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Minerale sind... Steinebausteine

Ein Großteil des Planeten Erde besteht aus Mineralen – bis auf wenige flüssige Ausnahmen im Erdkern, im oberen Erdmantel und an der Erdoberfläche. Verbinden sich mehrere Minerale zu einem Aggregat, nennt man das Resultat – ein Gestein. Minerale sind also die „Steinebausteine“…

Gesteine bilden sich durch geologische Prozesse wie die Erstarrung von Magma, die Ablagerung von Sedimenten oder die Umwandlung anderer Gesteine unter extremen Bedingungen im Erdinneren. Diese Prozesse führen zu einer Vielfalt von Gesteinstypen, mit unterschiedlichsten Eigenschaften und Aussehen – vom dichten, harten Metamorphit, der tief in der Erdkruste unter extremen Bedingungen entsteht bis hin zum filigranen vulkanischen Bimsstein, der so leicht ist, dass er im Wasser schwimmt.

Text In der Vitrine:

Was ist ein Gestein? 

Ein Gestein ist ein Gemenge von fest miteinander verbundenen oder verwachsenen Mineralkörnern. Dabei spielt es keine Rolle, ob die Minerale direkt aus einer Schmelze kristallisiert sind oder zum Beispiel durch Wasser zusammengeschwemmt und dann verfestigt wurden.
Die meisten Gesteine bestehen aus vielen verschiedenen Mineralarten. „Feldspat, Quarz und Glimmer, die drei vergess‘ ich nimmer“, dieser Merkspruch für die Hauptbestandteile eines Granits ist fast jedem schon einmal begegnet.
Es gibt aber auch Gesteine, die nur aus einer Mineralart bestehen. Marmor zum Beispiel besteht fast ausschließlich aus dem Mineral Calcit.
Neben Mineralen können Gesteine auch noch aus organische Bestandteile oder natürlichen Gläsern bestehen. 

Poster an der Säule:

Der Schalenbau der Erde

Die Erde ist einer von vier Gesteinsplaneten unseres Sonnensystems. Sie ist, ähnlich einer Zwiebel, aus mehreren Schalen aufgebaut. Aus festem, sprödem Gestein besteht nur die dünne äußerste Schale – die Erdkruste. Sie ist im Schnitt 30 km dick – das klingt viel, aber im Vergleich zum Durchmesser des gesamten Planeten ist es doch verschwindend gering. Wäre die Erde so groß wie die Gesteinskugel in der Vitrine, entspräche die Briefmarke auf ihrer Oberfläche in etwa der Erdkruste!

Den volumenmäßig größten Anteil der Erde macht der Erdmantel aus. Auch er besteht überwiegend aus festem Gestein, welches allerdings aufgrund der hohen Temperaturen plastisch verformbar ist und sich deshalb in Form von riesigen Konvektionswalzen bewegt – der Antrieb der Plattentektonik. Nur ein verschwindend geringer Teil (1-5%) des oberen Mantels ist aufgeschmolzen und liefert das Material für die magmatischen Gesteine in der Erdkruste.  

Der Erdkern besteht im Wesentlichen aus den schweren Elementen Eisen und Nickel. Der innere Kern ist fest und kristallin, der äußere Teil dagegen flüssig. Heftige Konvektionsbewegungen in diesem flüssigen Teil sind als riesiger „Dynamo“ für das Magnetfeld der Erde verantwortlich.

Der Kreislauf der Gesteine

Die Gesteine der Erde durchlaufen seit Jahrmilliarden einen stetigen Kreislauf der Entstehung, Versenkung, Aufschmelzen, Hebung und Verwitterung.

Gesteine an der Erdoberfläche werden durch klimabedingte Verwitterungsprozesse in kleine Bestandteile oder Mineralkörner zerlegt und umgelagert (1). Werden diese Partikel dann durch Überlagerungsdruck oder Zementation verfestigt, entstehen daraus Sedimentgesteine oder SEDIMENTITE (2). So werden aus vielen Sandkörnern durch den Prozess der Diagenese ein Sandstein.

Bei weiterer Versenkung in größere Tiefen durch stetige Überlagerung oder als Folge tektonischer Kräfte beginnen sich die Gesteine aufgrund der steigenden Drücke und Temperaturen umzuwandeln. Neue Minerale entstehen und das Gefüge verändert sich. Diese Umwandlungsgesteine nennt man METAMORPHITE (3). Bei noch extremeren Bedingungen wird das Gestein entweder in Teilen (MIGMATITE, 4) oder schließlich in seiner Gesamtheit aufgeschmolzen und zu Magma (5). Steigt dieses Magma in der Erdkruste wieder auf, entstehen bei seiner Abkühlung Magmatite: Kristallisiert die Schmelze noch in der Tiefe aus, entstehen PLUTONITE (6), erstarrt sie erst an der Erdoberfläche, bilden sich VULKANITE(7). Dort ist das Gestein erneut dem Klima ausgesetzt (1) und der der Kreislauf beginnt von Neuem…

Es ist natürlich möglich, dass tektonische Prozesse an verschiedenen Punkten im Gesteinskreislauf die jeweiligen Gesteinsarten an die Erdoberfläche heben (8). Dadurch wird der „natürliche“ Kreislauf unterbrochen und die Gesteine setzen ihren Zyklus von Neuem mit ihrer Verwitterung fort.

