Danke an guego fürs Zeigen dieses interessanten Ortes und die daraus entstandene Earthcache-Idee sowie an die Mondschnecke fürs geduldige Beantworten meiner Fragen und deine Hilfe!
Das Säulenforum befindet sich direkt vor dem Helmholtz- Zentrum Potsdam, dem Deutschen GeoForschungsZentrum. In Form eines Kunstwerkes repräsentieren die 12 Säulen Gesteinsarten von fünf Kontinenten und stehen für die weltweiten Aktivitäten des GFZ. Die überwiegende Anzahl der Säulen besteht aus magmatischen Gesteinen mit unterschiedlichen Strukturen. Den symbolischen Charakter des Säulenforums erklärt euch die Infotafel vor Ort. Mit der Entstehung der Magmatite und den daraus resultierenden Merkmalen der Gesteine beschäftigt sich dieser Earthcache.
Magmatische Gesteine entstehen aus Magma oder Lava. Aber wusstet Ihr, dass Lava nicht gleich Magma ist? Oft benutzen wir die Begriffe gleichbedeutend. Tatsächlich gibt es aber eine Differenzierung und dadurch auch eine Unterteilung der Magmatite.
Magma entsteht im Erdinneren, wo Hitze und Druck sehr hoch sind. Es bezeichnet eine glutflüssige Gesteinsschmelze im Erdmantel und in der Erdkruste, die bis zu 1200 Grad heiß sein kann. Darin sind vor allem Kieselsäure, Gase und Kristalle enthalten. Während des Vulkanausbruchs, beim Aufsteigen und Ausströmen, verändert sich der Stoffbestand des Magmas.
Im Moment, in dem Sie freigesetzt wird, handelt es sich um Lava. Das Magma verliert dabei seine gasförmigen Bestandteile, da eingeschlossene Gase in die Luft entweichen können, sowie Wasser. Dies geschieht durch eine Druckentlastung. Lava ist somit die gasfreie Restschmelze des Magmas. Vereinfacht, im Inneren des Vulkans findet man Magma, sobald es austritt wird dies zu Lava. Etwas haben die beiden jedoch gemeinsam, beides sind Arten von Gesteinschmelze. Sie ist die Grundlage der hier beschriebenen Gesteine.
Magmatite oder magmatische Gesteine entstehen bei der Abkühlung von Gesteinsschmelze, also geschmolzenem Gestein. Die heiße, flüssige Schmelze kühlt ab, wird dabei fest und kristallisiert.
Dabei können die magmatischen Gesteine auf zwei verschiedene Arten "geboren" werden. Kühlt die Gesteinsschmelze noch im Erdinneren, also als Magma ab, dann entstehen Plutonite oder auch Tiefengesteine genannt. Wenn durch Vulkane an die Erdoberfläche gebrachte Lava abkühlt, dann bilden sich Vulkanite oder auch Ergusssteine genannt.
Damit kommen wir zur Unterteilung der Magmatite:
Die magmatischen Gesteine werden somit nach dem Ort ihrer Entstehung unterteilt. Ihre Namen verdanken sie den Göttern. Ob die Abkühlung und Erstarrung der Gesteinsschmelze ober- oder unterirdisch erfolgt, hat einen deutlichen Einfluss auf die Kristallisation und die Textur, also die Zusammensetzung und Anordnung der Mineralkörner, des entstehenden Gesteins.
Plutonite (nach Pluton, dem griechischen Gott der Unterwelt) sind also Magmatite, welche innerhalb der Erdkruste, meist in einer Tiefe von mehr als 5000 Metern in sogenannten Magmakammern, entstehen. Die Abkühlung und Kristallisation geschehen im Erdinneren sehr langsam, so dass die Kristalle genügend Zeit für ihr "Wachstum" haben. Für ihre Entstehung brauchen sie meist 10-15 Millionen Jahre. Die Struktur der Plutonite ist demzufolge mittel- bis grobkörnig mit gut sichtbaren Einzelkristallen der verschiedenen enthaltenen Mineralien. Bekannte Vertreter sind Granit, Diorit und Syenit.
