten die Einspreng-linge sich durch Abkhlung aus der Schmelzeselbst, so spricht man von Phnokristallen,sind sie jedoch beim Aufstieg der Schmelzemitgerissene, hineingefallene Kristalle andererGesteine, so nennt man sie Xenokristalle (vomgriechischen Wort xenos = Fremder). Entspre-chend heien brigens Nebengesteinsbruch-stcke, die in eine Schmelze hingefallen undauch nach deren Erstarrung noch erkennbarsind, Xenolithe (Abb. 1.11; wieder ein griechi-sches Wort: lithos = Stein).Khlen die Schmelzen im Erdinneren ab, dannlaufen die Kristallisationsprozesse viel langsa-mer ab. Wiederum kommt es auf die Tempera-turdifferenz in diesem Fall zwischen Schmelzeund Nebengestein an je kleiner diese ist,desto langsamer die Abkhlung und desto gr-

1.6 Gesteine 17

er die Kristalle. Plutonite unterscheiden sichvon ihren vulkanischen quivalenten nicht inchemischer und mineralogischer Hinsicht,sondern nur durch ihre Korngre und ihr Ge-fge. Dies bedingt allerdings ein vllig anderesAussehen und deshalb haben auch chemischidentisch zusammengesetzte, aber unterschied-lich auskristallisierte Gesteine unterschiedlicheNamen erhalten. Natrlich gibt es auch wiederZwischenglieder, die sich texturell nicht ein-fach den Plutoniten oder den Vulkaniten zu-ordnen lassen; diese werden als Subvulkanitebezeichnet und kristallisieren nahe der Erd-oberflche, aber nicht auf ihr, sondern in maxi-mal einigen Hundert Metern Tiefe. Sie sindhufig porphyrisch und typischerweise fein-bis mittelkrnig ausgebildet.

1.6.1.2. Die Streckeisennomenklatur

Seit den 1970er Jahren werden die wichtigstenmagmatischen Gesteine nach der Streckeisen-nomenklatur benannt, seit 2004 nach der IUGS-Nomenklatur (Intern. Union of Geosciences).Der erste Name ehrt den Schweizer Gesteins-kundler Albert Streckeisen, der die internatio-nale Kommission leitete, die sich auf diese No-menklatur einigte. Ziel beider Nomenklaturenwar es, die unglaubliche Flle von lokalen Vari-ettsnamen, die sich ber die Jahrhundertehinweg angesammelt hatte, zu beseitigen undein allgemein gltiges, einfaches Klassifikati-onssystem mit nicht zu engen Grenzen zu defi-nieren, sodass auch kleinere Variationen, z.B.im Quarzgehalt von Gesteinen, nicht gleich ei-nen neuen Namen erforderten. Das wichtigsteKriterium neben der Struktur, also der Krnig-keit der Gesteine, ist dabei der Gehalt an be-stimmten, fr die genetische Interpretation alsbesonders wichtig erkannten Mineralen. Diesesind: Quarz, Feldspte und Foide. Alle restli-chen Minerale wie Pyroxene, Amphibole,Glimmer, aber auch Karbonate werden unterdem Begriff Mafite zusammengefasst. Der Ge-halt wird als Modalbestand ermittelt, was be-deutet, dass das Volumen (angenhert durch

