Gestein

Grundbegriff und Bedeutung

Gestein ist ein natürlich auftretendes, meist mehr oder weniger stark verfestigtes Gemisch aus Mineralkörnern, Gesteinsbruchstücken, organischen oder anorganischen Ausscheidungen oder Rückständen von Lebewesen. Obwohl es mikroskopisch oft heterogen ist, wirkt ein Gesteinskörper mit bloßem Auge meist einheitlich, weil das Mischungsverhältnis seiner Bestandteile nur wenig schwankt. Größere zusammenhängende Vorkommen eines bestimmten Gesteins in der Erdkruste oder an der Oberfläche werden allgemein als Gesteinsformationen bezeichnet.

Der geologische Gesteinsbegriff ist weiter als der Alltagsbegriff: Er umfasst auch natürlich auftretende Metall-Legierungen, vulkanisches Glas, Eis, lockeren Sand oder Kohle. Die wissenschaftliche Untersuchung von Gesteinen heißt Petrologie. Die Untersuchung ihrer Entstehung heißt Lithogenese, Petrogenese oder Gesteinsbildung und ist ein zentrales Gebiet von Petrologie, Geologie, Geophysik und Geochemie.

Gesteine sind wichtig, weil die Erde und die inneren Planeten aus sehr großen, räumlich zusammenhängenden Gesteinsmassen aufgebaut sind. Für Menschen waren Gesteine frühe Werkstoffe: Aus ihnen wurden Steingeräte hergestellt, sie gaben der Steinzeit ihren Namen, dienten als Baumaterial und als Schriftträger. Heute werden sie unter anderem im Innen- und Außenbau, in Kunst und Bildhauerei, als Schmucksteine sowie zur Datierung und Erforschung früherer Lebensformen durch Fossilien genutzt.

Bestandteile und Aufbau

Gesteine bestehen im Wesentlichen aus Mineralen. Von ihnen haben nur etwa dreißig einen bedeutenden Anteil an der Gesteinsbildung; sie heißen gesteinsbildende Minerale. Besonders wichtig sind Silikate wie Feldspäte, Quarz, Glimmer, Amphibole und Olivin. Auch Karbonate wie Calcit und Dolomit können wichtige Bestandteile sein. Die meisten Gesteine der Erdkruste und der übrigen terrestrischen Planeten sind Silikatgesteine; nur ein kleiner Teil besteht überwiegend aus Karbonaten oder anderen Mineralklassen beziehungsweise Stoffgruppen.

Die mineralischen Komponenten eines Gesteins werden nach ihrem Mengenanteil unterschieden. Hauptgemengteile machen mehr als 10 % der Gesamtmasse aus. Nebengemengteile liegen zwischen 10 und 1 %. Akzessorien machen weniger als 1 % aus, können aber für die Benennung eines Gesteins wichtig sein. Außerdem ist fast immer ein gewisser Anteil Wasser vorhanden, entweder als Kristallwasser oder als Porenwasser.

Das Gefüge beschreibt, wie ein Gestein aufgebaut ist. Dazu gehören die Textur, also die räumliche Lage und Verteilung der Minerale, und die Struktur, also geometrische Eigenschaften einzelner Bestandteile. Dazu zählen die relative und absolute Größe, die Form der Kristalle oder Mineralkörner und die Art, wie die Körner miteinander verbunden sind.

Gesteinsklassen

Nach ihrer Entstehung, der Genese, werden Gesteine grob in drei Hauptklassen eingeteilt: magmatische Gesteine, Sedimentgesteine und metamorphe Gesteine. Die gesamte Geschichte eines Gesteins von seiner ursprünglichen Bildung bis zu seinem heutigen Zustand heißt Petrogenese.

