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Geologie
Die Geologie (von altgriechisch γῆ gē „Erde“ und -logie) ist die Wissenschaft von Aufbau, Zusammensetzung und Struktur der Erdkruste, der Eigenschaften …
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Gegenstand und Arbeitsweise
Geologie ist die Wissenschaft vom Aufbau, der Zusammensetzung und Struktur der Erdkruste, von den Eigenschaften ihrer Gesteine, ihrer Entwicklungsgeschichte und den Prozessen, die die Erdkruste geformt haben und weiterhin formen. „Geologie“ kann auch den geologischen Aufbau eines Gebietes bezeichnen, etwa die Geologie der Alpen.
Geologen untersuchen Gesteine, Erdöl und Erdgas. Räumliche Beziehungen zwischen Gesteinskörpern sowie Zusammensetzung und innere Struktur einzelner Gesteine geben Hinweise auf ihre Entstehungsbedingungen. Im Gelände oder unter Tage teilen sie offen zugängliche Gesteine nach äußeren Merkmalen in Kartiereinheiten ein. Diese müssen auf einer geologischen Karte oder in einem geologischen Profil im gewählten Maßstab darstellbar sein. Durch Extrapolation, also die begründete Fortsetzung beobachteter Verhältnisse, wird die Lagerung von Gesteinen im Untergrund vorhergesagt.
Die genaue Untersuchung erfolgt meist im Labor: Petrographie und Petrologie befassen sich mit Gesteinen, Mineralogie mit ihren Mineralen und Paläontologie mit Fossilien in Sedimentgesteinen. Diese Untersuchungen im kleinen Maßstab liefern Grundlagen für die Allgemeine Geologie. Wichtige Nachbarfächer sind Geochemie, Geophysik, Geodäsie und Geostatistik. Seit den 1970er Jahren werden häufiger quantitative Mess- und Rechenmethoden eingesetzt; wegen der großen Variabilität und Komplexität geowissenschaftlicher Parameter stoßen sie weiterhin an Grenzen. Die Planetengeologie oder Astrogeologie untersucht Zusammensetzung, inneren Aufbau und formende Prozesse fremder Himmelskörper.
Gesteinskreislauf und äußere Prozesse
Die Allgemeine Geologie untersucht Kräfte, die auf den Erdkörper wirken, und großräumige Prozesse der Gesteinsbildung. Nach Gefüge und Struktur gehören Gesteine zu drei Klassen: Sedimentite, Magmatite und Metamorphite. Geologische Vorgänge können jedes Gestein in ein Gestein einer anderen Klasse umwandeln; dies heißt Kreislauf der Gesteine.
Exogene Prozesse wirken an der Erdoberfläche und werden durch Schwerkraft, Sonneneinstrahlung und Erdrotation angetrieben. Sie führen vor allem zur Bildung von Sedimentgesteinen. Dazu gehören physikalische Erosion durch Wind, Wasser oder Eis sowie Massenbewegungen wie Bergstürze, chemische Verwitterung und die Ablagerung zerkleinerten Materials, des Detritus. Aus diesem entstehen klastische Sedimente wie Schotter, Sand und Ton. Durch Diagenese, die Verfestigung von Lockergesteinen, werden sie zu Festgesteinen. Weitere Wege sind die chemische Ausfällung von Evaporiten wie anorganischen Kalken, Gips und Salz sowie die biogene Bildung von Sedimenten, beispielsweise der meisten Kalksteine oder von Diatomit.
Die Bodenkunde behandelt ein eigenes komplexes Gebiet exogener Prozesse. Die Quartärgeologie erforscht Vorgänge und Ablagerungen der letzten Eiszeiten im Quartär, welche viele heutige Landschaftsformen der nördlichen Hemisphäre prägen.
Innere Prozesse und Tektonik
Endogene Prozesse wirken im Erdinneren beziehungsweise in der Erdkruste. Ursachen sind unter anderem Spannungen, Wärme aus radioaktiven Zerfallsprozessen und der Magmakern der Erde. Sie führen zur Bildung von Metamorphiten und Magmatiten.
Bei anhaltender Ablagerung weiterer Sedimente steigt der Druck auf tiefer liegende Schichten. Entwässerung, Kompaktion und Diagenese machen aus Lockersedimenten festes Gestein, beispielsweise Sandstein. Mit steigendem Druck und höherer Temperatur werden Gesteine verformt und Minerale rekristallisieren; dieser Vorgang heißt Metamorphose. Das Gestein bleibt dabei zunächst fest. Aus magmatischen Gesteinen und grobkörnigen Sedimenten entstehen häufig Ortho- und Para-Gneise, aus feinen Sedimenten Schiefer.
Bei weiterer Erwärmung kann Gestein aufschmelzen (Anatexis). Glutflüssige Magmen steigen aus dem Erdmantel auf. Erkalten sie innerhalb der Erdkruste, bilden sich Plutonite, etwa Granit; erreichen sie die Oberfläche, entstehen Vulkanite wie Lava oder vulkanische Asche. Tektonik und Strukturgeologie untersuchen Bewegungen, welche Oberflächengesteine in die Tiefe transportieren, sie verformen und falten sowie Tiefengesteine an die Oberfläche bringen. Untersucht werden auch ihre Spuren, etwa Faltung, Scherung und Schieferung.