die auf einer Gesteinsflche sichtbaren Kornfl-chen), nicht aber die chemische Zusammenset-zung oder das Gewicht der Minerale hierbeiAusschlag gebend ist. Dies geschah in der wei-sen Erkenntnis, dass lediglich das Volumensich mit bloem Auge einigermaen zuverls-sig abschtzen lsst.Zunchst wird also festgestellt, ob ein Gesteinmehr oder weniger als 90 Modal-% an Mafitenenthlt: sind es mehr, so handelt es sich um einultramafisches Gestein, das z.B. fast aus-schlielich aus Pyroxen, Olivin oder Calcit be-steht. Auf diese Gesteine werden dann Klassifi-kationsdreiecke, wie in Abb. 1.12 gezeigt, ange-wendet. Der Erdmantel ist in praktisch allenBereichen, von winzigen Ausnahmen abgese-hen, ultramafisch zusammengesetzt, im obe-ren Bereich meist aus olivindominierten Ge-steinen. Man mu jedoch hinzufgen, dass derErdmantel streng genommen in weiten Berei-chen aus metamorphen, im Laufe der Jahrmil-liarden umkristallisierten Gesteinen besteht.Die meisten ultramafischen Gesteine werdenallerdings trotzdem nach der oben beschriebe-nen Nomenklatur benannt, egal, ob sie nunmagmatischen oder metamorphen Ursprungssind auch dies wieder eine weise Entschei-dung der Streckeisenkommission.Enthlt ein magmatisches Gestein weniger als90% Mafite, so wird es anhand der QAPF-Dia-gramme (auch Streckeisendiagramme) derAbb. 1.13, 14 benannt, wo je nach Gehalt anQuarz (Q), Alkalifeldspat (A), Plagioklas (P)oder Foiden (F, worunter Nephelin, Sodalith,Leucit und alle weiteren Foide zusammenge-fasst werden) Felder mit Namen definiert sind.Dabei werden die vier Minerale (Q, A, P und F)zusammen als 100% betrachtet, alle weiterenMinerale interessieren fr die Benennung zu-nchst nicht weiter, selbst wenn das Gesteinbeispielsweise 85% Amphibol und nur 15%QAPF-Minerale enthlt. Fr Plutonite und Vul-kanite gibt es unterschiedliche Diagramme(Abb. 1.13, 14). Da Quarz und die Foidesich gegenseitig ausschlieen (s. Kasten1.6), entsteht die charakteristische Form desDoppeldreiecks: ein Gestein fhrt entweder


Grano- diorit

Quarzreiche Granitoide

Quarz- monzonit

Quarz- syenit

Quarz-Alkali-feldspatsyenit Quarzdiorit, Quarzgabbro

Foid- monzosyenit (Plagifoyait)

Foid- monzodiorit u. -gabbro (Essexit)

Foidolith

Foiddiorit, Foidgabbro (Theralith)

Foidsyenit (Foyait)

M < 90

M > 90

Peridotit, Pyroxenit, Hornblendit etc.

90 90

60 60

20 20

5 5

10 10

60 60

Q

F

A P

Quarz- monzodiorit u. - gabbro

PLUTONITE

Q Quarz

A Alkalifeldspat (inkl. Albit An00-05)

P Plagioklas An05-100 F Foide

M mafische Minerale

Alkalifeldspat- granit Tonalit

Foidf. Syenit

Foidfhrender Monzonit

Foidf. Monzodiorit

Foidf. Alkali- feldspatsyenit

Monzodiorit Monzonit Syenit

Foidf. Diorit, Foidf. Gabbro

Diorit,Gabbro,Anorthosit

Alkali- feldspatsyenit

Granit

Monzo-granit

Syeno-granit

Quarzolith/Silexit

1.13 Nomenklatur von Plutoniten nach Streckeisen (1976). Im Text wird erlutert, wie man diese unddie folgende Abbildung verwenden kann, um magmatische Gesteine zu benennen.

Quarz oder Foide, findet sich also entweder imoberen oder im unteren Dreieck wieder (wennes nicht zufllig genau auf der Nulllinie liegt,aber das ist wirklich ein seltener Zufall, unddann liegt es halt genau in der Mitte) und wirddann anhand der unterschiedlichen zwei Feld-spatvarianten klassifiziert (Kasten 1.5).

In bestimmten Fllen, insbesondere bei denplagioklasreichen, quarz- und foidarmen vul-kanischen Gesteinen, ist die Streckeisenno-menklatur nicht ausreichend, um die Geneseoder die charakteristische und wissenschaftlichinteressante Zusammensetzung des Gesteinshinreichend deutlich zu machen. Oder aber,

1.6 Gesteine 19

Q

F

A P

DacitRhyolith

Quarz- trachyt

TephritischerPhonolith

PhonolithischerTephrit,

PhonolithischerBasanit

Alkalifeldspat- rhyolith

Quarz- latit

Tephrit (Ol < 10%), Basanit (Ol > 10%) Phonolith

Foidit (Nephelinit,

Leucitit)

60 60

20 20

5

10 10

60 60

90 90

VULKANITE

Quarz-Alkalifeldspat-trachyt

TephritischerFoidit

PhonolithischerFoidit

M < 90

M > 90

Melilithit (Pikrit) etc.