In der Geotechnik und verwandten Wissenschaften wie der Bodenkunde unterscheidet man Gesteine außerdem nach ihren mechanischen Eigenschaften in Festgesteine und Lockergesteine. Bei Festgesteinen wird besonders im Hinblick auf Bearbeitbarkeit und Verwendung zwischen Hartgesteinen und Weichgesteinen unterschieden.

Magmatische und metamorphe Gesteine

Magmatische Gesteine, auch Magmatite oder Erstarrungsgesteine genannt, entstehen durch Erkalten und Auskristallisieren von Magma, also geschmolzenem Material aus dem Erdinneren. Kühlt Magma tief in der Erdkruste, tiefer als 5 km, langsam ab, entstehen Plutonite oder Intrusivgesteine. Wegen der langsamen Abkühlung können große, mit bloßem Auge erkennbare Kristalle wachsen. Beispiele sind Granit, Granodiorit, Syenit, Diorit und Gabbro. Riesige Magmamassen heißen Plutone und können mehrere Tausend Kubikkilometer Gestein umfassen.

Tritt Magma als Lava an der Erdoberfläche aus, kühlt es schnell ab und bildet Vulkanite oder Effusivgesteine. Weil die Abkühlung rasch erfolgt, sind sie meist sehr feinkörnig; Beispiele sind Basalt, Andesit, Rhyolith und Trachyt. Bei sehr schneller Abkühlung durch Kontakt mit Wasser kann vulkanisches Glas entstehen, etwa Obsidian. Ganggesteine bilden Übergänge zwischen Plutoniten und Vulkaniten: Sie dringen in Spalten zwischen Magmakammer und Erdoberfläche ein und erstarren dort als Gänge. Beispiele sind Granitporphyr, Dolerit und Lamprophyr.

Metamorphe Gesteine oder Umwandlungsgesteine entstehen aus älteren Gesteinen beliebigen Typs durch Metamorphose, also Umwandlung unter hohem Druck oder hoher Temperatur. Meist ändert sich dabei die Mineralzusammensetzung, weil neue Minerale und Mineralaggregate entstehen; der Gesteinschemismus bleibt jedoch weitgehend gleich. Auch das Gefüge kann verändert werden. Aus Quarzsandstein kann durch enge Verzahnung der Körner Quarzit entstehen, aus Kalkstein durch Rekristallisation Marmor.

Regionalmetamorphose hängt mit Gebirgsbildung zusammen und ist häufig druckbetont. Durch Faltung, Rekristallisation und Einregelung von Mineralen kann Schieferung entstehen; Beispiele sind die Umwandlung toniger Sedimente in Schiefer oder magmatischer Gesteine in Gneis. Kontaktmetamorphose entsteht durch Wärmeeinwirkung aus der Umgebung, etwa an magmatischen Gängen, unter Lavaströmen oder in kilometerbreiten Kontakthöfen, sogenannten Aureolen, um große plutonische Intrusionen. Auch Meteoriteneinschläge können Gesteine verändern; dies heißt Impaktmetamorphose.

Sedimentgesteine und Meteoriten

Sedimentgesteine, auch Sedimentite oder Ablagerungsgesteine genannt, entstehen auf drei Hauptwegen: durch Verwitterung und Erosion älterer Gesteine mit anschließender Ablagerung der transportierten Produkte, durch Abscheiden gelöster Stoffe beim Verdampfen von Wasser oder durch Ausfällen von Stoffen infolge des Stoffwechsels von Lebewesen. Danach unterscheidet man klastische, chemische und organogene beziehungsweise biogene Sedimentgesteine.

Aus weichem Sediment wird festes Sedimentgestein, wenn es durch weitere Ablagerungen überdeckt, durch Druck verdichtet, durch Bindemittel verfestigt und bei steigender Temperatur wasserärmer wird. Diese Veränderungen nach der ersten Ablagerung heißen Diagenese. Beispiele für Sedimentgesteine sind Sandstein, Kalkstein und Steinsalz.

