Geowissenschaft

Abbildung 11.9: Fossiler Haifischzahn (links) und moderne Haifischzähne (rechts).

Abbildung 11.10: Fossil von Tyrannosaurus rex, das einem lebenden Organismus ähnelt.

Während es heute offensichtlich erscheinen mag, glaubten die meisten Menschen damals nicht, dass Fossilien einst Teil von Lebewesen waren. Der Grund dafür war, dass die Fossilien von Muscheln, Schnecken und anderen Meerestieren in hohen Bergen gefunden wurden, meilenweit entfernt von jedem Ozean. Zwei Denkschulen erklärten diese Fossilien. Einige religiöse Autoren glaubten, dass die Muscheln während der biblischen Flut angeschwemmt wurden. Aber diese Erklärung konnte nicht die Tatsache erklären, dass die Fossilien nicht nur auf den Bergen gefunden wurden, sondern auch innerhalb der Berge, in Felsen, die tief unter der Erdoberfläche abgebaut worden waren. Auf der Suche nach einer alternativen Erklärung schlugen andere Autoren vor, dass sich die Fossilien innerhalb der Felsen als Ergebnis mysteriöser Kräfte gebildet hätten. Mit anderen Worten: Fossile Muscheln, Knochen und Zähne waren nie Teil eines Lebewesens!

Steno hatte andere Vorstellungen. Für Steno war die große Ähnlichkeit zwischen Fossilien und modernen Organismen nicht zu übersehen. Anstatt übernatürliche Kräfte zur Erklärung von Fossilien heranzuziehen, schloss Steno, dass Fossilien einst Teile von Lebewesen waren. Er versuchte dann zu erklären, wie fossile Muscheln in Felsen weit entfernt von jedem Ozean gefunden werden konnten. Wie beim Tyrannosaurus rex in Abbildung 11.10 ähneln Fossilien lebenden Organismen.

Überlagerung von Gesteinsschichten

Steno schlug zunächst vor, dass, wenn ein Gestein die Fossilien von Meerestieren enthielt, das Gestein aus Sedimenten gebildet wurde, die am Meeresboden abgelagert wurden. Diese Gesteine wurden dann angehoben, um zu Bergen zu werden. Basierend auf diesen Annahmen stellte Steno eine bemerkenswerte Reihe von Vermutungen auf, die heute als Stenosche Gesetze bekannt sind.

Ursprüngliche Horizontalität

Da Sedimente unter Wasser abgelagert werden, bilden sie flache, horizontale Schichten (Abbildung 11.11). Wenn ein Sedimentgestein gekippt gefunden wird, wurde die Schicht nach ihrer Entstehung gekippt.

Abbildung 11.11: Sedimentschichten, die horizontal abgelagert wurden.

Laterale Kontinuität

Sedimente wurden in kontinuierlichen Schichten abgelagert, die den Wasserkörper, in dem sie abgelagert wurden, überspannen. Wenn ein Tal Sedimentschichten durchschneidet, kann man davon ausgehen, dass die Gesteine auf beiden Seiten des Tals ursprünglich kontinuierlich waren.

Überlagerung

Sedimentäre Gesteine werden übereinander abgelagert. Daher befinden sich die jüngsten Schichten oben und die ältesten Schichten unten in der Abfolge.

Querschnittsbeziehungen

Abbildung 11.12: Querschnittsbeziehungen: älterer gebänderter Gneis mit einer weißen Granitintrusion. Der Granit muss jünger sein als der Gneis, weil er den vorhandenen Gneis durchschneidet.

Eine Gesteinsformation oder -oberfläche, die andere Gesteinsschichten durchschneidet, ist jünger als die Gesteinsschichten, die sie durchschneidet. Wenn zum Beispiel eine magmatische Intrusion durch eine Reihe von metamorphen Gesteinen geht, muss die Intrusion jünger sein als die metamorphen Gesteine, die sie durchschneidet (Abbildung 11.12).