Q Quarz

A Alkalifeldspat (inkl. Albit An00-05)

P Plagioklas An05-100 F Foide

M mafische Minerale

Trachyt Latit Foidf.

Trachyt Foidfhrender

Latit Foidf. Alkali- feldspat- trachyt

Alkali- feldspat- trachyt

Andesit,Basalt

keineVulkanite

1.14 Nomenklatur von Vulkaniten nach Streckeisen (1967) und (1978).

Kasten 1.5 QAPF-Beispiel

Wenn ein quarzfreies, vulkanisches Gesteinzwischen 0 und 10% Foide und zwischen 10und 35% Plagioklas enthlt (und damit au-tomatisch zwischen 55 und 90% Alkalifeld-spat innerhalb der QAPF-Minerale, unbese-hen aller weiterer Minerale im Gestein), soheit es foidfhrender Trachyt. Wenn man

wei, dass das Foid nur Nephelin ist, so kannman das Gestein auch Nephelintrachyt nen-nen. Htte es statt 10% aber 15% Foide, sohiee es tephritischer Phonolith, und wrees ein Plutonit anstelle eines Vulkanits, sohiee es Plagifoyait.


Kasten 1.6 Die Quarzstti-gung

Gesteine, die Quarz (oder andere SiO2-Modifikationen wie Tridymit oder Cristo-balit) enthalten, werden als quarzber-sttigt bezeichnet. Enthalten die Gesteinedagegen Foide, sind sie quarzuntersttigtund enthalten sie weder Quarz noch Fo-ide, so sind sie quarzgesttigt. Da Foide(Feldspatvertreter) weniger SiO2 ent-halten als Feldspte, knnen sie sich beigeringeren Gehalten von SiO2 im Gesteinbilden als diese. Gesteine mit Foiden sindimmer quarzfrei, da beide miteinandersofort zu Feldspten reagieren wrden,gem z.B.

Nephelin + 2 Quarz = Albit

NaAlSiO4 + 2 SiO2 = NaAlSi3O8

Es sei hier noch darauf hingewiesen, dasssich fr Gesteine die Bezeichnungen sauerund basisch eingebrgert haben, die aufihren Gehalt an Kieselsure (SiO2) Bezugnehmen, aber nicht mit dem pH-Wert kor-reliert werden sollten. Quarzreiche Ge-steine sind also sauer, quarzfreie, z.B. ba-saltische Gesteine basisch. Allerdings han-delt es sich hierbei eher um eine verbrei-tete Umgangssprache als um korrekte No-menklatur.

viel trivialer, man kann noch nicht einmal imMikroskop erkennen, welche Minerale diesesGestein eigentlich ausmachen, da die Kristallezu klein sind oder das Gestein komplett oderteilweise aus Glas besteht. Fr beide Flle hatman Lsungen entwickelt, die allerdings nichtohne chemische Analysen auskommen.Die Streckeisennomenklatur hat auch wennes auf den ersten Blick nicht unbedingt so aus-sehen mag die Verstndigung innerhalb derGeowissenschaften ungemein erleichtert. Viele,insbesondere grobkrnige Gesteine knnen be-

Kasten 1.7 Was ist ein Dnn-schliff?

Ein Dnnschliff ist ein Gesteinsplttchen,das auf einen Glastrger aufgeklebt undauf eine Dicke von etwa 2050 Mikrome-ter (= tausendstel Millimeter) herunterge-schliffen wird. Dann kann es unter einemMikroskop betrachtet werden (Abb. 1.15).Diese Art der Betrachtung hat zwei Vor-teile: Erstens ist fast jedes Gestein in die-ser Dicke durchsichtig; zweitens kannman fr die Dnnschliffbetrachtung einPolarisationsmikroskop ( 1 2.5.1) verwen-den, das die optische Bestimmung dermeisten gesteinsbildendenMinerale ohneweitere chemische Analytik erlaubt.

