Geographie 207: Petrographie

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1 Geographie 207: Petrographie Sphäre Tiefe Temp. Dichte Aggregatszustand unterteilt in Kruste -70 km -1'000 C 2,8 g/cm 3 fest ozeanisch kontinental Mantel km 3'700 C 4,6 g/cm 3 viskos / zähplastisch oberer Mantel Asthenosphäre Kern (Nife) 2'900 km + 4-5'000 C g/cm 3 flüssig fest unterer Mantel äusserer Kern innerer Kern Lithosphäre Die Lithosphäre setzt sich aus der Kruste und dem äussersten Teil des Mantels oberhalb der Asthenosphäre zusammen und ist ca. 100 km mächtig. Besteht aus 12 tektonischen Platten. Mineralien Stoffe aus chemischen Elementen (Atome oder Ionen) Häufigste Elemente der Erdkruste: Sauerstoff 46,6% Silizium 27,7% Aluminium 8,1% Eisen 5,0% Kalzium 3,6% Natrium 2,8% Kalium 2,6% Magnesium 2,1% Eigenschaften von Mineralien: Kristallform: Mineralien sind durch ihr Kristallgitter eindeutig definiert Härte: Mohs'sche Härteskala! Härteres Mineral kann weicheres ritzen. Spaltbarkeit/Bruchflächen: je besser Spaltbarkeit, desto ebener, glatter die Bruchflächen Glanz: Metallglanz, Fettglanz, Perlmuttglanz Farbe/Strichfarbe: Farbe bei frischem Mineral bestimmen, Mineral über unglasiertes Porzellan ziehen Spez. Gewicht / Dichte Magnetismus, Geschmack Die wichtigsten Mineralien: Silikatmineralien (SiO 4 ) 4- : Quarz, Feldspat! Gerüstsilikat (Silikattetraeder gerüstartig aufgebaut); Glimmer, Tonmineralien! Schichtsilikat (Silikattetraeder schichtartig aufgebaut) Gerüstsilikate: - Quarz: Bergkristall. Schlechte Spaltbarkeit, Härte 7, reagiert nicht mit verdünnter Salzsäure tritt in magmatischen und metamorphen Gesteinen und Sedimentgesteinen auf - Feldspat bauen ca. 60% der Erdkruste auf. helle Farbe, gute Spaltbarkeit in 2 Richtungen, Härte 6, reagiert nicht mit verdünnter Salzsäure

2 Schichtsilikate: - Glimmer (Muskowit und Biotit) starker Glanz (Perlmuttglanz), Härte 2,5 Muskowit: farblos bis weiss, silbern glänzend, tritt häufig in magmatischen und verschieferten metamorphen Gesteinen auf. Biotit: dunkelbraun bis schwarz, schimmert im Sonnenlicht bronzefarben, tritt häufig in magmatischen und verschieferten metamorphen Gesteinen auf. Karbonatmineral Kalzit: Chemische Formel: CaCO 3, rhomboedrisch, farblose bis weisse Kristalle. gut spaltbar, glänzende Bruchflächen, Härte 3. Hauptbestandteil von Kalksteinen. Reagiert schäumend mit verdünnter Salzsäure. Oxidmineralien Magnetit und Hämatit Hämatit (Fe 2 O 3 ): metallisch matt glänzend, stahlgrau bis eisenschwarze Glanz, rotviolette Masse ohne Metallglanz. Hohe Dichte g/cm 3, rotbraune Strichfarbe, nicht magnetisch Magnetit (Fe 3 O 4 ): Dunkelviolett-schwarz, körnige bis dichte Masse. Hohe Dichte 5.2 g/cm 3 (! doppelt so schwer wie gleich grosse