von Werner Sticht

Ein Blick in die Geologie

Dieser Text ist eine Ergänzung zum Artikel   Wo kommt alles her?". Nur was in dem Artikel gebraucht wird, wird hier näher erklärt.
Wer mehr wissen will, sei auf die vielen Links auf Artikel in der Wikipedia und auf die Literaturangaben hingewiesen.
Ein Problem bei Beschäftigung mit der Geologie sind die vielen Fachbegriffe, die man eben wie Vokabeln lernen muss.

Inhalt



Einführung

Die Geologie ist die Wissenschaft, die sich mit dem Aufbau der Erde, und mit deren Entwicklungsgeschichte beschäftigt. Da wir über das Erdinnere nicht viel wissen, dafür aber wesentlich mehr über die Erdkruste, so ist die Erdkruste der Hauptgegenstand des geologischen Interesses.

Einstmals, in einer fernen früheren Zeit, als die Christen noch die Angaben in der Bibel für die alleinige Wahrheit hielten, veröffentlichte James Ussher den 23. Oktober 4004 vor Chr. als den Tag der Erschaffung der Welt. Einer seiner Mitarbeiter schrieb sogar, es sei um 9 Uhr früh in Mesopotamien passiert. Menschen aus anderen Religionen fanden damals jedoch auch andere Geschichten von der Entstehung der Welt. Erst als diese alten Mythen die neueren Erkenntnisse nicht mehr erklären konnten, kamen die Wissenschaftler zu Wort.

Die Geschichte der Geologie ist lang. Ich möchte hier nur einige Glanzlichter nennen:


Die Gesteine

Unsere Informationen über die Erde bekommen wir in erster Linie aus den Gesteinen. Gesteine sind mehr oder weniger verfestigte, natürlich vorkommende Gemische aus Bruchstücken von Mineralen, Bruchstücken von anderen Gesteinen, und manchmal auch von Überbleibseln von Lebewesen - den Fossilien.

Über die Gesteine wurde hier nur ganz kurz gesprochen. Mehr steht im Grotzinger/Jordan S.53-166.
Die Lehre von den Eigenschaften und der Nutzung der Gesteine ist die Petrologie.
Es gibt in Wikipedia auch eine Liste der Gesteine mit Links zu vielen Gesteinsarten, eine Liste der Steine nach der Art der Entstehung und eine Liste der Minerale.

Minerale

Minerale sind die eigentlichen Bestandteile der Gesteine. Sammler verwenden auch gerne die Bezeichnung "Mineralien". Die Mineralogie beschäftigt sich als Wissenschaft mit der Entstehung und den Eigenschaften der Minerale. Die Organisation IMA registriert die Mineralarten. Es gibt über 5900 registrierte Minerale.

Ein Mineral ist zuerst einmal ein Element oder eine Chemische Verbindung, welche natürlich vorkommt, und normalerweise kristallin als anorganischer, fester Stoff vorliegt. Dabei kann das Mineral durchaus aus organischen Relikten durch Umwandlung entstanden sein.
Einige Minerale sind uns bekannt als Edelsteine und haben damit einen höheren Handelswert. In der Geologie geht es allerdings zuerst um die etwa 30 Gesteinsbildenden Minerale. Manche Autoren sprechen von weit mehr Gesteinsbildenden Materialen.

Minerale entstehen durch

Die Minerale kann man in einem System klassifizieren. Hier habe ich einzelne der Klassen aufgezählt und mit Beispielen versehen.

Minerale können bei hohen Temperaturen schmelzen. Sie können sich aber auch zersetzen und dabei mit anderen Mineralen chemisch reagieren und so neue Minerale bilden.
Zum Thema Wasseranlagerung in Kristallen siehe auch Hydratation und Hydrate.

Klassifizierung der Gesteine

Entsprechend ihrer Entstehung lassen sich die Gesteine in drei Klassen unterteilen: Magmatische Gesteine, Sedimentgesteine und Metamorphe Gesteine.

Magmatische Gesteine

Granit
Granit. Bildherkunft
Basalt
Basalt. Bildherkunft

Magmatische Gesteine (Magmatite, Erstarrungsgesteine) entstehen durch das Erkalten und Auskristallisieren des geschmolzenen Magmas aus dem Erdinneren. Das Magma selbst kann dabei auch Einschlüsse von Mineralen oder ganzen Steinen enthalten, welche eine höhere Schmelztemperatur haben als das fließende Magma.

