Der Kreislauf der Gesteine

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1 Der Kreislauf der Gesteine Magmatische Gesteine und Sedimentgesteine Die Erde besteht aus Schalen mit unterschiedlichen Eigenschaften. Schon immer hat die Menschen interessiert, was sich im Innersten der Erde befindet. Man weiß nichts Genaues darüber. Der tiefste Bergwerkschacht der Welt ist weniger als 4 km tief, und keine Bohrung ist bislang tiefer als 12 km vorgedrungen. Doch die Entfernung von der Oberfläche bis zum Erdmittelpunkt beträgt 6370 km. Man kann auf indirekte Weise herausfinden, was sich im Innersten der Erde befindet, vor allem durch die von Erdbeben ausgelösten Schwingungen. Dabei wurden drei Hauptzonen des Erdinneren entdeckt: die Kruste, der Mantel und der Kern. Ganz außen ist die Kruste. Unter den Kontinenten der Erde ist die kontinentale Kruste und unter den Ozeanen die ozeanische Kruste. Die Erdkruste ist eine dünne, harte Schicht. Die kontinentale Kruste ist zwischen 25 und 90 km dick und einige Gesteine sind 3,8 Milliarden Jahre alt. Die ozeanische Kruste ist dünner und jünger als die kontinentale. An manchen Stellen ist sie weniger als 6 km dick, und das Gestein ist jünger als 200 Millionen Jahre. Auf die Kruste folgt der Mantel. Er besteht aus heißem Magma, das 1000 C heiß ist. In diesem Magma schwimmen Minerale. Ähnlich wie in einer Suppe mit Gemüsestückchen. Wenn die Suppe auf dem Herd gekocht wird, sprudelt sie und die leichten Gemüsestückchen schwimmen oben, die schwereren schwimmen in der Mitte vom Topf und ganz schwere Stückchen bleiben am Boden. Die Minerale in dem Magma verhalten sich wie die verschiedenen Gemüsestückchen in der Suppe, die leichten schwimmen nach oben, die mittelschweren bleiben in der Mitte und die ganz schweren bleiben unten. Auf den Mantel folgt der Kern, es gibt einen äußeren und einen inneren Erdkern. Der äußere Erdkern ist sehr heiß, 3200 C und ständig geschmolzen. Der innere Erdkern ist noch heißer, es herrschen Temperaturen von 5000 C. Dieser Teil der Erde ist eine feste Kugel, da der Druck durch den äußeren Kern, den Erdmantel und die Erdkruste so hoch ist, dass das Material auch bei dieser hohen Temperatur nicht schmilzt. 1

2 Aufbau der Erde Die meisten Prozesse, die unseren Planeten gestalten, laufen so langsam und behutsam ab, dass wir sie kaum wahrnehmen. Und dann wieder demonstriert die Erde ihre wahre Kraft ganz plötzlich und erschreckend bei gewaltigen Erdbeben, die selbst die stärksten Gebäude zum Einsturz bringen, oder bei Vulkanausbrüchen, die in gigantischen Explosionen Bäche geschmolzenen Gesteins und riesige Gasund Aschewolken ausstoßen. Magmatische Gesteine Bei einem dieser langsamen und behutsamen Prozesse steigt das Magma des Erdmantels auf in Richtung Erdkruste. Je näher das Magma an die Erdkruste gelangt, umso kälter wird es und der Gesteinsbrei kühlt langsam ab. Dieser Vorgang dauert mehrere tausend Jahre. Es entstehen Minerale und diese Minerale bilden ein Gestein, das wir GRANIT nennen. 2

3 Das Magma steigt in Richtung Erdkruste Granit Besteht aus Feldspat, Quarz und Glimmer Der Granit besteht aus 3 verschiedenen Mineralen: - einem rosafarbigen, undurchsichtigen Mineral = FELDSPAT - einem weißen, durchsichtigen Mineral = QUARZ - einem schwarzen, stark glänzenden Mineral = GLIMMER Bei einem dieser plötzlichen und erschreckenden Prozesse staut sich das heiße Magma lange unter der Erdkruste auf und bricht dann ganz plötzlich als Vulkan aus der Erde heraus. 3

4 Vulkanausbruch mit Asche Vulkanausbruch mit Lava Wird die Lava dabei durch die Luft geschleudert, werden viele kleine Luftbläschen eingeschlossen. Es entsteht ein sehr leichtes Gestein, der BIMS. Diese Steine schwimmen auf dem Wasser und haben meistens eine weißliche bis graue Farbe. Fließt die Lava als rot glühender Strom aus dem Vulkan und kühlt sich langsam ab, entsteht der BASALT. Dieses Gestein ist schwarz, ziemlich schwer und hat eine sehr raue Oberfläche. Diese Art Vulkanausbruch gibt es an Land und unter Wasser. Lava an Land Lava unter Wasser 4

