Gestein

mini|Säulenbasalt bei Kamenický Šenov/Steinschönau, Tschechien Als Gestein bezeichnet man mehr oder weniger stark verfestigte, natürlich auftretende, in der Regel mikroskopisch heterogene Gemische aus Mineralkörnern, Gesteinsbruchstücken, organischen oder anorganischen Ausscheidungen oder Rückständen von Lebewesen. Das Mischungsverhältnis dieser Bestandteile schwankt innerhalb eines gegebenen Gesteinskörpers nur geringfügig, sodass dieser bei freiäugiger Betrachtung in der Regel einheitlich (homogen) wirkt.

Die Untersuchung der Lithogenese (von „Stein, Felsblock, Gestein“ und -genese), Petrogenese ( „Stein“) oder Gesteinsbildung ist zentrales Gebiet der Petrologie und Geologie, aber auch der Geophysik und Geochemie.

Die meisten Gesteine der Erdkruste (und auch der übrigen terrestrischen Planeten) sind Silikatgesteine (Hauptbestandteile Quarz, Feldspäte, Amphibole, Pyroxene), nur ein kleiner Teil der Gesteine besteht überwiegend aus Karbonaten oder anderen Mineralklassen oder Stoffgruppen.

Ein größeres Volumen eines bestimmten Gesteines, das sich in der Erdkruste befindet oder im Gelände zu Tage tritt, wird gemeinhin als Gesteinsformation bezeichnet (nicht gleichzusetzen mit dem zwar ähnlichen, aber wesentlich exakter definierten Formationsbegriff in der Lithostratigraphie).

Begriffsbestimmung Der geologische Gesteinsbegriff ist weiter gefasst als der umgangssprachliche und bezieht auch natürlich auftretende Metall-Legierungen, vulkanisches Glas, Eis, lockeren Sand oder Kohle ein. Die Lehre von den Gesteinen, die Petrologie, ist ein Teilgebiet der Geowissenschaften. Beispiele für verschiedene Gesteinsarten sind in der Liste der Gesteine zu finden.

Die Erde und die inneren Planeten des Sonnensystems bauen sich aus sehr großen, räumlich zusammenhängenden Massen von Gesteinen auf. Jedoch sind diese nur an der Oberfläche der Erdkruste sichtbar und zugänglich, insbesondere in Gebirgen, die durch tektonische Vorgänge der Gebirgsbildung entstehen.

Die Lehre von der Be- und Verarbeitung von Gesteinen und Erden, deren Charakter nichtmetallisch ist, nennt man Gesteinshüttenkunde.

In der Medizin spricht man bei der Bildung von Gallensteinen, Speichelsteinen und Nierensteinen ebenfalls von einer Lithogenese.

Zusammensetzung, Gefüge und Struktur Gesteine bestehen im Wesentlichen aus Mineralen, von denen aber nur etwa dreißig einen bedeutenden Anteil an der Gesteinsbildung haben, die darum ‚gesteinsbildende Minerale‘ genannt werden. Vor allem sind dies Silikate wie Feldspäte, Quarz, Glimmer, Amphibole oder Olivin, aber auch Karbonate wie Calcit oder Dolomit sind wichtige Bestandteile von Gesteinen. Neben diesen Hauptgemengteilen (die mineralischen Komponenten, die mehr als 10 % der Gesamtmasse ausmachen) enthalten die meisten Gesteine noch so genannte Nebengemengteile (Komponenten, die zwischen 10 und 1 % ausmachen) oder Akzessorien (Komponenten, die nur zu <1 % enthalten sind). Häufig sind die Akzessorien für ein Gestein namensgebend. Des Weiteren ist durchweg ein gewisser Anteil Wasser vorhanden, als Kristallwasser oder Porenwasser.

Als Gefüge eines Gesteins bezeichnet man vor allem seine Textur – die räumliche Lage und Verteilung der Minerale in einem Gestein, die sich aus den Eigenschaften und dem Verhältnis der gesteinsbildenden Minerale zueinander ergibt – und die Struktur, die sich auf die geometrischen Eigenschaften der einzelnen Gesteinsbestandteile bezieht. Dazu gehören relative und absolute Größe, die Form der Kristalle oder Mineralkörner und die Art des Kornverbandes.