Von Plutoniten oder Intrusivgesteinen (Tiefengestein) spricht man, wenn das Erkalten tief in der Erdkruste (tiefer als 5 km) stattfand. Durch die Wärmeisolation der aufliegenden Gesteine kühlt sich die Magmaschmelze nur langsam ab, sodass große, das heißt mit bloßem Auge deutlich sicht- und unterscheidbare Mineralkristalle entstehen können.
Ein Beispiele ist der Granit, der gerne als Grabstein verwendet wird. Granit gehört zu den häufigsten Gesteinen der kontinentalen Erdkruste.
Das Magma kann riesige Gesteinsmassen bilden, die so genannten Plutone, die oft mehrere Tausend Kubikkilometer Gestein umfassen.

Vulkanite oder Effusivgesteine (Ergussgesteine) entstehen, wenn die Lava (Lava ist Magma, das in flüssigem Zustand an der Erdoberfläche austritt) dort schnell erkaltet. Durch die rasche Abkühlung können keine mit bloßem Auge sichtbare Kristalle wachsen.
Vulkanite sind deshalb überwiegend sehr feinkörnig, wie etwa Basalt, der beispielsweise als Schotter unter Eisenbahngeleisen verwendet wird. Wenn man sowohl die Festländer als auch den Grund der Meere betrachtet, so ist Basalt das Gestein mit der größten Verbreitung.

Bei Abschreckung der Lava durch Kontakt mit Wasser entsteht sogar überhaupt keine kristalline Ordnung, sondern vulkanisches Glas wie beispielsweise Obsidian.
Ebenso wird vulkanisches Material oft explosionsartig in die Höhe geschleudert und dabei abgekühlt. Man spricht dann von Pyroklastischen Sedimenten. Man zählt dazu Bimsstein, Vulkanische Asche und Vulkanische Bomben.

Sedimentgesteine

Sedimentgesteine (Sedimentite, Ablagerungsgesteine) entstehen

Werden die Ablagerungen durch Sedimentation weiteren Materials bedeckt, verdichten sie sich durch Druck, Bindemittelzufuhr (Zementation) und erhöhte Temperatur unter zunehmendem Wasserverlust immer mehr, bis aus dem weichen Sediment ein hartes, sprödes Sedimentgestein entstanden ist.

Beispiele für Sedimentgesteine sind Sandstein, Kalkstein und Steinsalz.

Sandstein
Sandstein. Bildherkunft
Kalkstein
Kalkstein. Bildherkunft

Sedimente lagern sich normalerweise in horizontalen Schichten übereinander ab. Durch die Reihenfolge der Ablagerung sind, von Ausnahmefällen abgesehen, höherliegende Schichten jünger als tieferliegende. Siehe auch Stratigraphisches Prinzip und Schichtung.
Nach ihrer Entstehung können Sedimentgesteine starken Kräften unterliegen, wodurch die ehemals flachen Schichten gefaltet und gekippt werden, so dass die Lage des Gesteins im Raum so stark verändert sein kann, dass die ursprüngliche Schichtfolge lokal umgekehrt ist.

Sedimente lassen sich grob in terrestrische Land- und marine Meeressedimente unterteilen.
Zu den terrestrischen Sedimenten zählt man auch Ablagerungen in Süßwasserseen oder Flüssen, die aus Sand oder Schlamm entstanden sind. Dazu kommen noch die organischen Pflanzenreste, aus denen beispielsweise Kohle hervorgegangen ist. Auch Wüsten­sedimente sowie Ablagerungen von Gletschern werden dieser Gruppe zugeteilt. Ein Grenzfall zwischen Vulkaniten und Sedimenten sind vulkanische Aschen und Tuffe. (Siehe auch Pyroklastika.)
Zu den Meeressedimenten zählen Ablagerungen von Erosionsmaterial anderer Gesteine auf dem Meeresgrund. Dazu kommen von biochemischen Vorgängen verursachte Ausfällungen, zum Beispiel von Karbonaten. Auch Ablagerungen anorganischer Skelette von Mikroorganismen findet man dort, wie beispielsweise die Schalen von Foraminiferen, Kieselalgen oder sogar ganze Friedhöfe von Fossilien. Sedimentgesteine sind die einzigen Gesteine, die Fossilien enthalten können.

Metamorphe Gesteine

Metamorphe Gesteine (Umwandlungsgesteine) entstehen aus älteren Gesteinen beliebigen Typs durch Umwandlung (Metamorphose) unter hohem Druck und hoher Temperatur. Siehe auch Festkörper bei hohen Drücken.
In 15km Tiefe herrscht im Mittel 450°C und das 4000-fache des Luftdrucks; in 40km Tiefe sind es im Mittel 800° bei 12000-fachem des Luftdrucks.
Bei der Umwandlung ändert sich in der Regel die Mineralzusammensetzung des Gesteins, weil neue Minerale und Mineralaggregate gebildet werden (meist Rekristallisation). Die Gesteine müssen dabei nicht schmelzen. Es kann jedoch sein, dass nur einige Minerale schmelzen oder rekristallieren. Die chemische Zusammensetzung bleibt weitgehend gleich. Wenn Wasser beteiligt ist, können hydrothermale Lösungen chemische Bestandteile zuführen oder entziehen.