5 Experimente zum Thema: Experiment: Gasexplosion Bei diesem Experiment sollte ein Erwachsener dabei sein! Sprudelgetränke enthalten ein Gas Kohlendioxid Gemisch, das unsichtbar ist, solange die Flasche verschlossen ist. Infolge des Drucks in der Flasche ist das Gas gelöst, so dass sich keine Blasen bilden. Nichts anderes ist es beim Magma in der Erdkruste: Kohlendioxid und andere Gase bleiben wegen des hohen Drucks im geschmolzenen Gestein gelöst. Mit einer Plastikflasche voller Sprudel könnt ihr demonstrieren, was passiert, wenn Magma aufsteigt und der Druck abfällt. IHR BRAUCHT: - Plastikflasche mit Sprudel - Lebensmittelfarbe 1. Wenn ihr den Deckel ein wenig aufschraubt, um den Druck zu verringern, steigen Blasen auf. Schließt den Deckel, und sie verschwinden. 2. Entfernt neuerlich den Deckel, und gebt etwas Lebensmittelfarbe ins Wasser. Damit könnt ihr die Blasen leichter sehen. 3. Schraubt den Deckel fest, und schüttelt die Flasche leicht. Dadurch wird eine Menge Gas frei. 4. Schraubt den Deckel ein wenig auf, und haltet die Flasche von eurem Gesicht weg. Das sprudelnde Magma bricht aus der Flasche aus, wenn der Druck plötzlich fällt. Die Menge des im Magma gelösten Gases hängt vor allem vom Druck ab. Wenn Magma zur Oberfläche aufsteigt, fällt der Druck, so dass es weniger Gas halten kann. Das freigesetzte Gas bildet Blasen, die zunächst klein sind, wenn der Druck noch groß ist. Wenn er aber weiter fällt, dehnen sich die Blasen aus, bis das Magma aufschäumt und unter heftigen Explosionen ausfließt. 5

6 Experiment: Lava fließt Es gibt viele verschiedene Arten von Lava. Einige sind so zäh, dass sie kaum noch fließen, andere so flüssig, dass sie große Strecken mit bis zu 100 km/h zurücklegen. Silikatreiche (saure) Laven sind zäher als nichtsaure, die nach dem Abkühlen Basaltgestein bilden. Dieses Experiment zeigt, wie verschiedene Flüssigkeiten oder Laven fließen. Dazu müsst ihr jede Flüssigkeit etwa 10 cm über dem Teller sacht ausgießen und beobachten, wie sie sich frei darauf ausbreitet. Wenn ihr die Flüssigkeiten in einem Wasserbad erwärmt, ändert sich der Fluss auch mit der Temperatur. Schließlich seht ihr noch, was passiert, wenn flüssige Lava Feststoffteilchen enthält. IHR BRAUCHT - Gläser - Wasser - Sand - Löffel - Stoppuhr - Tablett - Notizblock - Bleistift - Teller und Schüssel - Zähe Flüssigkeiten Selbstgebraute Lava Ihr braucht im Haushalt übliche Flüssigkeiten wie Sirup, Honig, Spülmittel und Shampoo. Sie sind wie Lava unterschiedlich dick, was sich mit der Temperatur ändern kann. 1. Stoppt zuerst die Ausbreitung der dünneren Flüssigkeiten. Erwärmt sie im Wasserbad, und vergleicht die Zeiten. 2. Wiederholt das Experiment mit einer sehr zähen Flüssigkeit wie Sirup. Er hat eine hohe Viskosität. 3. Vermischt den Sirup mit dem Sand. Dadurch wird er so zäh, dass er kaum noch fließen kann. 4. Gießt die Mischung aus und stoppt, wie lange sie zum Ausbreiten braucht. Wodurch unterscheidet sich ihre Form von der der dünnsten Flüssigkeiten? 6

7 Sedimentgestein Die Erdkruste besteht großenteils aus Magmagesteinen, aber selbst diese Gesteine sind nicht für immer unverrückbar. Wenn Gestein Sonne, Luft und Regen ausgesetzt ist, beginnt es sich allmählich zu verändern. Im Laufe von Jahrtausenden kann dadurch aus dem härtesten Granit weicher klebriger Ton werden. Manchmal zerfällt Gestein durch chemische Reaktionen zwischen ihm und der Luft, oder weil Wasser darauf tröpfelt. Ein anderer Grund sind die Auswirkungen von Wärme und Kälte und anderen Umweltbedingungen. Wenn der Regen auf die Erde fällt, versickert ein großer Teil in der Erde, der andere Teil fließt auf der Erdoberfläche ab und transportiert Sand, Ton und andere Bodenbestandteil in die Bäche und Flüsse und diese fließen in die Meere. Bei diesem Vorgang wird der Boden über unserer Granitkugel forttransportiert und die Granitkugel kommt zum Vorschein. Wenn die Sedimentpartikel mit den Flüssen ins Meer gelangt sind, lagern sie sich dort auf dem Meeresboden ab. Aber nicht nur diese Partikel sinken auf den Meersboden, auch die Reste von Pflanzen und Tierschalen oder Skeletten fallen langsam durch das Wasser und schichten sich übereinander. Die ältesten Teile liegen ganz unten und die jüngsten Teile liegen ganz oben. Nach vielen Jahrmillionen, in denen sie zusammengepresst werden, entstehen Sedimentgesteine. 7