Gesteinsklassen und Entstehung Gesteine lassen sich entsprechend ihrer Entstehung (Genese) grob in drei Klassen unterteilen: magmatische Gesteine, Sedimentgesteine, und metamorphe Gesteine. Innerhalb dieser Klassen wird weiter untergliedert. Die gesamte Geschichte eines Gesteins, von seiner ursprünglichen Bildung bis zu seinem heutigen Zustand, wird als Petrogenese bezeichnet.

In der Geotechnik und zahlreichen verwandten Wissenschaften wie der Bodenkunde unterscheidet man Gesteine anhand ihrer mechanischen Eigenschaften grundsätzlich in zwei Gruppen, die Festgesteine und die Lockergesteine. Bei den Festgesteinen werden insbesondere unter dem Aspekt der Bearbeitbarkeit und Verwendbarkeit Hartgesteine von Weichgesteinen unterschieden.

Magmatische Gesteine mini|Charakteristisch verwitternder Granit in einem Aufschluss in Cornwall, Großbritannien

Magmatische Gesteine (Magmatite, Erstarrungsgesteine) entstehen durch das Erkalten und Auskristallisieren des geschmolzenen Materials aus dem Erdinneren, des so genannten Magmas. Die Nomenklatur von magmatischen Gesteinen nach ihrem Mineralbestand kann im Streckeisendiagramm abgelesen werden.

Findet das Erkalten tief in der Erdkruste (tiefer als 5 km) statt, spricht man von Plutoniten oder Intrusivgesteinen (Tiefengestein). Durch die verhältnismäßig gute 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. Beispiele für plutonische Gesteine sind Granit, Granodiorit, Syenit, Diorit oder Gabbro. Das Magma kann riesige Gesteinsmassen bilden, die so genannten Plutone, die oft mehrere Tausend Kubikkilometer Gestein umfassen.

Magma kann jedoch auch in flüssigem Zustand als Lava an der Erdoberfläche austreten. Dort erkaltet sie schnell und bildet dann die so genannten Vulkanite oder Effusivgesteine (Ergussgesteine). Durch die rasche Abkühlung können keine mit bloßem Auge sichtbare Kristalle wachsen, sodass Vulkanite, wie etwa Basalt, Andesit, Rhyolith und Trachyt, überwiegend sehr feinkörnig sind. Bei Abschreckung durch Kontakt mit Wasser entsteht sogar überhaupt keine kristalline Ordnung, sondern vulkanisches Glas wie beispielsweise Obsidian.

Ganggesteine bilden die Zwischenglieder von Plutoniten und Vulkaniten. Sie dringen in Spalten zwischen Magmakammer und Erdoberfläche ein und erstarren dort als Gänge. Beispiele für Ganggesteine sind Granitporphyr, Dolerit und Lamprophyr.

Metamorphe Gesteine mini|Ein Gneis-Handstück vom Baikalsee, Sibirien

Metamorphe Gesteine (Umwandlungsgesteine) entstehen aus älteren Gesteinen beliebigen Typs durch Metamorphose, das heißt durch Umwandlung unter hohem Druck beziehungsweise hoher Temperatur. Bei der Umwandlung ändert sich in der Regel die Mineralzusammensetzung des Gesteins, weil neue Minerale und Mineralaggregate gebildet werden; der Gesteinschemismus bleibt aber weitgehend gleich. Daneben kann auch das Gesteinsgefüge transformiert werden. Beispielsweise entsteht aus Quarzsandsteinen durch Anwachsen von Quarz­säumen an die Sedimentkörner und die daraus resultierende enge Verzahnung der Körner miteinander das metamorphe Gestein Quarzit, aus Kalksteinen entsteht, durch Rekristallisation, der auf Bruchflächen typisch „zuckerkörnige“ Marmor (beides sind Beispiele für weitgehend monomineralische Gesteine, bei denen während der Metamorphose keine oder keine nennenswerten Änderungen im Mineralbestand erfolgen).