Erdgeschichte, Schichten und Alter
Die historische Geologie erforscht die Geschichte der Erde von ihrer Entstehung bis heute. Als Informationsquelle dient unter anderem die Ausbildung von Gesteinen, die Lithofazies. Die Erdgeschichte wird mit stratigraphischen und geochronologischen Methoden gegliedert.
Grundlage der Stratigraphie ist die Lagerungsregel: Eine Schicht im Hangenden, also oben, wurde später abgelagert als eine Schicht im Liegenden, also unten. Spätere tektonische Bewegungen können ursprünglich horizontale Schichten aber verstellen oder überkippen. Dann helfen eindeutige Oben-Unten-Kriterien. Schichten, die verstellte Gesteine mit einer Diskordanz schiefwinklig überlagern, sind jünger; Gleiches gilt für magmatische Gänge und Intrusionen, die Schichten durchschlagen.
Leitfossilien ermöglichen die relative Datierung: Reste eines Lebewesens müssen nur in bestimmten Schichten vorkommen, weit verbreitet und möglichst unabhängig von örtlichen Ablagerungsbedingungen sein. Schichten mit denselben Leitfossilien haben dann dasselbe Alter. Ohne Fossilien kann Lithostratigraphie Zeitgleichheit nur bei seitlicher Verzahnung nachweisen. Für tektonische Abläufe werden Klüftung, Schieferung, Störung und Faltung untersucht; Strukturen, die andere durchschlagen, aber selbst nicht versetzt sind, sind die jüngsten.
Relative Methoden liefern nur ein Vorher-Nachher. Sedimentationsraten, Dendrochronologie und Warven-Schichtung reichen für absolute Zeitangaben nur wenige tausend Jahre zurück, weil lange Zeiträume besonders in Schichtlücken und Diskordanzen liegen. Zuverlässige absolute Datierungen auch sehr alter Gesteine wurden erst durch natürliche Radioaktivität möglich: Sie beruhen auf bekannten Zerfallsraten radioaktiver Isotope in Mineralen und Gesteinen, teilweise ergänzt durch paläomagnetische Messungen. Die geologische Zeitskala umfasst unter anderem das Phanerozoikum mit einer Dauer von 541 Ma und das Präkambrium mit einer Dauer von 4059 Ma; das Hadaikum reicht von 4567 bis 4031 mya.
Aktualismus und Entwicklung der Geologie
Das Prinzip des Aktualismus lautet: „Der Schlüssel zur Vergangenheit ist die Gegenwart.“ Heutige Prozesse und vergleichbare heutige Gesteine helfen daher, ältere Gesteine zu deuten. Fast identische alte und heute aus einem aktiven Vulkan ausgeflossene Lava sprechen beispielsweise dafür, dass auch das alte Gestein vulkanisches Material ist. Das Prinzip gilt jedoch nicht uneingeschränkt: BIF („Banded Iron Formations“) entstehen heute wegen veränderter chemischer Bedingungen auf der Erde nicht mehr. Gesteine, die sich in unzugänglichen Tiefen bilden, werden mit Laborexperimenten untersucht.
Wichtige Grundlagen der modernen Geologie waren das 1669 von Nicolaus Steno eingeführte stratigraphische Prinzip und William Smiths Gebrauch von Leitfossilien zur relativen Datierung um 1817. Im 18. und 19. Jahrhundert standen sich Plutonismus und Neptunismus sowie später Katastrophismus und Aktualismus gegenüber. Aus der Verbindung von Magmatismus, Sedimentation und Gesteinsumwandlung entstand die Vorstellung des Gesteinskreislaufs. Alfred Wegener formulierte 1915 die Kontinentaldrift-Hypothese; drei Jahrzehnte später führten Beobachtungen aus Geophysik und Ozeanographie zur heute allgemein akzeptierten Theorie der Plattentektonik.
Praktische Bedeutung
Geologie ist wichtig für die Suche, Erschließung und Nutzung von Rohstoffen: Metallerzen, industriell genutzten Mineralien, Sanden, Kiesen, Tonen und Silizium für die Solarindustrie. Sie dient außerdem der Sicherung von Trinkwasser und Energierohstoffen wie Erdöl, Erdgas und Kohle. Bei größeren Bauprojekten erkunden Geologen den Baugrund, um Setzungen, Rutschungen und Grundbrüche langfristig zu vermeiden.
Die angewandte Geologie entwickelte sich im 20. Jahrhundert als eigenständige Disziplin. Sie macht geologische Forschung praktisch nutzbar, sowohl für Ressourcen als auch zur Vermeidung von Umweltschäden und zur Frühwarnung vor Erdbeben, Vulkanausbrüchen und Tsunamis. Wichtige Teilgebiete sind Hydrogeologie zum Fließverhalten und zur Qualität des Grundwassers, Ingenieurgeologie zur Statik des Bodens beim Bauen, Lagerstättenkunde oder Montangeologie zur Erforschung von Bodenschätzen, Umweltgeologie zur Interaktion von Lebewesen, Luft, Wasser und Boden mit der Erdkruste sowie Militärgeologie zum militärischen Wert von Boden und Untergrund. Sie ist eng mit Bauingenieurwesen, Bergbau- und Hüttenwesen, Materialkunde und Umweltschutz verbunden.