1.15 Aufbau eines Dnnschliffs. Das Ge-steinsplttchen zwischen Deckglas und Glas-trger ist lediglich 2540 ? m dick.

reits im Gelnde korrekt benannt werden, undansonsten ist keine aufwendige Analytik, son-dern lediglich ein Dnnschliff (Kasten 1.7) undein Polarisationsmikroskop ntig. Frher gabes praktisch fr jede texturelle Variante und frjedes zweite neue Vorkommen neue Gesteins-namen die alte Literatur ist voll von Katzen-buckeliten, Weiselbergiten und Mondhaldeiten,die alle nur lokale, nach Orten bzw. Bergen be-nannte Varianten grerer, genetisch eng ver-wandter Gesteinsgruppen sind. Wer nicht zu-fllig genau dort schon einmal gewesen war

1.6 Gesteine 21

Gew.-% SiO2

40 50 60 70 80

16

14

12

10

8

6

4

2

0

Gew

.-%

Na 2

O +

K2O

Rhyolith

Dacit

Andesit

basa

ltisc

her

And

esit

Basalt

Trachyt bzw.

Trachydacit

Trachy- andesit

Phonolith

Tephri- phonolith

Phono-tephrit

Tephrit bzw.

Basanit

Foidit

Trachy- basalt

alkaliner Tren

d

subalkaliner

Trend /

tholeiitische

r Trend

basalt.Trachy- andesit

Pic

ro-

basa

lt

1.16 Klassifikationsdia-gramm vulkanischerGesteine nach Le Maitre(1984). Dieses Diagrammwird TAS-Diagramm ge-nannt, nach total alkaliversus silica, also Ge-samtalkalien gegen Sili-ziumoxid.

und das Gestein kannte, hatte keine Ahnungber seine Genese und Zusammensetzung. Dasist heute anders.

1.6.1.3 Das TAS-Diagramm

Fr die im weitesten Sinne basaltischen Ge-steine der P-Ecke des QAPF-Diagramms wurdedas TAS-Diagramm entwickelt (Abb. 1.16), wasdie Abkrzung fr Total alkali versus silicaist. In diesem Diagramm werden also die ge-samten Alkaligehalte (Na2O+K2O) gegen dieSiO2-Gehalte (in Gew.-%) der chemischen Ge-steinsanalysen aufgetragen. Danach unter-scheidet man nicht nur Basanite, Basalte undAndesite, sondern sieht auch, zu welchen un-terschiedlichen Entwicklungslinien Gesteinegehren. Es zeigt sich nmlich, dass der Alkali-engehalt und sein Anstieg in Bezug zum SiO2-Gehalt sehr charakteristische genetische Inter-pretationen erlaubt, die zu erlutern allerdings

hier zu weit fhren wrden. Nur soviel sei ge-sagt: Ein Vulkan produziert typischerweiseSchmelzen, die nur in einem der in Abb. 1.16eingezeichneten Felder (alkalisch oder tholeii-tisch) liegen, und jedes dieser Felder ist cha-rakteristisch fr ein bestimmtes geodynami-sches Milieu, in dem dieser Vulkan steht. Manmuss sich dabei vor Augen halten, dass vieleder Gesteine in Abb. 1.16 fr den Laien absolutidentisch und fr den Fachmann immer nochextrem hnlich aussehen. Sie sind somit aufanderem Wege als dem chemischen kaum un-terscheidbar.

1.6.1.4 Normberechnungen

Fr die glasigen oder mikrokristallinen Ge-steine hat man einen anderen Weg gefunden,um sie korrekt nach Streckeisen benennen zuknnen: die Norm. Eine Norm ist im Unter-schied zum Modalbestand ein aus einer chemi-


Blcke, Bomben (> 64 mm)

Asche(< 2 mm)

Lapilli(2 64 mm)

Lapillistein Lapillituff

Lapillibrekzie Tuffbrekzie

pyroklastischeBrekzie

Tuff

1.17 Nomenklatur von Pyroklastika nach Fisher(1966).

Kasten 1.8 Korngrenskalafr kristalline Gesteine

G 30 mm = riesen-30 10 mm = gro-10 3 mm = grob-3 1 mm = mittel- krnig1 0,3 mm = klein-0,3 0,1 mm = fein-