Beispiele für metamorphe Gesteine sind die vielen Varianten der Gneise und Schiefer. Zu den bekanntesten metamorphen Gesteinen gehören der Marmor und der Quarzit.

Gneis
Gneis. Bildherkunft
Marmor
Marmor. Bildherkunft

Gneise sind weltweit verbreitet. Sie finden sich häufig in den alten Kernen der Kontinente, wo sie durch tiefreichende Erosion freigelegt wurden. In der Regel haben diese Gesteine seit ihrer Entstehung mehrere Phasen der Umwandlung mitgemacht. Sie bilden die ältesten Gesteinsformationen der Erde. Das Bild zeigt uns einen Gneis, bei dem die Streifen im Stein bei der Umwandlung erzeugt wurden. Bei der Rekristallisation wurden die Minerale neu angeordnet. (Siehe Schieferung.)
Marmor ist ein Beispiele für ein Gestein, das fast nur aus einem Mineral besteht. Marmor entstand aus Kalkstein. Die Umwandlung erfolgte durch Rekristallisation. Eventuell enthaltene Fossilien wurden dabei vernichtet. Quarzit entsteht auf ähnliche Weise aus Quarzsandstein.
Durch die Metamorphose sind Marmor und Quarzit härter und beständiger.

Zwei Umwandlungsarten (von vielen) seien hier erwähnt:

Versuche im Labor

Man kann im Labor nun verschiedene Mischungen von Mineralen und Gesteinen unterschiedlichem Druck und unterschiedlichen Temperaturen aussetzen. Was dabei entsteht, kann man mit gefundenen Gesteinen vergleichen. Die Daten aus den Versuchen erlauben dann Rückschlüsse, wie beliebige gefundene Gesteine entstanden sind.
Dieses Vorgehen erzählt uns aber noch wenig über die zeitliche Entwicklung des Gesteins.
Nehmen wir an, ein Stück Meeresboden wird unter die Kontinentalsockel geschoben (Subduktion). Dabei wird auch Wasser mit eingebracht. Die Reibung erzeugt Hitze. Druck und Temperatur verändern das Gestein nachhaltig.
Durch die Subduktion wird der Kontinentalsockel angehoben. Oben entsteht ein Gebirge. In geologischen Zeiträumen gesehen wird so ein Gebirge jedoch schnell abgetragen. Der Kontinentalsockel wird dünner. Der ehemalig untergeschobene Meeresboden hebt sich. Er kann als metamorphes Gestein wieder an die Oberfläche gelangen. Druck und Temperatur sind jetzt viel niedriger.
Wenn man nun wissen will, welche Veränderungen das Gestein bei der Subduktion und dem anschließenen Wiederaufstieg erfahren hat, so kann man sich beispielsweise an das Mineral Granat halten. Dessen Kristalle wuchsen die gesamte Zeit lang. Und aus den Wachstumsschichten der Granatkristalle kann man dann Schlüsse ziehen über die zeitlichen Wachstumsbedingungen. Die dazu gehörende chemische und physikalische Umgebung erkennt man an Einschlüssen im Kristall des Granat.

Die geologische Zeitskala

Das Stratigraphische Prinzip

Stratigraphie bedeutet "Schichtenkunde". Gemeint sind Gesteinsschichten, die auch zeichnerisch dargestellt werden.

Der Idealfall

Das Stratigraphische Prinzip wurde 1669 von Nicolaus Steno (1638-1686) veröffentlicht.
Es besagt:
  1. Bei Gesteinsschichten, die an verschiedenen Orten auftreten, aber genau die gleichen Eigenschaften aufweisen, handelt es sich auch um dieselben Gesteinsschichten
  2. Die ursprünglichen Ablagerung von Sedimenten erfolgt horizontal.
  3. Sedimentschichten werden in einer zeitlichen Reihenfolge abgelagert. Die älteren Schichten liegen unten, die jüngeren oben.

Verformungen

Steno wusst bereits, dass andere geologische Prozesse zu scheinbaren Ausnahmen von seinen Ablagerungsprinzipien führen konnten. Die Existenz von Sedimentgesteinen mit bis zu senkrecht verlaufender Schichtung und großen Verwerfungen erklärte Steno korrekt durch Deformationen, die nach der Bildung des Gesteins stattgefunden haben mussten.
Wenn ein Stück Land durch äußere Kräfte zusammengedrückt wird, so können sich die Sedimentschichten falten oder sich übereinander schieben.
Störung, Bruch
Störung, Bruch. Bildherkunft
Faltung mit senkrechter Verwerfung
Faltung mit senkrechter Verwerfung/Fault. Bildherkunft

