Station 18: Kreislauf der Gesteine

• Grundsätzlich unterscheidet man drei Gesteinsgruppen (auch als Gesteinsklassen bezeichnet): magmatische Gesteine, metamorphe Gesteine und Sedimentgesteine.
• Die drei Gesteinsgruppen sind durch den Gesteinskreislauf verbunden. Jede Gesteinsgruppe kann aus einer der beiden anderen hervorgehen. Dies passiert entweder durch Erosion und Ablagerung (Sedimentgesteine), vollständiger Aufschmelzung (magmatische Gesteine oder partieller Aufschmelzung (metamorphe Gesteine).
• Der GeoWeg führt durch eine von Sedimentgesteinen geprägte Landschaft, metamorphe und magmatische Gesteine fanden als Findlinge oder Schotter ihren Weg ins Gebiet.

Die drei Gesteinsgruppen (magmatische Gesteine, metamorphe Gesteine und Sedimentgesteine) sind in einem Kreislauf miteinander verbunden. Aufgrund des Zusammenspiels von Plattentektonik und Klima geht jedes Gestein aus anderen Gesteinen hervor. Durch den Einfluss von Wind und Wetter verwittert ein an der Erdoberfläche aufgeschlossenes Gestein und wird entweder chemisch gelöst oder physikalisch zerlegt. Wasser, Eis oder Wind nehmen die Verwitterungsprodukte auf und transportieren diese Richtung Meer. Entlang dieses Wegs erfolgt die Wiederablagerung entweder als klastisches Sediment (z. B. Konglomerate, Sand- und Tonsteine) oder als Fällung aus den im Wasser gelösten Mineralien (z. B. Carbonate, Evaporite).

Aufgrund weiterer, darüber zu liegen kommender Sedimentschichten, verfestigen sich die anfänglich noch lockeren Sedimente. Meist dienen Carbonate als Zement zwischen den Sedimentpartikeln. Nun werden die Gesteine entweder durch Hebung wieder an die Erdoberfläche gebracht, oder die Sedimente gelangen tief ins Innere der Erde und machen unter dem Einfluss von Druck und Temperatur eine Metamorphose durch. Werden die Gesteine weiter erhitzt, schmelzen sie und es entsteht Magma. Diese kann in grosser Tiefe als Plutonit auskühlen oder nahe der Erdoberfläche als Vulkanite. Durch erneute, plattentektonisch bedingte Hebung unterliegen die Gesteine wieder der Verwitterung und der Kreislauf beginnt von Neuem.

Magmatische Gesteine entstehen durch das Erstarren von geschmolzenem Gestein. Gestein schmilzt in grossen Tiefen, bei Temperaturen von 700 °C und mehr. Je nachdem, unter welchen Bedingungen die Gesteinsschmelze abkühlt, entstehen andere Gesteine. Bei langsamer Abkühlung im Erdinnern haben die Kristalle ausreichend Zeit, um eine Grösse von mehreren Millimetern und mehr zu erreichen und es entsteht ein grobkörniges magmatisches Gestein. Fliesst eine Gesteinsschmelze an der Oberfläche aus einem Bruch aus, kühlt sie normalerweise rasch ab und erstarrt so schnell, dass kein langsames Kristallwachstum möglich ist. Es bilden sich in diesem Fall viele winzig kleine Kristalle gleichzeitig und ein feinkörniges Gestein entsteht. Bei plötzlicher Abkühlung, zum Beispiel im Kontakt mit Meerwasser, wird die heisse Gesteinsschmelze zu vulkanischem Glas abgeschreckt. Die Biotit-Granit-Blöcke unter den Findlingen sind das Resultat einer im Erdinnern über Millionen von Jahren abgekühlten Gesteinsschmelze, die durch Hebung und Erosion der darüberliegenden Schichten an die Oberfläche gelangte und schliesslich selbst der Abtragung unterlag.

Sedimente, das Ausgangsmaterial der Sedimentgesteine, bilden sich an der Erdoberfläche in Form von Schichten aus Lockergestein verschiedener Korngrössen wie z. B. Kies, Sand oder Ton oder aus Skelett- und Schalenbruchstücken von Lebewesen. Die Bestandteile der Sedimente entstehen durch Verwitterung und Erosion. Die Verwitterung umfasst sämtliche chemischen und physikalischen Prozesse, durch die Gesteine in Bruchstücke unterschiedlicher Grösse zerfallen. Diese Gesteinsbruchstücke werden anschliessend durch Gletscher, Wasser, Wind oder gravitative Prozesse, wie z. B. Felsstürze oder Rutschungen, weitertransportiert und dann als Sedimente schichtweise abgelagert.