Sedimente lagern sich meist in horizontalen Schichten ab. Nach dem Superpositionsprinzip oder Lagerungsgesetz sind höherliegende Schichten normalerweise jünger als tieferliegende; diese Erkenntnis geht auf Nicolaus Steno zurück. Später können Kräfte die Schichten falten oder kippen, sodass die ursprüngliche Abfolge örtlich sogar umgekehrt sein kann. Grob unterscheidet man terrestrische Sedimente an Land, in Seen, Flüssen, Wüsten oder Gletschergebieten, und marine Sedimente im Meer. Vulkanische Aschen und Tuffe sind ein Grenzfall zwischen Vulkaniten und Sedimenten.

Meteoriten sind ein Sonderfall unter den Gesteinen, weil sie aus dem Weltraum stammen. Sie sind Zeugnisse der Frühgeschichte des Sonnensystems und enthalten viele Minerale, die in irdischen Gesteinen nicht vorkommen. Nach ihrem Mineralgehalt unterscheidet man Steinmeteoriten, Eisenmeteoriten und Stein-Eisen-Meteoriten. Ihre Größe reicht von Mikrometeoriten bis zu tonnenschweren Körpern. Fast alle bekannten Meteoriten sind in geologischen Zeitmaßstäben erst vor sehr kurzer Zeit auf die Erde gefallen; wenige fossile Meteoriten wurden in mehrere hundert Millionen Jahre alten Sedimentgesteinen in Schweden nachgewiesen. Tektite und Impaktite sind dagegen irdischen Ursprungs, entstehen aber durch Meteoriteneinschläge.

Kreislauf und älteste Zeugnisse

Gesteine werden durch geodynamische Prozesse ineinander umgewandelt. Dieser Zusammenhang heißt Gesteinskreislauf. Magmatische, metamorphe und Sedimentgesteine können durch Verwitterung, Erosion, Transport, Sedimentation, Versenkung, Metamorphose und Aufschmelzung jeweils in andere Gesteinsarten übergehen.

An der Oberfläche verwittern freigelegte magmatische und metamorphe Gesteine ebenso wie dort gebildete Sediment- und Vulkanite. Ihre Bestandteile werden vor allem durch Wind oder Wasser transportiert, als Sedimente abgelagert und durch Verdichtung zu Sedimentgesteinen. Gelangen Sedimentgesteine oder magmatische Intrusivgesteine in große Tiefe, können sie unter hohem Druck und hoher Temperatur zu metamorphen Gesteinen werden. Der Kreislauf schließt sich, wenn solche Gesteine wieder an die Oberfläche gelangen oder weiter absinken, aufschmelzen und erneut Ausgangsmaterial für magmatische Gesteine werden.

Als wahrscheinlich ältester Stein der Erde gilt möglicherweise ein bei Apollo 14 gefundener Mondsteinanteil, der ursprünglich auf der Erde kristallisiert sein könnte und auf 4,0–4,1 Ga datiert wurde. Das älteste sicher datierte Gestein stammt aus der Acasta-Gneis-Formation des Slave-Kratons im Nordwesten Kanadas und ist 4,031 ± 0,003 Milliarden Jahre alt. Eine Datierung von Gesteinen aus dem Nuvvuagittuq-Grünsteingürtel an der Hudson Bay auf 4,28 Milliarden Jahre ist umstritten.

Einzelne Mineralkörner können älter sein als das Gestein, in dem sie heute liegen. Besonders widerstandsfähige Minerale wie Quarz können Teile des Gesteinskreislaufs mehrfach überstehen. Zirkon kann sogar komplette Zyklen überstehen. Die ältesten datierten Zeugnisse einer festen Kruste auf der Erde sind Zirkonkörner aus Metasedimenten der Jack Hills in West-Australien. Diese Sedimente wurden vor 3 Milliarden Jahren abgelagert, einige Zirkone darin kristallisierten aber schon vor 4,4 Milliarden Jahren aus einem Magma aus.