Wenn diese Stücke Land jedoch die Größe politischer Länder haben, so schiebt sich eine kontinetale Platte unter die andere. Diese Subduktion führt dann zu einer Schrägstellung der ehemals waagerechten Schichten und ist verbunden mit einer Gebirgsbildung.
Schon bei der Hebung des Gebirges setzt die Verwitterung ein.
Störung, Bruch
Gebirgsbildung. Bildherkunft
Gebirgsbildung und Erosion
Gebirgsbildung und Erosion. Bildherkunft

Beispiel Grand Canyon

Grand Canyon
Stratigrafie des Grand Canyon. Bildherkunft
Klicken Sie auf das Bild zum Vergrößern.
Der Grand Canyon ist sicher eine der interessantesten geologischen Sehenswürdigkeiten. Die einzelnen geologischen Schichten sind hier gut erkennbar. Sie zeigen uns für diesen Ort die Entwicklung von 1,5 Milliarden Jahre auf.

Rechts im Bild sind die einzelnen Schichten skizziert und mit Namen versehen. Insbesondere sind die Altersangaben (Layer age in millions of years) und die Schichtdicken (Layer thickness in feet) von Interesse.
Mehr Einzelheiten zu den Namen findet man in der Geologie des Grand Canyon.

Unten findet man den die Vishnu Basement Rocks (16). Es sind metamorphe Gesteine, die vor 1680-1840 Millionen Jahren bei einer Gebirgsbildung entstanden. Auf den Vishnu Basement Rocks wurde dann 320 Millionen Jahre nichts abgelagert - das dortige Gebirge wurde durch die Erosion zu einem flachen Hügelland.

Über den Vishnu Basement Rocks liegen die Grand Canyon Soupergroup Rocks. Zuerst wurde das Hügelland dann 100 Millionen Jahre lang vom Meer überflutet. Mehrere Kilometer an Ablagerungen entstanden (15). Man fand dort auch Stromatolithen.
Vor 1100 Millionen Jahren wurde dann alles mit einer 300m dicken Lavadecke beerdigt. Erst vor 780 Millionen Jahren gab es dann wieder Meeresablagerungen und Sandablagerungen.

Etwa vor 730 Millionen Jahren erfolgte wieder eine Gebirgsbildung, bei der die im Bild linke Seite des Vishnu Basement Rocks angehoben wurde. Es ist die Zeit des Zerfalls des Superkontinents Rodinia. In den folgenden 100 Millionen Jahren wurden nicht nur die teilweise 3700m hohen Überstände der Grand Canyoun Supergroup Rocks, sondern auch Teile der Vishnu Basement Rocks durch Erosion abgetragen (The Great Unconformity). Es entstand eine Hügellandschaft.

Erst vor 525 Millionen Jahren folgte wieder eine Ablagerung (11). Die Ablagerungen der Tonto Group weisen auf eine Küstenregion hin. Trilobiten und Wurmbauten findet man als Fossilien. Etwa 30 Millionen Jahre lang wurde abgelagert. Danach war wieder etwa 100 Millionen Jahre nichts. Ordovizium und Silur hinterließen nichts. Erst ab etwa 385 Millionen Jahren, im Devon, wurde Kalkstein abgelagert (8).

Vor 315 Millionen Jahren erfolgten Ablagerungen, wie sie für Sümpfe typisch sind (4,5). Dann folgten vor 275 Millionen Jahren eine Wüste (3) und vor 273 Millionen Jahren eine Küstenregion (1,2). Alle Schichten jünger als 270 Millionen Jahre (mittleres Perm) sind durch Erosion abgetragen worden.

Es bleibt die Frage, wie schnell sich der Fluss, der Colorado, sich in das uralte, etwa 1,5km tiefe Gestein hat einfräsen können. Als vor 75 Millionen Jahren sich die Rocky Mountains zu bilden begannen, wurde das Land darum herum auch angehoben. Insgesamt wurde das Gebiet des Grand Canyon etwa 3km gehoben. So konnte der Vorgänger des Colorado sich sein Bett bilden. Vor 5,3 Millionen Jahren öffnete sich der Golf von Kalifornien. Dadurch kam ein mittleres Gefälle von etwa 1,48m pro km zustande. Mit den Eiszeiten vor 2,5 Millionen Jahren kamen dann große Niederschlagsmengen, die dann bereits vor 1,2 Millionen Jahren nahezu die heutige Tiefe des Grand Canyon freigelegt hatten.

Zusammenfassung Stratigraphisches Prinzip

Bei der Entstehung sind die Ablagerungen waagerecht. Aber durch geologische Kräfte können sie gestaucht, gefaltet, gebrochen, gegeneinander verschoben werden. Vulkanische Ausbrüche können sie durchlöchern. Hebungen und Subduktionen können sie schräg stellen.
Dann kommt noch die Verwitterung und Erosion hinzu, die entstandene Gebirge wieder abflacht.