8 In Bremen sind ganz viele Gebäude in der Stadt aus so einem Sandstein gebaut. Der Stein heißt der Bremer Stein. Das Rathaus, der Roland, die Bremer Bank und Karstadt sind daraus gebaut worden. 8

9 DER BREMER STEIN Die Tierreste, die in manchen dieser Sedimentgesteine enthalten sind, sind Muscheln, Schnecken, Foraminiferen und Ammoniten. Muscheln und Schnecken kennt jeder, Muscheln haben 2 gleiche Klappen und werden am Schloss zusammengehalten. Schnecken haben 1 Gehäuse und sind oft wie eine Spirale aufgerollt. Foraminiferen sind ganz winzig kleine Tiere. Ihre Schale passt durch ein Nadelöhr, sie leben nur im Meer. Ammoniten haben vor vielen Jahrmillionen in den Urmeeren der Erde gelebt, sie hatten eine aufgerollte Schale. Heute lebt nur noch der Nautilus in unseren Meeren, er ist mit den Ammoniten verwandt. 9

10 MUSCHELN SCHNECKEN AMMONITEN FORAMINIFEREN NAUTILUS Alle Schalen dieser Tiere bestehen aus Kalk. Die Gesteine, die entstehen, wenn diese Schalen auf den Meeresboden sinken und dort ein Sedimentgestein bilden, sehen häufig genauso aus wie ein Sandstein, der aus ganz kleinen Quarzkörner besteht. Um zu unterscheiden, ob ein Sedimentgestein aus Quarz oder aus Kalk besteht, gibt es einen einfachen Test. Mann nimmt eine kleine Tropfflasche mit 3%iger Salzsäure und tropft einige Tropfen Salzsäure auf die Sedimentgesteine. 10

11 Besteht das Gestein aus Quarzkörnern, passiert nichts. Besteht das Gestein aber aus Schalenresten, also aus Kalk, fängt der Tropfen an zu brausen und es entstehen Blasen, weil die Salzsäure den Kalk auflöst und dabei Kohlensäure entsteht. Es sprudelt also wie bei einer Sprudelflasche. Kalknachweis mit 3%iger Salzsäure Experimente zum Thema Experiment: Erosion durch Regen Bei kurzen, heftigen Regenfällen prallen die Regentropfen auf weichen Boden mit geringer oder keiner Vegetation so heftig auf, dass sie Erdkrumen oder lose Gesteinsteile lösen. Im folgenden Experiment könnt ihr diese Niederschlagserosion beobachten aber auch, wie eine härtere Gesteinsschicht das Material darunter schützt. 11

12 IHR BRAUCHT: - Plastikschale - Sand - Münzen 1. Legt in der Schale einen Sandhaufen an und legt ein paar Münzen darauf. Stellt die Schale ins Freie, wo sie dem Regen ausgesetzt ist. 2. Der Regen wird den Sand allmählich abtragen. Unter den Münzen erodiert er langsamer, so dass hier Säulen stehen bleiben. Experiment: Sedimentgestein ansetzen Wird loses Sediment in festes Gestein umgewandelt, nennt man diesen Vorgang Diagenese ; er dauert Jahrmillionen. Ihr aber könnt Schichten von Sedimentgestein aus Sand, Lebensmittelfarbe und Spachtelmasse in ein paar Tagen ansetzen. Die Spachtelmasse zementiert die Sandkörnchen zusammen wie Mineralien, wie Kalzit, es in richtigem Gestein auch machen. Ihr könnt sogar eine fossile Muschel zwischen die Schichten geben. IHR BRAUCHT: - Sand - Löffel - Lebensmittelfarben - Spachtelmasse - Plastikflasche - Muscheln - Schere - Schüssel - Vaseline 12