Silikat- /Karbonatprobe). Schwarze Strichfarbe, magnetisch. Sulfide/Sulfate: Pyrit (FeS 2 ) wichtigstes Sulfid. Goldig glänzend, würfelförmig (Katzengold), Härte 6, hohes spezifisches Gewicht 5 g/cm 3, Strichfarbe ist grünlichgrau, verwittert rostig. Gips (CaSO 4 2H 2 O): farblos bis grau, rötlich, körnig, faserig oder dicht, selten in Kristallform. Gute Spaltbarkeit, Perlmuttglanz. Härte 2 (mit Fingernagel ritzbar), spezifisches Gewicht 2,3 g/cm 3, reagiert nicht mit verdünnter Salzsäure. Steinsalz (NaCl): körnige, dichte Masse, würfelförmige Kristalle (wenn zerkleinert), gute Spaltbarkeit, Härte 2, tiefes spezifisches Gewicht g/cm 3, salziger Geschmack. Elementare Mineralien: Gold, Silber, Kupfer, Diamant, Graphit, Schwefel Einteilung der Gesteine - Magmatische Gesteine (Erstarrungsgesteine) - Sedimentgesteine (Ablagerungsgesteine) - Metamorphe Gesteine (Umwandlungsgesteine)

3 Magmatische Gesteine Magmatite entstehen durch das Abkühlen von Magma in der Erdkruste (in Plutonen) oder durch das Erstarren von Lava an der Erdoberfläche (bei Vulkanen). Einteilung der magmatischen Gesteinen: - Gefüge - Mineralgehalt Abkühlungsgeschwindigkeit bestimmt das Gefüge: - langsame Abkühlung: Instrusivgestein / Tiefengestein / Plutonite In Tiefen von 8-10 km! Temperatur noch hoch, Magma kühlt nur langsam ab. Mineralien haben lange Zeit um zu kristallisieren! makrokristallines Gefüge " Granit - schnelle Abkühlung: Effusivgestein / Ergussgestein / Vulkanite Gesteinschmelze läuft aus und erstarrt zu Vulkaniten. Temperaturschock der mehrere hundert Grad heissen Gesteinschmelze durch Kontakt mit Atmosphäre, Erdoberfläche, Meerwasser! Abschreckung! es können keine Kristalle entstehen! mikrokristalline oder glasige Gefüge " Basalt (mikrokristallin); Obsidian (amorph) Bimssteine: Gase bleiben im rasch aufsteigenden Magma gefangen! Poröses Gestein. Porphyr: Bereits im Erstarrungsprozess befindliches Magma wird plötzlich abgekühlt! Kristalle in feinkörnige bis glasige Masse eingebettet. Chemismus bestimmt den Mineralgehalt: - Kieselsäuregehalt (SiO 2 ) o helle Mineralien: sauer (Quarz, Feldspat) o dunkle Mineralien: basisch Plutonische Gesteinsreihe - langsames Erstarren in der Tiefe! grobkörniges Mineralgefüge o o Granit: 70% SiO 2 -Gehalt! sauer # Feldspat, Quarz und Glimmer, die vergess ich nimmer! Diorit, Gabbro! basisch Vulkanische Gesteinsreihe - Lava tritt aus Vulkankrater aus und kühlt schnell ab! mikrokristallines oder amorphes Mineralgefüge o o Rhyolith! sauer Basalt! basisch Ganggesteine In Gesteinen mit klar ersichtlicher Schichtung, Lagergänge parallel zur Schichtung - Lagergänge: horizontal - Gesteinsgänge: vertikal Ganggesteine haben meist porphyrische Struktur und enthalten manchmal Erzgänge.