Zu manchem Zeitraum sind überhaupt keine Schichten vorhanden. Wenn in dieser Zeit kein Gewässer Sedimente ablagerte, oder eine Wüste Sand ansammelte, so konnte die Erosion sogar die noch früheren Steinschichten angreifen und beseitigen. Jedenfalls weiß man nicht, ob in diesem Zeitraum überhaupt einmal etwas abgelagert wurde, was kurz darauf wieder verschwand.

Die Entdeckungen des William Smith

Schon Nicolaus Steno wusste, dass Fossilien Überreste früherer Lebewesen sind, die schon vor der eigentlichen Gesteinsbildung dort beerdigt wurden.

William Smith (1769-1839) war der Sohn eines Schmieds. Er brachte sich sein Wissen aus Büchern selbst bei, und er zeichnete gerne. Zuerst arbeitete er als Landvermesser, später als Ingenieur beim Bau von Kanälen für den Kohlentransport. Dabei hatte er Gelegenheit, sich mit einer größeren Menge von Gesteinen zu befassen. Gerade beim Ausheben der Kanäle konnte er den Verlauf der einzelnen Gesteinsschichten genau verfolgen.

William Smith kannte Stenos stratigraphisches Prinzip. Er war auch nicht der erste, der geologische Karten zeichnete, und auch nicht der erste, der Fossilien in Gesteinsschichten beschrieb. Dennoch werden Smith seine geologischen Karten als besonderes Verdienst angerechnet. In seinen Karten benützte er Farben, um die verschiedenen Gesteinsarten an der Oberfläche aufzuzeigen. Er lieferte aber auch Schnittzeichnungen durch die Gesteinsschichten.

William Smith beschäftigte sich auch gründlich mit den Fossilien und beschrieb diese zusammen mit den Gesteinsschichten, in denen er sie gefunden hatte. Seine Fossilien sind aber nicht Saurierknochen, sondern Seeigel, bestimmte Muscheln und Ammoniten, welche in Meeressedimenten vorkommen.
Er stellte dabei fest, dass die Gesamtheit der Fossilien in einer Gesteinsschicht diese eindeutig identifizierte. Selbst wenn die Schichten örtlich sehr weit auseinander lagen - wenn sie jedoch die gleichen Fossilien enthielten, so mussten sie auch im gleichen Zeitraum abgelagert worden sein. Wenn man nun zwei Schichten von Kalkstein aus verschiedenen Gegenden hatte, so konnte man jetzt - anhand der enthaltenen Fossilien - feststellen, ob sie zur gleichen Zeitperiode gehörten.
Geologen aus Frankreich und Deutschland bestätigten bald diese Erkenntnis.
Gewisse einzelne Fossilien konnten auch in mehreren übereinander liegenden Schichten auftauchten. Auf diese Weise konnte man nun des erstmalige Entstehen und das endgültige Aussterben von ganzen Arten erfassen.

Smith fand in den Fossilien viele bisher unbekannte Tierarten, die es heute nicht mehr gibt. Aber dank der Klassifizierung der Tiere, welche Carl Linné begonnen hatte, konnte er die gefundenen Fossilien einordnen.

Smiths Fossilien
Fossilien, wie sie von Smith gezeichnet wurden. Smith nannte die Schicht "Clay over the Upper Oolite". Später wurde die Gesteinsschicht dem Bathonium (Mittlerer Jura) zugeordnet. In der Bildherkunft findet man einige Bemerkungen zu den gezeigten Fossilien.

Smith wusste, dass in einigen Gegenden England einzelne Schichten fehlten. Er führte das auf natürliche Abtragung - etwa durch Flusswasser - zurück. Anhand der Fossilien wurde es nun möglich, die fehlenden Schichten in einer neu aufgefundenen Gesteinschichtung zu erkennen. Man musste die neue Schichtung nur mit einer bekannten, vollständigen Schichtung vergleichen.
Smith konnte nun seine Schichtenfolge veröffentlichen, die das zeitliche Werden der Steine, Tier und Pflanzen dokumentierte.
Damit gilt William Smith der Entdecker der Biostratigraphie.

Smith war auch aufgefallen, dass die Fossilien in Schichten aus recht unterschiedlichen Tiefen so andersartig sein können, dass sie uns wie eine andere Schöpfung erscheinen. Letztendlich hielt er "Zoophyten" und "Shell fish" für die ältesten Tiere (deutsch: Nesseltiere und Schalentiere).
Erst später kamen dann die Landtiere.