Ganggesteine (Subvulkanite) bilden sich in einer Tiefe von 0 bis 5000 Metern und erkalten im Wesentlichen schneller als Tiefengestein. Das aus der Tiefe aufsteigende Magma bleibt in den Aufstiegskanälen und Gängen eines Vulkans stecken und zeigt Merkmale von Tiefengestein und Ergussgestein.
Vulkanite (nach Vulcanus, dem römischen Gott des Feuers) oder Ergussgesteine sind dagegen jene Magmatite, welche bei der Erstarrung von Lava, also durch Vulkanismus an der Erdoberfläche ausgetretenes Magma, entstehen. Sie kristallisieren sehr viel schneller. Infolge der raschen Erstarrung sind sie oftmals sehr feinkörnig oder sogar glasig. Den Kristallen bleibt nur wenig Zeit zum Wachstum. Für viele Vulkanite ist ein porphyrisches Gefüge charakteristisch, doch dazu später mehr. Bekannte Vertreter sind Basalt und Andesit.
Aber warum kann ein einziges Magma unterschiedliche Plutonite und Vulkanite hervorbringen?
Wird ein durchschnittliches Gestein erhitzt, so verhält es sich nicht wie ein Stück Eis, das einfach schmilzt und seine Form verliert. Gesteine schmelzen etappenweise, denn ihre verschiedenen enthaltenen Mineralien haben unterschiedliche Schmelzpunkte.
Die Gesteinsschmelze und Auskristallisation eines Magmas oder einer Lava geschieht jedoch immer in einer ganz bestimmten Reihenfolge. Diese ist abhängig von der Temperatur, unter der sich die verschiedenen Minerale bei der Abkühlung des Magmas bilden. Die Kristallisationsreihe, also die stufenweise Bildung von Mineralien wird Bowensche Reaktionsreihe genannt, nach dem Wissenschaftler, der sie erstmals nachweisen konnte. Stark vereinfacht besagt diese Folgendes: Mineralien haben unterschiedliche Schmelzpunkte. Die Kristallisation erfolgt in der umgekehrten Reihenfolge, das heißt: Die Bestandteile, die zuerst geschmolzen sind, kristallisieren bei Abkühlung zuletzt. Kühlen nun die Mineralien mit den höchsten Schmelzpunkten zuerst ab und kristallisieren, dann entziehen sie dem Magma Elemente. So bleiben nur bestimmte Elemente übrig, welche sich dann wiederum nur zu bestimmten anderen Mineralien verbinden können. Jedes Mal, wenn sich Elemente zu Mineralien verbinden, und damit dem Magma entzogen werden, ändert sich demzufolge die Mineralzusammensetzung des Magmas. Dies nennt man fraktionierte Kristallisation.
Auch wenn sich ein Magma mit einem anderen Magma, das sich in einem anderen Stadium befindet, vermischt, kann sich die Zusammensetzung verändern. Vermischung geschieht beispielsweise, wenn Magma durch umgebendes Gestein aufsteigt, auf ein anderes Magma trifft und in dieses eindringt. Erst an der Erdoberfläche, in Form von Lava, ändert sich die Zusammensetzung der Gesteinsschmelze nicht mehr. Jedoch kann, abhängig von der Abkühlungsgeschwindigkeit, die Größe der sich bildenden Kristalle noch variieren.
Abb.: cms.fu-berlin.de
Der Ausgangspunkt des abkühlenden Magmas ist jedoch nicht immer das vollstängig aufgeschmolzene Gesteinsmaterial, aus dem sich die Minerale, ihren verschiedenen Schmelzpunkten folgend, nach der Bowenschen Reaktionsreihe herausbilden. In der Realität verläuft dieser Prozess nicht immer so ordentlich. Bei der Bildung des Magmas schmelzen zuerst die hellen Mineralien mit einem hohen Kieselsäureanteil, wie Feldspat und Quarz. Das Magma wird möglicherweise aber nicht heiß genug, um die dunklen, sogenannten mafischen Mineralien aufzuschmelzen, wodurch diese fest bleiben. Diesen Prozess, bei dem das feste Gesteinsmaterial nur teilweise aufgeschmolzen wird, nennt man partielles Schmelzen.
Die fraktionierte Kristallisation, Vermischung und partielles Schmelzen erklären die große Vielfalt magmatischer Gesteine, von denen das Säulenforum einige schöne Exemplare bereit hält. Durch den komplexen Entstehungsprozess ist nicht immer jedes Gestein eindeutig nur einer Gruppe zuzuordnen.