4 Magmatische Gesteine und Plattentektonik Spreadingzonen: An Spreadingzonen sammeln sich in Magmakammern basaltische (basische, kieselsäurearm) Gesteinsschmelzen, welche sich periodisch entleeren und zu ozeanischer Kruste erstarren. Subduktionszonen: An Subduktionszonen werden auch Sedimente und teilweise gar kontinentales Krustenmaterial subduziert. Die in der Tiefe freigesetzten Fluide wie Wasser und CO 2 senken die Schmelztemperatur der Gesteine und beim Aufstieg durch kontinentale Kruste können sich die Magmen mit Kieselsäuren anreichern. An Subduktionszonen entstehen eher saure Plutonite und meist explosiver Vulkanismus. Sedimentgesteine Entstehung: - Verwitterung und Erosion: Zerstörung der Gesteine an der Erdoberfläche. Physikalische Verwitterung: Zerkleinerung; chemische Verwitterung: Veränderung oder Auflösung Erosion: Zuzüglich zur Verwitterung, Transport durch Wasser, Eis, Wind, Schwerkraft - Transport und Ablagerung - Diagenese: alle Veränderungen der Sedimentgesteine nach der Ablagerung bis zur Freilegung oder Umwandlung. Kompaktion: durch das Gewicht der überlagernden Schichten, Zementation: Verkittung der Sedimentpartikel. Charakteristika: - Schichtungen, Gradierungen, Fossilien, Ablagerungsstrukturen. Einteilung der Sedimentgesteine Klastische Gesteine: - Grobklastische: Gesteinsbruchstücke > 2mm. Eckig: Brekzie; rund: Konglomerat, Nagelfluh - Mittelkörnige Klastika: Sandsteine - Feinklastische Steine: Silt- und Tonstein

5 Chemische und biogene Sedimente: - chemische Sedimente entstehen durch Übersättigung und Ausfällung: Infolge der ständigen Anreicherung von Gewässern mit Ionen oder durch die Veränderung der physikalischen Bedingungen im Gewässer. - biogene Sedimente entstehen aus Überresten von Lebewesen - Karbonatgesteine: Kalksteine (weiss über rötlich, grünlich bis schwarz), entstehen in küstennahen Meeren und Seen, enthalten von Auge erkennbare glänzende Kalkspatplättchen. - biogener Kalkstein: aus Lebewesen mit Kalkschalen o spätige Kalke: entstehen im Riffbereich (Schelfmeer) aus Schalentrümmer von Muscheln, Korallen usw. o mikritische Kalke: tiefere Meeresbereiche (Tiefsee), aus Foraminiferen - Sinterbildung: Ausfällung von Kalziumkarbonat; entweder ganze Sinterterrassen oder Adern eines Gesteines. - Mergel: Mischgestein von Kalk- und Tonstein - Dolomit: entsteht diagenetisch aus Kalksedimenten in flachen Meeresbuchten. Magnesium-Ionen aus dem Meerwasser ersetzt Kalzium-Ionen aus Kalksedimente. - Evaporite: Gips, Anhydrit, Steinsalz: entstehen durch Verdunstung von Wasser. Entsprechend ihrer Löslichkeit werden aus dem übersättigten Gewässer der Reihe nach Karbonat, Gips/Anhydrit, Steinsalz und Abraumsalz ausgeschieden. - Hornstein: aus Diatomeen (Strahlentierchen in arktischen und antarktischen Ozeanen) und Radiolarien (tropische Gewässer). Bildet sich hauptsächlich in der Tiefsee (ab 4000 m) Fossile Energierohstoffe - Kohle: entsteht in kontinentalen Feuchtgebieten aus abgestorbenem Pflanzenmaterial! anaerob. Zunehmender Inkohlungsprozess (C-Gehalt nimmt zu): Torf, Braunkohle, Steinkohle, Anthrazit - Erdöl: in