In der Zeitspanne von etwa 1790 bis 1870 gab es die ersten bahnbrechenden Entdeckungen der Geologie. William Smith war einer der herausragenden Entdecker von damals. Viele andere Entdecker haben weitere Beiträge geliefert.
Bald wurde erkannt, dass manche Fossilien ausschließlich in bestimmten Schichten zu finden waren. Solche Leitfossilien erleichterten die zeitliche Zuordnung einer Schicht enorm.
Da sich weltweit nun viele Gelehrte mit den Gesteinsschichten beschäftigten, entstanden nun auch neue Namen für die Schichten - die Namen von Smith waren für eine weltweite Namensgebung doch zu lokal. Mitte des 19. Jahrhunderts etablierten sich die neuen Namen, die auch heute noch in der Geologischen Zeitskalaa verwendet werden, und die von der ICS gepflegt werden.

Und es sind damals neue Theorien entstanden, die das bisherige Wissen völlig umkrempelten - beispielsweise die Evolutionstheorie von Charles Darwin (1809-1882).
Ebenso wurde die Paläontologie, die Wissenschaft von den Lebewesen und Lebewelten der geologischen Vergangenheit, etabliert.

Wer sich mehr mit Smiths Werk befassen will, sei auf www.strata-smith.com verwiesen.

Vorzeitiges Dorset
So stellte man sich bereits 1830 das "Vorzeitige Dorset" vor. Bildherkunft

Geochronologie

Smith hat uns eine relative Zeitskala hinterlassen. Wir wissen, in welcher Reihenfolge die einzelnen Entwicklungen hintereinander abgelaufen sind. Was uns Smith nicht sagen konnte, sind absolute Zeitangaben.
Vor wie viel Jahren starben die Saurier aus? Wie groß waren die Zeiträume, in denen sie lebten?
Die Antworten liefert die Kernphysik.

Radioaktiver Zerfall

Durch Zufall entdeckte Henri Becquerel (1852-1908) im Jahr 1896 die Radioktivität an Uransalzen. Die radioaktive Strahlung konnte Papier durchdringen und eine darin eingewickelte Fotoplatte schwärzen. Marie Curie (1867-1934) und ihr Ehemann Pierre Curie (1859-1906) forschten ab 1897 an der Radioaktivität. Sie bauten einen Detektor für Radioaktivität nach Ideen von Becquerel und verbesserten ihn. Damit untersuchten sie Pechblende, ein Gestein, das Uranerz enthielt. Sie zerlegten es chemisch in seine Bestandteile, um zu erkennen, was die Radioaktivität verursacht hat. Dabei erkannten sie, dass die Radioaktivität von gewissen Elementen ausgeht und nicht chemisch bedingt ist.
Zwei bisher unbekannte Elemente, Polonium und Radium konnten sie 1898 vorstellen. (Pierre starb bei einem Verkehrsunfall, Marie starb an einer Form der Strahlenkrankheit.)

Ab 1898 beschäftigte sich auch Ernest Rutherford (1871-1937) mit der Radioaktivität. Rutherford stammte aus Neuseeland. Seine ersten Entdeckungen machte er in Montreal (Kanada). Seine Forschungen waren damals bahnbrechend. Er prägte 1900 den Begriff der Halbwertszeit. Die Halbwertzeit ist die Zeitspanne, nach der eine mit der Zeit abnehmende Größe die Hälfte des anfänglichen Werts erreicht hat. Wenn man Uran-238 liegen lässt, so ist nach der Halbwertszeit von 4,468 Milliarden Jahren nur noch die Hälfte an Uran-238 da. (Die andere Hälfte hat sich dann in andere Elemente mit niedrigerer Massenzahl umgewandelt, zunächst in Thorium-234. Das Thorium zerfällt dann in mehreren Schritten weiter, und am Ende bleibt Blei-206 übrig. Diese folgenden Umwandlungen dauern in Summe etwas über 300.000 Jahre - also vernachlässigbar wenig gegenüber 4.468.000.000 Jahren.)
Zusammen mit Frederick Soddy (1877-1956) untersuchte Rutherford mehrere Zerfallsprodukte. Dabei entwickelte Soddy ab 1910 das Konzept des Isotops. Nach diesem Konzept existieren gewisse Elemente in zwei oder mehr Atomarten, welche verschiedene Atomgewichte haben, aber chemisch nicht zu unterscheiden sind. Diese Atomarten haben auch gleiche Spektren.
Heute wissen wir, dass die Atomkerne aus Protonen und Neutronen bestehen. Protonen sind positiv geladen. Neutronen sind elektrisch neutral.
Die Anzahl der Protonen bestimmt die Eigenschaften des Elementes. Diese Anzahl entspricht auch der Ordnungszahl. Protonen und Neutronen haben etwa gleiche Massen. Die Summe aus der Anzahl Protonen und der Anzahl der Neutronen im Atomkern ergibt die Massenzahl, welche angenähert das Atomgewicht angibt.
Zu einem Element können mehrere Isotopen gehören.
Die Isotope eines Elements haben alle die gleiche Anzahl Protonen; sie haben aber unterschiedliche Anzahlen von Neutronen.