X 0,1 mm = dicht

schen Gesamtgesteinsanalyse berechneter, hy-pothetischer Mineralbestand. Ist die Normbe-rechnung gut an die untersuchten Gesteine an-gepasst, so stimmen die berechneten gut mitden beobachteten Modalzusammensetzungenberein. Dies ist aber nicht immer der Fall, dadie Normberechnungen von vielen Parameternabhngen. Trotzdem knnen normative Mine-ralbestnde insbesondere dann wichtig undhilfreich sein, wenn sptere Prozesse ein Ge-stein in seinem Mineralbestand (nicht jedochin seiner Gesamtgesteinszusammensetzung)verndert haben oder wenn man ein Glas vor-liegen hat, bei dem man gerne wissen wrde,welche Minerale daraus kristallisiert wren,wenn es denn mehr Zeit dazu gehabt htte.

Normberechnungen dienen somit vor allem zustandardisierten Vergleichszwecken und ebenfr die Nomenklatur. Die Norm, die sich frbasaltische Gesteine durchgesetzt hat, ist dievon Cross, Iddings, Pirsson and Washingtonund wird daher CIPW-Norm genannt. Die ge-naue Art und Weise, wie man diese Norm auseiner Gesteinsanalyse berechnet, ist sehr kom-pliziert und wrde hier zu weit fhren. Wichtigist lediglich zu wissen, dass in Normen Mine-rale meist Endgliedzusammensetzungen(siehe Abschnitt 2.3.1) definiert werden unddann ausgerechnet wird, wie viel von jedemdieser standardisierten Minerale manbruchte, um das Gestein chemisch zusam-menzusetzen. Es handelt sich also um eine Artchemisches Puzzle.

1.6.1.5 Zur Nomenklatur vonvulkanischen Auswurfprodukten

Whrend Plutonite sich (abgesehen von ihrenFarben) relativ hnlich sehen meist handeltes sich um grobe, gleichkrnig kristallisierteGesteine , knnen Vulkanite je nach der Artihrer Entstehung sehr unterschiedliche Formenund Ausbildungen annehmen (Kasten 1.8 und1.9). So liefert der Vulkanismus neben gasfr-migen Produkten, wie z.B. vulkanischenDmpfen in so genannten Fumarolen und Sol-fataren (Exhalationen, H2O-Dampf, CO2, H2S,Cl-, F- und bisweilen auch B- und As-Verbin-dungen), verschiedene feste Produkte wieSchlacken, Bomben, Lapilli, Aschen, Tuffe,Bimse, die alle unter dem Begriff Tephra zu-sammen gefasst werden, und natrlich Ge-steine (Abb. 1.17). Feste vulkanische Gesteinebilden sich aus dem Magma (im Vulkan) oderaus der Lava (an der Erdoberflche). Das Aus-flieen von Lava setzt relativ ruhige, gasarmeFrderung des Vulkans voraus. PyroklastischeGesteine, also Schlacken, Bomben, Lapilli,Aschen, Tuffe und Bimse, entstehen dagegenbei sehr hochenergetischen, gasreichen Erup-tionen. Die pltzliche Volumenzunahme von

1.6 Gesteine 23

Kasten 1.9 MagmatischeGesteine und ihre Strukturen

Plutonite (Intrusiv- oder Tiefengesteine):In grerer Erdkrustentiefe aus einerSchmelze (Magma) grobkrnig und hu-fig annhernd gleichkrnig kristallisierteGesteine.