Gesteinsstücke:

Magmatische Gesteine: Plutonite

Plutonite wie dieser Granit entstehen durch Kristallisation einer bis zu 1200 °C heißen silikatischen Schmelze in der Erdkruste. Diese Schmelzen, auch Magma genannt, kristallisieren in der Erdkruste aus, typischerweise in Tiefen von wenigen hundert Metern bis zu 50 Kilometern. Aus der Schmelze wachsen beim Abkühlen Minerale wie Feldspäte, Glimmer oder Quarz.

Plutonite zeichnen sich durch ihre Grobkörnigkeit aus. In der Tiefe kühlt das Magma relativ langsam ab, deswegen haben die Kristalle lange Zeit zu wachsen.

Magmatische Gesteine: Vulkanite

Steigt heiße Gesteinsschmelze durch die Erdkruste auf und erreicht die Erdoberfläche, tritt sie als Lava an Vulkanen aus. Dies kann ruhig fließend in Form von Lavaströmen geschehen. Bei sehr dünnflüssiger Lava bilden sich dann häufig strick- oder seilartige Muster wie bei dem hier ausgestellten Basalt aus der Eifel.
Ist die Lava sehr zäh und enthält viele gelöste Gase, kann der Ausbruch aber auch hochexplosiv sein. Dabei wird die Lava durch die Gasblasen in kleinste Aschebruchstücke zerrissen und kilometerhoch in die Atmosphäre geschleudert.  
Lava kühlt durch den hohen Temperaturunterschied zwischen Schmelze (bis zu 1100°C) und Luft oder Wasser sehr schnell ab. Die Kristalle haben deswegen sehr wenig Zeit zu wachsen und bleiben meist nur sehr klein – ein Teil des Gesteins erstarrt sogar als Glas. Vulkanische Gesteine wie dieser Basalt sind deshalb sehr feinkörnig.     

Sedimentgesteine

Gelangen Gesteine durch tektonische Kräfte an die Erdoberfläche, sind sie chemischen und physikalischen Verwitterungsprozessen ausgesetzt. Dabei werden sie von Wind und Wetter in immer kleinere Bestandteile (Mineralkörner) zerlegt - oder sogar komplett chemisch aufgelöst.
Diese kleinen Bestandteile können nun leicht durch Wind- oder Wasserkraft transportiert und an anderen Stellen wieder abgelagert werden, zum Beispiel als Sandkörner an einem Küstenstrand.
Werden sie im Laufe der Zeit von anderen Sedimentschichten überlagert und damit tiefer in die Erdkruste versenkt, können die einzelnen Körner durch Zementation oder Kompaktion verfestigt werden – und damit wieder zu einem Gestein.
Manchmal sind in dem Gestein sogar noch Zeichen des ursprünglichen Sedimenttransportes erhalten. In dem hier ausgestellten Sandstein erkennt man noch die dünenförmigen Rippel, die in fließendem Gewässer entstehen. In Marburg ist Sandstein auch als Baustein allgegenwärtig: Das Schloss oder die Elisabethkirche bestehen zum Beispiel aus 250 Millionen Jahre altem Buntsandstein.

Metamorphe Gesteine

Werden bestehende Gesteine tief in die Erdkruste versenkt und dort hohen Drücken und Temperaturen ausgesetzt, können sie sich dadurch verändern: Neue Minerale wachsen und das „Gefüge“ des Gesteins verändert sich  - zum Beispiel durch das Entstehen einer Schieferung.

Bei dem ausgestellten Exponat handelt es sich um einen Schiefer, der aus ursprünglichen marinen Sedimenten hervorgegangen ist. Die großen dunklen, garbenförmigen Minerale sind Hornblenden, die erst im Zuge der Metamorphose bei einem Druck von etwa 5 kbar (5000-fachem Atmosphärendruck) und Temperaturen von bis zu 600°C gewachsen sind. Auch kleine rötliche Granate sind zu erkennen.   

Migmatite

Steigen Druck- und Temperaturbedingungen immer weiter an, beginnen irgendwann, Teile eines Gesteins aufzuschmelzen. Üblicherweise sind das zuerst die hellen Minerale wie Quarz oder Feldspäte – sie haben die niedrigeren Schmelztemperaturen. Die entstandene Schmelze sammelt sich in Adern im Gestein und kristallisiert später wieder aus. Den Prozess der beginnenden Aufschmelzung nennt man „Anatexis“, das entstandene Gestein „Anatexit“ oder auch „Migmatit“.