Beispiel:
Uran hat die Ordnungszahl 92. Uran-235 und Uran-238 sind Isotope. Beide haben 92 Protonen und deshalb auch dieselbe Ordnungszahl 92. Uran-235 hat aber 143 Neutronen und damit eine Massenzahl 235. Uran-238 hat 146 Neutronen und eine Massenzahl 238.
Der große Unterschied bei den beiden Isotopen ist jedoch:

Die Halbwertszeit hängt vom Isotop ab. Die Halbwertszeit wird nicht beeinflusst von Druck und Temperatur, der das Isotop ausgesetzt war.

Massenspektrometrie

Wenn man Isotope untersuchen will, so braucht man ein Gerät, mit dem man sie unterscheiden und mengen- als auch massenmäßig darstellen (wiegen) kann. Diese Geräte sind als Massenspektrometer bekannt. (Etwas theoretischer ...)

1913 hat Joseph John Thomson (1856-1940) eine solches Gerät gebaut, in welchem er nachweisen konnte, dass das Edelgas Neon aus Atomen mit den Atommmassen 20 und 22 zusammengemischt ist. Siehe folgendes Bild rechts.
(Joseph John Thomson sollte man nicht verwechseln mit William Thomson (1824-1907) - auch bekannt als Lord Kelvin. Beide waren hervorragende Physiker.)

Massenspektrometer Massenspektrogramm
Skizze Massenspektrometer vereinfacht. Bildherkunft. Massenspektrogramm nach J.J.Thomson mit Neon-Isotopen. Bildherkunft.

Das Bild links zeigt eine sehr vereinfachte Art des Massenspektrometers.

Der gesamte Vorgang findet im Vakuum statt. Nur im Vakuum können Ionenstrahlen überhaupt einen längeren Weg zurücklegen.
Dann muss man das zu untersuchende Material zuerst einmal in die Gasphase überführen. Metalle müssen dazu stark erhitzt werden.
Dabei kann das so entstandene Gas auch gleich ionisiert werden. Das kann geschehen, indem man es beispielsweise einem starken elektrischen Feld aussetzt, das bei jedem Atom jeweils das äußerste Elektron absaugt.

Die so entstandenen positiven Ionen des Gases werden durch negativ geladene Blenden nun beschleunigt in Richtung auf den Magnet. Dabei muss durch elektronenoptische Maßnahmen (im Bild nicht gezeigt) dafür gesorgt werden, dass die Ionen die Ionenquelle alle mit nahezu gleicher Geschwindigkeit verlassen. (Einzelheiten)

Bewegte Ionen stellen einen Strom dar, der in einem Magnetfeld abgelenkt wird. Die Ablenkung y ergibt sich aus der Formel
   y / L = q ⋅ B ⋅ L / ( 2 ⋅ m ⋅ v )
wobei L die Weglänge des Ionenstrahls im Magnetfeld ist; B ist die Feldstärke, q die Ladung des Ions, m die Masse des Ions, v die Geschwindigkeit des Ions.
Verkürzt kann man schreiben: y ~ K / m , wobei K konstant sein sollte.
Damit wird ein Ion stärker abgelenkt, wenn seine Masse kleiner wird.

Nach dem Magnet treffen die Ionen auf den Detektor. In früheren Geräten war das ein Fluoreszenschirm, der von Innen durch die Ionen zum Leuchten angeregt wurde. Er würde uns heute an eine alte Bildröhre erinnern. Das Ergebnis wurde in anderen Fällen auch direkt auf einer Fotoplatte festgehalten. An der Schwärzung auf dem Film erkannte man die Häufigkeit der Isotope.
Heute hat man dagegen ganz andere Methoden - von Fotodiodenarrays bis zu ganzen Kameramodulen.

Anmerkung: Das Bild oben rechts wurde mit dem Massemspekrometer von Thomson erzeugt. Die Kurven sind parabelförmig, weil sowohl ein elektrisches Feld, als auch ein magnetisches Feld von den Ionen durchlaufen wurde. Es sind auch Linie und keine Punkte, da die Geschwindigkeit der Ionen nicht eingegrenzt wurde. Mehr zum Bild findet man in Aston: Isotopes, S.25ff.

Anwendung des Zerfallgesetzes

Mit dem Massenspektrometer kann man nun bestimmte Isotope aus einem Gestein herausholen. Man muss nur das Magnetfeld genau einstellen, und man muss dem Detektor nur die interessanten Massen zuleiten.
Man kann mehrere Isotope gemeinsam darstellen und so ihre unterschiedliche Häufigkeit erkennen. Auf einem alten Bildschirm waren die Linien für häufigere Isotope deutlich dicker. Heute verwendet man dagegen elektronische Zähler im Detektor.
Man kann auch den Anteil der Isotope eines Elements den Isotopen einen anderen Elements gegenüber stellen. Das ist besonders wichtig bei den radioaktiven Zerfallsprodukten.