Schelfmeere. Kleine organische Partikel sedimentieren; steigender Druck und Temperatur! Bildung von Kohlenwasserstoff - Erdgas: Gemeinsame Entstehung mit Erdöl und beim Inkohlungsprozess Fazies! Aussehen und Merkmale, welche die Unterscheidung von Sedimentgesteinen erlauben - Hochgebirge: Physikalische Verwitterung! Brekzien durch Diagenese - Gebirgsbäche: kurzer Wassertransport! Brekzien; längerer Transport und ev. Mündung in Gebirgssee! Sand-, Silt-, Tonstein - Gletscher: schieben das Gesteinsmaterial als Moräne vor sich her! vorwiegend Brekzien. Das vom Gletscher abgeriebene Gesteinsmehl wird vom Wind weggetragen und als Löss abgelagert! daraus: Silt-, Tonsteine - Gletscherbach (heftig sprudelnd)!konglomerate und Sandsteine - Flüsse: Komponenten mit wachsender Transportdistanz immer kleiner. Brekzien, Konglomerate, Sandstein, Silt-, Tonsteine. Oft auch Einlagerung von organischem Material! Torf- und Kohlebildung. - Deltabereich! Konglomerate, Sandstein, Silt-, Tonsteine - Seen! Silt-, Tonsteine; in karbonatreichen Gewässern! Kalkstein und Mergel; in warmtrockenen Klimazonen! Evaporite - Wüste: bei Winderosion! Sandstein, Tonsteine; nach Regenfällen! Brekzien; nach Verdunstung des Wassers! Evaporite - Meeresküsten: durch Brandung! Konglomerate, Sandstein; bei vollständiger Austrocknung! Kalkstein, Dolomit, Gips, Steinsalz - Schelfbereich: Schwebstoffe der Flüsse setzen sich ab! Silt-, Tonsteine; Spatkalke - Kontinentalabhang: Übergang von Schelfmeer zu Tiefsee! Kalke, Silt-, Tonsteine; untermeerische Rutschungen durch Erdbeben! Brekzien - Tiefsee: Kalksedimente! Mergel, Tonsteine; in polaren Tiefseegebieten! Hornsteine

6 Metamorphe Gesteine (Umwandlungsgesteine) Mineralbestand und Gefüge von Gesteinen können durch erhöhte Druck- und Temperaturbedingungen verändert werden. Diese Gesteinsumwandlungen werden als Metamorphose bezeichnet. Der Metamorphosegrad bezeichnet deren Intensität. Viele metamorphe Gesteine weisen eine Schieferung und Stoffbänderung auf. (Abb. Gneis) Die Metamorphose wird durch Temperatur, die allseitig und gerichteten Drücke sowie durch chemische Einflüsse gesteuert. Die chemischen Reaktionen von hydrothermalen Lösungen mit dem Nebengestein führten zur Bildung vieler wichtiger Erzlagerstätten. Metamorphoseformen - Regionalmetamorphose: entsteht durch plattentektonische Bewegungen bei der Subduktion von ozeanischer Kruste und Kollision zweier kontinentalen Platten. - Kontaktmetamorphose: Gesteine in Kontakt mit Intrusion (Erstarrtes Magma in Kruste)! je näher an Intrusion desto höher metamorph, da Temperatur höher ist. - Hydrometamorphose: Hauptsächlich an Spreading-Zonen; Meerwasser tritt in heisse Basalte und wird erwärmt! chemische Reaktionstätigkeit nimmt zu, chemische Zusammensetzung der Basalte ändert sich. - Versenkungsmetamorphose: Überdeckung mit Sedimenten! Druck und Temperatur nehmen zu; Gesteinsveränderung jedoch weniger intensiv! Schichtung und Sedimentstruktur bleiben erhalten. Metamorphe Gesteinstypen - Verschieferte Gesteine: Tonschiefer, Glimmerschiefer, Gneise - Unverschieferte Gesteine: Marmor, Quarzite Kreislauf der Gesteine