Grundsätzlich unterscheidet man zwei Arten von Sedimenten:

• Klastische Sedimente bestehen aus mechanisch abgelagerten Sedimentpartikeln. Die Korngrösse der Partikel in einem Sedimentgestein kann dabei ebenso variieren, wie die Herkunft und Gesteinsart. Aus der Korngrösse, -form und -zusammensetzung können wertvolle Informationen abgeleitet werden. Der Kalknagelfluh-Findling besteht aus kalkhaltigen, gerundeten Komponenten unterschiedlicher, teilweise erheblicher, Grösse, die von einem feinkörnigen Zement zusammengehalten werden. Die gerundete Form lässt auf den Transport im Wasser schliessen, die variierende und durchschnittlich eher grosse Korngrösse deutet auf einen Fluss mit hoher, aber auch schwankender Fliessgeschwindigkeit hin. Es handelt sich hierbei um Abtragungsschutt der sich hebenden Alpen, der vor 25 Mio. Jahren in der Zentralschweiz abgelagert wurde.
• Chemische und chemisch-biogene Sedimente entstehen durch Ausfällung von Bestandteilen von Gesteinen, welche bei der Verwitterung der Gesteine in Lösung gegangen und mit dem Flusswasser in das Meer verfrachtet wurden. Die Gipskeuper bei Station 6 wurden unmittelbar aus dem verdunstenden Meerwasser ausgefällt. Calcit (Calciumcarbonat) wurde von Organismen zum Aufbau von Skelettelementen ausgefällt, aus denen nach Absterben der Organismen biogene Sedimente, wie z. B. die für den GeoWeg so bedeutsamen Schichten des Muschelkalks, entstanden.

Metamorphe Gesteine entstehen durch Änderung des Mineralbestands, der chemischen Zusammensetzung und des Gefüges in festem Zustand. Sie können aus allen Gesteinsarten entstehen, wenn diese hohen Temperaturen und hohem Druck im Erdinnern ausgesetzt sind. Die Metamorphose erfolgt bereits bevor das Gestein vollständig aufgeschmolzen ist, jedoch muss die Temperatur so hoch sein, dass sich die Gesteine durch Rekristallisation und chemische Reaktionen umwandeln. Der Gneis unter den Findlingen gehört zu den metamorphen Gesteinen. Er ist das Resultat eines magmatischen Gesteins mit der Zusammensetzung eines Granits, indem sich infolge hoher Temperatur und hohen Drucks die Minerale neu angeordnet und eine gebänderte, und im Gegensatz zum Granit besser sortierte, Struktur herausgebildet hat.

Seit der Hebung der Alpen über die Meeresfluten vor 35 Millionen Jahren wurden sie Stein für Stein durch Wind und Wasser abgetragen. So wurden gewaltige Gesteinsmengen als deltaförmige Schuttfächer in das vorgelagerte Becken des heutigen Mittellandes geschüttet. Dies führte in Alpenrandnähe zur Bildung von groben Nagelfluh-Gesteinen (Rigi, Speer, Höhronen), in der Mitte des Beckens von vorwiegend Sandsteinen und weiter nördlich von Mergel- und Tonsteinen.

In diesen als Molasse bezeichneten Schichten finden sich einerseits versteinerte Muscheln und Austern, wie sie nur in Meeren leben, anderseits aber auch versteinerte Reste von Landpflanzen. Diese verdeutlichen einen Wechsel zwischen Ablagerungen im Meer und auf dem Festland. Ursache sind die durch den Zusammenschub der Kontinente verursachten Hebungen und Senkungen nördlich der Alpen, die zeitweilig das Meer verdrängten oder erneut vorstossen liessen.

Vor 35 Millionen Jahren (Untere Meeresmolasse)

Die heutige Schweiz war damals von einem Meer bedeckt, welches durch den 2000 m tiefen Einbruch des Rheintalgrabens mit dem Nordmeer verbunden war. Durch den Zusammenschub des afrikanischen und des europäischen Kontinentes wurde dieses Meer laufend verengt. Inseln hoben sich heraus, und im Süden wurden die Gebirgsketten der Alpen aufgebaut. Gleichzeitig setzte deren Abtragung durch Wind und vor allem Wasser ein, wobei der Abtragungsschutt das Meer allmählich verdrängte und auffüllte. Oft blieb nur ein schmaler Meeresarm zurück.

Vor 28 Millionen Jahren (Untere Süsswassermolasse)

Fortschreitende Hebungen und Auffüllungen der Senken verdrängten das Meer völlig und schufen eine durch Flüsse und Seen geprägte Vorlandebene. Flüsse lagerten auch den Sand für die an dieser Station sichtbaren Sandsteinfelsen ab.

Vor 22 Millionen Jahren (Obere Meeresmolasse)

Unter der Last der gewaltigen Schuttmengen senkte sich das alpine Vorland ein. Von Südwesten, vom Mittelmeerraum her, stiess ein flaches Meer erneut in diese Senken vor und überflutete das heutige Mittelland.

Vor 17 - 11 Millionen Jahren (Obere Süsswassermolasse)

Weitere Hebungen des Alpenvorlandes liessen dieses Meer wieder verlanden und endgültig verdrängen. Es entstand wieder eine ausgedehnte festländische Überschwemmungsebene, auf welcher die grossen Flüsse ihr Material deponierten.