Steigen wir ein wenig ein in die Theorie.
Zuerst mache ich eine Abkürzung: λ = ln(2) / T1/2
Das Zerfallsgesetz lautet dann:
  N(t) = N(0) ⋅ exp( -λ ⋅ t )
Dabei ist: N(0) die Anzahl vorhandenen Teilchen zum Zeitpunkt 0 - also am Anfang, N(t) die zum Zeitpunkt t noch vorhandenen (also noch nicht zerfallenen) Teilchen, T1/2 die Halbwertszeit der Teilchen. (Herleitung für Interessierte)



radiometrische Datierung



Uran-Blei-Datierung




Die Plattentektonik


Literatur

Allgemein

Wikipedia, auch mit Übernahme von Bildern und Textbausteinen
aus Artikeln zur Geologie und Astronomie

Sendungen alpha-Centauri auf ARD-alpha.

Speziell Physik

Wolfgang Demtröder: Experimentalphysik 1-4. Heidelberg 1994-1998.

F.W.Aston: Isotopes. London 1922.
https://archive.org/download/in.ernet.dli.2015.162538/2015.162538.Isotopes_text.pdf oder
F.W.Aston: Mass Spectra And Isotopes. London 1933.
https://archive.org/download/in.ernet.dli.2015.205751/2015.205751.Mass-Spectra.pdf
  Bei letzterem Download sind die Bilder nicht so gut.

Speziell Astronomie

Karttunen, Kröger, Oja, Poutanen, Donner: Astronomie. Heidelberg 1990.

Speziell Geologie

↑ Grotzinger, Jordan: Allgemeine Geologie. Heidelberg 2017.

Peter Faupl: Historische Geologie. Wien 2003.

Dieter Richter: Allgemeine Geologie. Berlin 1992.

Die Entwicklungsgeschichte der Erde. Leipzig 1971.
  Ein Nachschlagewerk in 2 Bänden, gemeinsam herausgegeben von vielen Professoren über die Geologie und ihre Teilgebiete.


Georgius Agricola: Zwölf Bücher vom Berg- und Hüttenwesen. Reprint Berlin 1927.

William Smith: Strata identified by organized fossils :
containing prints on colored paper of the most characteristic specimens in each stratum. London 1816.

Harald Lesch: Was hat das Universum mit mir zu tun? München 2019.

Thomas Halliday: Otherlands. A World in the Making. London 2022
  Deutscher Titel: Urwelten. München 2022.

Bildernachweis

eg0 ↑ : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Granito.jpg
aus Wikimedia Commons, the free media repository. Urheber Luis Fernández García.

eg1 ↑ : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Basalto_afanitico_e_quasi_afirico_per_i_rari_e_minuti_fenocristalli.jpg
aus Wikimedia Commons, the free media repository. Urheber Daniele.51.

eg2 ↑ : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Weathered_sandstone_DSC01497.jpg
aus Wikimedia Commons, the free media repository. Urheber Chianti.

eg3 ↑ : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Jodra_de_Cardos_1987_06.jpg
aus Wikimedia Commons, the free media repository. Urheber LBM1948.


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aus Wikimedia Commons, the free media repository. Urheber S. Rae.

eg5 ↑ : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:East_pediment_O_Parthenon_BM.jpg
aus Wikimedia Commons, the free media repository. Urheber Marie-Lan Nguyen.

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aus Wikimedia Commons, the free media repository. Urheber Xhienne.

eg7 ↑ : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Folded-faulted_banded_iron_formation_(Temagami_Iron-Formation,_Neoarchean,_~2.736_Ga;_Temagami_North_roadcut,_Temagami,_Ontario,_Canada)_23_(46899078415).jpg
aus Wikimedia Commons, the free media repository. Urheber James St. John.

eg8 ↑ : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Continental-continental_convergence_de.svg
aus Wikimedia Commons, the free media repository. Urheber Nefronus.

eg9 ↑ : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Anticline_(PSF)-vector.svg
aus Wikimedia Commons, the free media repository. Urheber Pearson Scott Foresman.

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aus Wikimedia Commons, the free media repository. Urheber Mathis, A. 2006. Grand Canyon Association, Grand Canyon, Arizona, USA.

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aus Wikimedia Commons, the free media repository. Urheber William Smith. 1816.

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aus Wikimedia Commons, the free media repository. Urheber Henry De la Beche. 1830.

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aus Wikimedia Commons, the free media repository. Urheber Devon Fyson.

eg13 ↑ : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Discovery_of_neon_isotopes.JPG
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