13 1. Vermischt die Farben mit feuchtem Sand und Spachtelmasse (1 Teil Sand und 1 Teil Spachtelmasse). Gebt alles schichtweise in die abgeschnittene Plastikflasche, mit den Vaseline-eingefetteten Muscheln. 2. Lasst euer Gestein ein paar Tage aushärten. Schneidet nun die Flasche vorsichtig weg. 3. Ihr könnt die Schichten auch aufbrechen und die fossilen Muscheln samt ihrem Abdruck freilegen. Experiment: Salzgestein Löst eine größere Menge Tafelsalz in Wasser auf, schüttet es auf einen Teller und stellt das ganze an einen warmen Ort das Wasser wird schnell verdunsten und eine Salzkruste auf dem Teller zurücklassen. Versucht es auch mit destilliertem Wasser und vergleicht die Ergebnisse. Auf die gleiche Weise müssen einst Seen und Meere bei sehr trockenem Klima verdunstet sein und riesige Salzlager hinterlassen haben, wie das Steinsalz, das heute industriell gefördert wird. Metamorphe Gesteine Die dritte Hauptgesteinsart umfasst die umgewandelten Gesteine. Die Mineralien der Ergussgesteine (magmatische Gesteine) oder der Sedimentgesteine sind zwar recht beständig, aber unter besonderen Umständen, z.b. unter extremen Druck- und Temperaturverhältnissen, können sie sich verändern und umkristallisieren. Das dabei entstehende Gestein wird als metamorphes Gestein bezeichnet. Es gibt zwei Arten von metamorphen Gesteinen: - Regionalmetamorphe Gesteine, bei denen die Verwandlung mehr auf Druck als auf hohe Temperaturen zurückzuführen ist. Sie sind in der Tiefe unter Gebirgsketten anzutreffen. Aus ihnen bestehen vermutlich auch die unteren Bereiche der Erdkruste. Unterschiedlicher Druck führt auch zu verschieden stark veränderten Gesteinen. 13

14 - Leichter Druck verändert ein Gestein nur wenig und unterscheidet sich nur vom Ausgangsgestein darin, dass die Mineralien in einer anderen Richtung angeordnet sind. Schiefer ist ein typisches Beispiel einer schwachen Metamorphose. - Bei sehr hohem Druck wird der mineralische Aufbau des Gesteins völlig verändert, es entstehen völlig andere Mineralien, die sich in einzelnen Lagen anordnen und dann unter starkem Druck häufig gefaltet und gestaucht werden. Gneis ist ein typisches Beispiel für eine solche Veränderung. - Kontaktmetamorphe Gesteine, bei denen die Verwandlung mehr auf hohe Temperaturen zurückzuführen sind, gehören der zweiten Art von metamorphen Gesteinen an. Meist sind sie am Rand eingedrungener (intrusiver) Erstarrungsgesteine anzutreffen, wo die Hitze der abgekühlten Masse das angrenzende Gestein aufkochte. Dadurch entsteht ein Kontakthof um das Erstarrungsgestein herum, der einige Zentimeter breit ist. Kontaktmetamorphe Gesteine weisen keine innere Struktur auf und können leicht als Erstarrungsgesteine missgedeutet werden. Typische Vertreter sind aus Sandstein umkristallisierter Quarzit und aus Kalkstein entstandener Marmor. Beispiele für Gneis, Marmor und Quarzit 14

15 Plattentektonik Ursache für die dynamisch gesteuerten Veränderungen bei den metamorphen Gesteinen, ist die Tatsache, dass die Erde nicht reglos ist. Die Oberfläche unterliegt einem ständigen Wandel. Unaufhörlich wirkende Kräfte bewirken die langsame Entstehung von neuen Gebirgen und die ebenso langsame Abtragung dieser Gebirge. Wenn man eine Suppe kocht, bildet sich Schaum, der sich infolge der in der Flüssigkeit herrschenden Konvektionsströme an der Oberfläche bewegt. Etwas Ähnliches geschieht auch an der Erdoberfläche. Die Erdkruste wird unablässig zerstört und wieder erneuert, das gilt nicht nur für das Gestein der Kontinente, sondern für die gesamte äußere Schale. Entlang der die Oberfläche bildenden Platten quillt glutflüssiges Gesteinsmaterial empor, das fest wird und sich so in neues Plattenmaterial verwandelt. Dieses neue Plattenmaterial bewegt sich immer weiter vom Plattenrand fort und wird schließlich beim Abgleiten in die tieferen Bereiche der Erdkruste wieder zerstört. Diese Vorgänge finden am Meeresboden statt, quer durch die Ozeane erstreckt sich ein System von untermeerischen Vulkanketten und tiefen Gräben, in denen das Oberflächenmaterial nach unten gezogen und zerstört wird. Die Kontinente sind auf diese beweglichen Platten eingebettet und ändern auf Grund dieser Bewegung (Drift) stetig ihre Lage. 15

16 Lage der Kontinente durch die Erdzeitalter 16

17 Schematische Darstellung der Plattenbewegung 17