Subvulkanite: In geringer Erdkrustentiefeaus einer Schmelze kristallisierte Ge-steine, oft mit porphyrischer Struktur.Vulkanite (Effusiv- oder Ergugesteine):Aus Lava erstarrte Gesteine. Lava ist ander Erdoberflche ausflieende Gesteins-schmelze (meist ca. 1000 1200C hei),whrend Magma eine Gesteinsschmelzeim Erdinnern ist.Typische Vulkanitstrukturen:

a) vollkristallin-porphyrisch:auskristallisierte Grundmasse mit Ein-sprenglingen

b) hemikristallin-porphyrisch:z.T. glasig erstarrte Grundmasse mitEinsprenglingen

c) glasig:gesamte Schmelze glasig erstarrt (z.B.Obsidian)

d) porse Strukturen:blasig = einzelne, runde Hohlrumeschaumig = zahlreiche, runde Hohl-rumeschlackig = zahlreiche unregelmigeHohlrumeMandelsteinstruktur = Hohlrume vonsekundren Mineralen ausgefllt

Gas, wenn es nicht mehr unter Druck im Erd-inneren steht, zerreit regelrecht die umge-bende Schmelze und schleudert sie aus demKrater hinaus. Werden einzelne Schmelzfetzenin die Luft geschleudert, so formen sie sich inder Luft je nach ihrer Gre und Flugbahn ausund werden zu Bomben (gro) oder Lapilli(klein; beachte: ein Lapillus, mehrere Lapilli).Sind sie kugelrund und verlieren ihre Formauch beim Aufprall auf dem Boden nicht mehr,

weil sie grtenteils erkaltet sind, so nenntman sie Lapilli. Sind die Schmelzfetzen zugro, um whrend des Fluges komplett abzu-khlen, so erhalten sie eine runde Form, eineerstarrte uere Haut, sind aber im Innerennach wie vor glutflssig und brechen daherbeim Aufprall auf dem Boden auf (Brotkrus-tenbomben). Lngliche, in sich zum Teil ge-drehte Fetzen erstarren zu Spindelbomben,und so gibt es noch manche weitere Art.Aschen, Tuffe und Schlacken entstehen, wennnicht nur einzelne Schmelzfetzen in die Luftgeschleudert werden, sondern eine ganzeEruption so gasreich ist, dass groe MengenSchmelze, in kleine Teilchen zerrissen, aus demKrater bis viele Kilometer hoch ausgeworfenwerden und dann eben als Asche wieder her-nieder regnen und danach zu Tuffen verfestigtwerden. Diese starke Fragmentierung, alsoZerkleinerung der entstehenden Gesteinsst-cke, ist fr gasreiche Vulkane sehr typisch. DieBenennung dieser dann streng genommen so-wohl magmatischen, als auch sedimentren,pyroklastischen Gesteine erfolgt dann nachden Korngren und ist in Abb. 1.17 gezeigt.Fr Bimse ist charakteristisch, dass ihre Mut-terschmelzen so zhflssig sind, dass das Gasnicht vollstndig entweichen kann und dieSchmelze regelrecht aufgeschumt wird da-her auch die so niedrige Dichte von Bims, dasser auf Wasser schwimmt, obwohl er eine silika-tische Matrix hat. Wenn basaltische Lava unterWasser ausfliet oder sich ins Meer hinein er-giet (wie es z.B. auf Hawaii der Fall ist), bil-den sich charakteristische Kissenlaven aus, diedurch eine glasig abgeschreckte Haut, einerundliche, etwa 1m groe kissenartige Formund meist durch feinkristallines Material imInneren geprgt sind.All diese verschiedenen Ausbildungsformendrfen natrlich auf die Benennung des Ge-steins keinen Einfluss haben, denn sonst wr-den aus ein und demselben Vulkan vllig ver-schiedene Gesteine herauskommen, je nach-dem, ob die Lava zufllig ins Meer fliet oderin die Luft geschleudert wird. Dies bekrftigtnoch einmal die Richtigkeit des Konzeptes, ne-


Kasten 1.10 Bis auf Wasser isochemische Metamorphoseverschiedener Gesteinstypen bei zunehmender Temperatur(und damit auch entlang von Geothermen zunehmendem Druck)

Temperatur(ca.!)

200 300 400 500 600 700 C

Kalkstein Marmor GMergel Kalksilikatgestein GTonstein Tonschiefer Phyllit Schiefer Paragneis Granulit/MigmatitGrauwacke Phyllit Schiefer Paragneis Granulit/MigmatitGranit Phyllit Schiefer Orthogneis felsischer Granulit/MigmatitBasalt (Spilit) Grnschiefer Amphibolit basischer Granulit/Migmatit

(Spilit) Blauschiefer Ek

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