Kreislauf der Gesteine

Kernidee des Gesteinskreislaufs

Der Kreislauf der Gesteine bezeichnet in den Geowissenschaften den Zyklus, in dem Gesteine entstehen, verändert werden und auf verschiedene Weise wieder zerstört werden. In bestimmten Zusammenhängen wird dieser Vorgang auch als Recycling bezeichnet. Ein solcher Zyklus dauert in der Regel rund 200 Millionen Jahre.

Wichtig ist der Gesteinskreislauf, weil er erklärt, wie die großen Gesteinsklassen der Erde miteinander zusammenhängen. Gesteine bleiben über geologische Zeiträume nicht unverändert, sondern können durch Prozesse an der Erdoberfläche und im Erdinneren in andere Gesteinsarten umgewandelt werden.

Verwitterung, Transport und Sedimentgestein

Am Anfang eines möglichen Weges im Kreislauf steht häufig die Verwitterung. Dabei werden große Mengen von Gestein durch Wind, Wasser, Eis, tägliche oder jahreszeitliche Temperaturunterschiede oder chemische Reaktionen verändert und zerkleinert.

Die dabei entstehenden Verwitterungsprodukte können vorübergehend Böden bilden, in Wasser gelöst oder als Schwebstoffe transportiert werden, als Staub vom Wind verfrachtet werden oder auf ähnliche Weise in Bewegung geraten. Früher oder später lagern sie sich stabil ab. Das geschieht meist nach geologisch kurzer bis sehr kurzer Zeit. Auch Stoffe, die vorher durch chemische Verwitterung gelöst und transportiert wurden, können dabei ausfallen.

Nach der Ablagerung können sich diese Sedimente durch Diagenese verfestigen. Diagenese bedeutet hier die Verfestigung lockerer Ablagerungen zu Sedimentgestein.

Umwandlung in der Erdkruste

Wenn Sedimentgesteine in tiefere Bereiche der Erdkruste gelangen, wirken dort stärkerer Druck und höhere Temperaturen. Dadurch können sie durch Metamorphose in andere Gesteinsarten umgewandelt werden. Metamorphose bedeutet also eine Umwandlung von Gestein durch Druck und Hitze, ohne dass das Gestein vollständig schmelzen muss.

Bei ausreichend hohen Temperaturen kann ein Teil des Gesteins aufschmelzen und zu Magma werden. Steigt Magma in Richtung Erdoberfläche auf, gibt es zwei wichtige Möglichkeiten: Bleibt es in der Erdkruste stecken, kühlt es relativ langsam ab und erstarrt zu plutonischem Gestein. Gelangt es bis an die Erdoberfläche, tritt es als Lava aus und erstarrt rasch zu Vulkangestein.

Auch festes Gestein kann wieder in oberflächennahe Bereiche gelangen, wenn die Scholle, in der es liegt, gehoben wird. Wird das darüberliegende Gestein durch Erosion abgetragen, kann es freigelegt werden. An der Erdoberfläche ist es wieder der Verwitterung ausgesetzt, und der Kreislauf beginnt erneut.

Gesteinsklassen und Prozesse

Das Schema des Gesteinskreislaufs beschreibt, wie die drei Gesteinsklassen, die auf der Erde auftreten, ineinander umgewandelt werden.

Die drei Gesteinsklassen sind Magmatite, Sedimentite und Metamorphite. Magmatite umfassen Plutonite, Ganggesteine und Vulkanite. Sedimentite können klastisch, chemisch oder biogen sein. Metamorphite können niedergradig, mittelgradig oder hochgradig sein; Beispiele sind Phyllit als niedergradiger Metamorphit, Gneise als mittelgradige Metamorphite und Granulit als hochgradiger Metamorphit.

Die wichtigsten Prozesse im Schema sind Verwitterung und Abtragung, Sedimentation als Ablagerung, Diagenese als Verfestigung, Metamorphose als Umwandlung durch Druck und Hitze, Anatexis als Aufschmelzung, Kristallisation als Erstarrung sowie Vertikalbewegungen der Erdkruste, also Hebung und Senkung.

Dauer und besondere Minerale

Die genaue Dauer des Kreislaufs hängt von mehreren Bedingungen ab: vom geologisch-tektonischen Bau der Region, von der Dichte der beteiligten Gesteinspakete sowie von Art und Intensität der beteiligten Prozesse. Exogene Prozesse finden an der Erdoberfläche statt, endogene Prozesse innerhalb der Erdkruste.

Manche Minerale sind besonders widerstandsfähig gegen Verwitterung. Ein wichtiges Beispiel sind einige Zirkone. Sie sind außerdem besonders geeignet für eine radiometrische Datierung nach der Uran-Blei-Methode. An solchen Zirkonen konnten sehr hohe Alter nachgewiesen werden, obwohl das magmatische Gestein, in dem sie ursprünglich kristallisierten, längst verwittert ist.

Das älteste je datierte Mineralkorn ist ein 4,4 Milliarden Jahre alter Zirkon aus den Jack Hills in Australien. Er liegt heute in einem Sedimentgestein. Dieses Sedimentgestein ist zwar ebenfalls sehr alt, wurde aber deutlich nach der Kristallisierung des Zirkons abgelagert. Das ursprüngliche magmatische Wirtsgestein des Zirkons ist spurlos verschwunden. Erdgeschichtlich entstand dieses Mineralkorn relativ kurz nach der Bildung der ersten festen Erdkruste.

Plattentektonischer Zusammenhang

Der Gesteinskreislauf kann auch im Kontext der Plattentektonik dargestellt werden. Dabei werden die Prozesse des Kreislaufs mit den Entstehungsorten verschiedener Gesteinsarten verbunden.

Die Darstellung macht deutlich, dass Gesteinsbildung, Umwandlung, Hebung, Senkung, Aufschmelzung und erneute Verwitterung nicht isoliert ablaufen. Sie stehen mit Bewegungen und Vorgängen in der Erdkruste in Zusammenhang.