Weiträumige Metamorphose von Gesteinen findet meist in großer Tiefe statt, lokale Transformationen können aber auch nahe der Erdoberfläche auftreten, meist im Zusammenhang mit Vulkanismus. Auch Meteoriteneinschläge führen zu Gesteinsmetamorphosen (sogenannte Impaktmetamorphose).

Regionalmetamorphose steht in Zusammenhang mit Gebirgsbildungen und ist häufig druckbetont. Die damit verbundene Faltung von Gesteinen durch Kompression führt zu Rekristallisation und Einregelung von Mineralen und der Ausbildung einer Schieferung. Ein Beispiel ist die Umwandlung von tonigen Sedimenten in Schiefer, oder von magmatischen Gesteinen in Gneis.

Kontaktmetamorphose bezeichnet die Gesteinsumwandlung durch Wärmeeinwirkung aus dem umgebenden Gestein heraus, entweder im Zentimetermaßstab durch Aufheizen des Gesteins um kleinere magmatische Gänge herum oder unterhalb der Sohle von Lavaströmen bis hin zu kilometerbreiten Kontakthöfen, sogenannten Aureolen, die sich um große, plutonische Intrusionen herum bilden.

Sedimentgesteine mini|Hügel aus verschiedenfarbigen siliziklastischen Sedimentgesteinen der Trias (Chinle-Formation), Arizona, USA

Sedimentgesteine (Sedimentite, Ablagerungsgesteine) entstehen durch Verwitterung und Erosion von Gesteinen und erneute Ablagerung der Verwitterungsprodukte, wobei diese zuvor transportiert werden durch Wind (zum Beispiel Dünensand), Wasser (zum Beispiel Ton und fluviatile Schotter) oder Eis (zum Beispiel Tillit) durch Abscheiden von in Wasser gelösten Stoffen infolge Verdampfens des Wassers (Evaporit) durch Ausfällen von Stoffen infolge des Stoffwechsels von Lebewesen (zum Beispiel Kalkstein und Radiolarit) So werden Sedimentgesteine nach Art ihrer Bildung in klastische, chemische und organogene (biogene) Ablagerungsgesteine unterschieden.

Werden die Ablagerungen durch Sedimentation weiteren Materials bedeckt, verdichten sie sich durch Druck, Bindemittelzufuhr und erhöhte Temperatur unter zunehmendem Wasserverlust immer mehr, bis aus dem weichen Sediment ein hartes, sprödes Sedimentgestein entstanden ist. Diese Veränderungen nach der primären Sedimentation bezeichnet man als Diagenese.

Beispiele für Sedimentgesteine sind Sandstein, Kalkstein und Steinsalz.

Sedimente lagern sich meist kumulativ in einer Abfolge horizontaler Schichten ab; durch die Reihenfolge der Ablagerung sind von Ausnahmefällen abgesehen höherliegende Schichten jünger als tieferliegende, eine Erkenntnis, die als Superpositionsprinzip oder Lagerungsgesetz auf den dänischen Arzt und Geologen Nicolaus Steno zurückgeht. 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 terrestrischen zählt man auch Ablagerungen in Süßwasserseen oder Flüssen, die aus Sand oder Schlamm entstanden sind, sowie die organischen Pflanzenreste, aus denen Kohle hervorgegangen ist. Auch Wüsten­sedimente sowie Ablagerungen von Gletschern werden dieser Gruppe zugeteilt. Ein Grenzfall zwischen Vulkaniten und Sedimenten sind vulkanische Aschen und Tuffe.

Meeressedimente können durch Ablagerung von Erosionsmaterial anderer Gesteine auf dem Meeresgrund, durch von biochemischen Vorgängen verursachte Ausfällung, zum Beispiel von Karbonaten, und durch Ablagerung anorganischer Skelette von Mikroorganismen wie Foraminiferen, Coccolithophoriden (Haptophyta), Strahlentierchen (Radiolaria) und Kieselalgen (Bacillariophyta) entstehen.

Meteoriten mini|Polierte und angeätzte Scheibe eines Eisenmeteoriten (Gibeon-Meteorit)