Schauen wir uns nun noch einige unterschiedliche Strukturen der Gesteine an, welche durch die erwähnte "Unordnung" bei der Gesteinsschmelze und Kristallisation entstanden sind.
Porphyrische Gefüge
Porphyrische Gefüge wurden nach den typprägenden Porphyren benannt und sind gekennzeichnet durch deutlich erkennbare Größenunterschiede der Mineralkörner im Gestein. Man unterscheidet dabei Grundmasse und Einsprenglinge.
Die Grundmasse ist sehr feinkörnig oder glasig, so dass manchmal sogar unter der Lupe oder dem Mikroskop keine einzelnen Mineralkörner erkennbar sind. Das Mengenverhältnis von Grundmasse und Einsprenglingen kann variieren.
Die Einspenglinge weisen ein Vielfaches der Korngröße der Grundmasse auf und sind deutlich unter der Lupe oder meist schon gut mit bloßem Auge erkennbar. Sie schwimmen quasi in der homogenen Grundmasse. Oft sind es nur Kristalle von einem bis drei im gesamten Gestein enthaltenen Mineralien.
Porphyrische Gefüge treten hauptsächlich bei Vulkaniten auf. Die bimodale Korngrößenverteilung entsteht durch einen zweistufigen Kristallisationsprozess:
- Zuerst kühlt die Gesteinsschmelze in einer Magmakammer tief unter der Erdoberfläche sehr langsam ab und es bilden sich erste Kristalle, sobald die Schmelztemperatur der entsprechenden Mineralien unterschritten wird. Diese ersten Kristalle können in der Schmelze sehr langsam und ungestört wachsen und sind später als Einsprenglinge gut sichtbar.
- Befördert nun ein Vulkanausbruch die Schmelze mitsamt der bereits gebildeten Kristalle an die Erdoberfläche, kühlt die flüssige Schmelze sehr schnell ab und kristallisiert nur noch sehr feinkörnig bis glasig. Sie bildet später die Grundmasse des erstarrten Gesteins, in der sich die größeren Einsprenglinge befinden.
Seltener besitzen auch Plutonite ein porphyrisches Gefüge. In diesem Fall kristallisieren einige Mineralphasen des Magmas durch Änderung der Temperatur oder des Druckes rascher aus als die anderen zuvor. Es entsteht dann eine fein- bis mittelkörnige Grundmasse mit bis zu mehreren Zentimetern großen Einzelkristallen.
Mafische Einschlüsse
Als mafische Mineralien (oder auch dunkle Mineralien) werden sehr stark magnesium- und eisenhaltige Mineralien bezeichnet. Der Wortstamm "maf" ist daraus zusammengesetzt: "ma" steht für Magnesium und "f" für Ferrum (Eisen). Mafische Mineralien sind in unterschiedlicher Konzentration essentielle Bestandteile der Magmatite. Beispiele mafischer Mineralien sind Biotit, Olivin und Amphibol und Pyroxen.
Einschlüsse bestehen eigentlich aus Fremdgestein. Auch wenn es so aussieht, als wenn hier fremdes Gestein enthalten ist, handelt es sich um die bereits in der Gesteinsschmelze enthaltenen mafischen Bestandteile, nur in kumulierter (angesammelter) Form. Diese dunklen Mineralien kristallisieren frühzeitig in der Schmelze und sammeln sich aufgrund ihrer hohen Dichte am Boden der Magmakammer an.
Migmatisierung
Die Migmatisierung ist ein Phänomen, welches ebenfalls durch die oben beschriebenen unterschiedlichen Schmelzpunkte der Mineralien entsteht. Ein Migmatit ist ein Gestein, bei dem die Teilaufschmelzung begonnen hat, aber nicht zu Ende ging, sondern stecken blieb. Damit befindet sich der Migmatit zwischen einem Gneis (Deformation, aber keine Schmelze) und einem Magmatit, der komplett aufgeschmolzen war und dann erkaltete.