7 Einteilung der Gesteine Magmatische Gesteine (Erstarrungsgesteine) Grobkristalline Plutonite (Intrusiva, Tiefengesteine) saure Plutonite basische Plutonite Ganggesteine Feinkristalline und glasige Vulkanite (Effusiva, Ergussgestein) saure Vulkanite basische Vulkanite vulkanische Gläser aufgeschäumte vulkanische Gläser Granit Gabbro Porphyr Rhyolit Basalt Obsidian Bimsstein Sedimentgesteine (Ablagerungsgesteine) Klastische (mechanische) Sedimentgesteine Grobkörnige (>2mm) eckige Komponenten runde Komponenten mittelkörnig ( mm) feinkörnig (<0.063 mm) Chemische und biogene Sedimentgesteine Karbonate Kalziumkarbonat - grobkörnig - feinkörnig Kalzium-Magnesiumkarbonat Evaporite Sulfate weitere Salze Kieselgesteine Kohlenwasserstoffe Feste Kohlenwasserstoffe flüssige Kohlenwasserstoffe gasförmige Kohlenwasserstoffe Brekzie Konglomerat (Nagelfluh) Sandstein Silt- und Tonstein Spatkalk Mikritkalk Dolomit Gips und Anhydrit Steinsalz, Abraumsalz Hornstein (Silex, Feuerstein) Braun- und Steinkohle, Anthrazit Erdöl Erdgas Metamorphe Gesteine (Umwandlungsgesteine) Verschieferte Gesteine schwach metamorph mittelgradig metamorph hoch metamorph Unverschieferte Gesteine Ausgangsgestein Kalk oder Dolomit Ausgangsgestein quarzreicher Sandstein Ausgangsgestein basischer Vulkanit Tonschiefer Glimmerschiefer Gneis Marmor Quarzit Grünsteine

8 Mineral Härte Dicht g/cm3 Farbe Spezielles Muskowit 2,5 (Taschenmesser) farblos - weiss silbriger Perlmuttglanz, sehr gute Spaltbarkeit entlang der Glimmerlagen Biotit 2.5 (Taschenmesser) dunkelbraun - schwarz bronzefarbiger Schimmer im Sonnenlicht, sehr gute Spaltbarkeit entlang der Glimmerlagen Quarz 7 (ritzt Fensterglas) 2,65 farblos - grau (rosa, violett) schlechte Spaltbarkeit, unregelmässiger Bruch Feldspat 6 (ritzt Fensterglas) hell (farblos, weiss, grau, rötlich, grünlich gute Spaltbarkeit in zwei Richtungen Kalzit 3 (Taschenmesser) farblos, weisslich - grau (gelblich, rötlich, bräunlich) Hämatit 5,5-6,5 (Fensterglas) stahlgrau - eisenschwarz, rotviolett oft glatte, rhomboedrische Bruchflächen erkennbar, gute Spaltbarkeit in allen Richtungen, reagiert mit 10%iger Salzsäure metallischer Eisenglanz oder rotviolette Masse, kirschrote - rotbraune Strichfarbe Magnetit 5.5 (Fensterglas) 5.2 dunkelviolett - schwarz schwarze Strichfarbe, magnetisch Pyrit 6 (Fensterglas) 5 goldig metallisch glänzend (Katzengold), oft als Pyritwürfel kristallisiert, grünlich-graue Strichfarbe Gips 2 (Fingernagel) 2.3 farblos, weiss, grau, rötlich gute Spaltbarkeit und Perlmuttglanz der Gipskristalle, meist als körnige, dichte oder faserige Masse, spröde Steinsalz 2 (Fingernagel) Gold (Taschenmesser) farblos, weiss (rötlich, gelb, grau, blau) salzig, in würfelförmigen Kristallen, gute Spaltbarkeit goldig hohes spezifisches Gewicht, weich Diamant 10 (härtestes Mineral) 3.5 farblos, klar, trüb grau bis schwarz extrem hart Graphit 1 (Fingernagel) 2.2 schwarz Schwefel 1,5-2 (Fingernagel) 2,1 zitronengelb bis gelbbraun Metallglanz, schwarze Strichfarbe, auf Papier schwarz abfärbend spröde, in körnigen und dichten Massen, selten in Kristallform