Wie bereits erwähnt schmelzen bei der Magmabildung zuerst die hellen Mineralien (Quarz und Feldspate), denn sie haben den niedrigsten Schmelzpunkt. Sie werden als Leucosom bezeichnet. Die anderen umgebenden dunkleren Mineralien bleiben noch fest. Sie werden als Melanosom bezeichnet. Das Mesosom bezeichnet das mehr oder weniger veränderte Ausgangsgestein. Migmatite entstehen hauptsächlich bei Gebirgsbildungen, bei denen Gesteine in große Tiefen versenkt werden. Durch größer werdenden Druck und steigende Temperaturen schmelzen dann die ersten Mineralien. Das beginnt an der Oberfläche der Mineralien und es bildet sich dabei ein dünner kriechfähiger Film von Schmelze, der sich entlang der Korngrenzen bewegt und sich in den Ecken sammelt. Nach und nach verbinden sich die winzigen Schmelztröpfchen zu größeren Ansammlungen und trennen sich dabei von den dunklen, noch festen Mineralien. An dieser Trennung von hellen und dunklen Mineralien erkennt man einen Migmatit. Dieser Effekt ist an der Gesteinsoberfläche mit bloßem Auge zu erkennen.
Hydrothermale Bildungen
Wasser ist ein sehr effektives Medium für den Transport und die Anreicherung von bestimmten Elementen, die anschließend aus dem Wasser ausgefällt werden.
Als hydrothermale Mineralien bezeichnet man die Bildung von Mineralablagerungen aus heißen wässrigen Lösungen während des letzten, kühlsten Stadiums der magmatischen Mineralbildung. Heiße Wässer aus Tiefengesteinen kühlen sich bei ihrem Weg an die Erdoberfläche ab und scheiden dabei die in ihnen gelösten Stoffe (Salze, Gase) aus. Je nach Temperaturbereich und vorhandenen Stoffen bilden sich dabei charakteristische Minerale. Durch das Gestein zirkulierende Fluide verdrängen und ersetzen bestimmte Gesteinskomponenten. Dabei reagieren im heißen Fluid gelöste Stoffe mit bereits vorhandenen Mineralien und bilden neue aus.
Ein besonders schönes Beispiel einer hydrothermalen Bildung findet ihr als Lazulith-Quarzit auch im Säulenforum.
Schaut euch nun das Säulenforum genau an. Die Infotafel vor Ort hilft nur beim Zuordnen der Säulen. Zur Beantwortung der Fragen braucht ihr das Listing und eure Beobachtungsgabe:
1. Die Gesteinssäulen 2 und 6 zeigen porphyrische Gefüge. Beschreibe beide Gefüge hinsichtlich Korngrößen der Grundmasse und der Einsprenglinge und Anteil der mafischen Bestandteile! Was glaubt ihr, ist hier Magma oder Lava erstarrt?
2. Welches Gestein der beiden Säulen Nr. 5 und Nr. 8 ist näher an der Erdoberfläche kristallisiert? Begründe deine Entscheidung anhand der Struktur der Gesteine und ordne sie entsprechend den Plutoniten oder Vulkaniten zu!
3. An welchem Gestein kannst du mafische Einschlüsse erkennen? Beschreibe Größe und Form der Einschlüsse und Mengenverhältnis heller und mafischer Bestandteile zum restlichen Gestein!
4. Die Säule Nummer 7 zeigt ein sehr schönes Beispiel hydrothermaler Bildungen. Beschreibe die Farbe und Struktur des Gesteins! Findest du eine Bestätigung für die heiße zirkulierende Lösung?
5. Schau dir den Migmatit an. Sind die durch Aufschmelzung getrennten hellen und dunklen Mineralien an der ganzen Säule gleichmäßig verteilt? Was überwiegt deiner Meinung nach: Leucosom, Melanosom oder Mesosom?
Schickt eine Mail mit euren Antworten an mich! Nach dem Absenden der Antworten könnt ihr gleich loggen. Falls etwas nicht in Ordnung ist, melde ich mich. Ihr braucht nicht die Logfreigabe abwarten! Ich wünsche euch viel Spaß bei dieser geologischen Entdeckungsreise!
Quellen: wikipedia, Buch: Geologie für Dummis von Alecia M. Spooner, go-etna.de, spektrum.de, geothermie.de, kristallin.de, eigene Fotos und Skizze