Der Grand Canyon bietet eine hervorragende Illustration der Stenoschen Gesetze. Abbildung 11.13 zeigt die vielen horizontalen Schichten von Sedimentgestein, aus denen der Canyon besteht. Dies veranschaulicht sehr schön das Prinzip der ursprünglichen Horizontalität. Die jüngsten Gesteinsschichten befinden sich oben im Canyon, während die ältesten unten liegen, was durch das Gesetz der Überlagerung beschrieben wird. Markante Gesteinsschichten, wie z. B. der Kaibab-Kalkstein, lassen sich über die weite Ausdehnung des Canyons zuordnen. Wir wissen, dass diese Gesteinsschichten einst miteinander verbunden waren, was durch das Gesetz der lateralen Kontinuität beschrieben wird. Schließlich durchschneidet der Colorado River alle Schichten des Sedimentgesteins und bildet so den Canyon. Nach dem Prinzip der Querschnittsbeziehungen muss der Fluss jünger sein als alle Gesteinsschichten, die er durchschneidet.

Abbildung 11.13: Grand Canyon, mit dem Kaibab-Kalkstein an der Spitze des Canyons.

Bestimmen des relativen Alters von Gesteinen

Das relative Alter eines Gesteins ist sein Alter im Vergleich zu anderen Gesteinen. Wenn man das relative Alter von zwei Gesteinsschichten kennt, weiß man, welche älter und welche jünger ist, aber man weiß nicht, wie alt die Schichten in Jahren sind. In manchen Fällen ist es sehr knifflig, die Abfolge der Ereignisse zu bestimmen, die zu einer bestimmten Formation führen. Nehmen Sie das Beispiel, Abbildung 11.14:

Abbildung 11.14: Querschnitt durch sedimentäre Schichten: (A-C) magmatische Intrusion, (D) Querschnitt, (E) Verwerfung.

Das Prinzip der Querschnittsbeziehungen besagt, dass eine Verwerfung oder Intrusion jünger ist als die Gesteine, die sie durchschneidet. Die mit „E“ bezeichnete Verwerfung durchschneidet alle drei Sedimentgesteinsschichten (A, B und C) und durchschneidet auch die Intrusion (D). Die Verwerfung muss also die jüngste Formation sein, die zu sehen ist. Die Intrusion (D) schneidet durch die drei Sedimentgesteinsschichten, also muss sie jünger sein als diese Schichten.

Das Überlagerungsprinzip besagt, dass die ältesten Sedimentgesteinseinheiten unten und die jüngsten oben liegen. Demnach ist Schicht C die älteste, gefolgt von B und A. Die vollständige Abfolge der Ereignisse ist also wie folgt:

1. Schicht C entstand.
2. Schicht B entstand.
3. Schicht A entstand.
4. Als die Schichten A-B-C vorhanden waren, bildete sich Intrusion D.
5. Intrusion D schnitt durch die Schichten A-C.
6. Verwerfung E bildete sich und verschob die Gesteine A bis C und Intrusion D.
7. Witterung und Erosion traten auf und bildeten eine Erdschicht auf der Schicht A.

Unkonformitäten in Gesteinsschichten

Steno entdeckte die Regeln für die Bestimmung des relativen Alters von Gesteinsschichten, aber er hatte kein gutes Verständnis dafür, wie lange es dauern würde, bis sich diese Gesteinsformationen bildeten. Zu dieser Zeit glaubten die meisten Europäer, dass die Erde etwa 6.000 Jahre alt sei, eine Zahl, die auf der geschätzten Zeitspanne für die in der Bibel beschriebenen Ereignisse basierte. Einer der ersten, der diese Zeitskala in Frage stellte, war ein schottischer Geologe namens James Hutton (1726-1797). Hutton, der oft als Begründer der modernen Geologie bezeichnet wird, formulierte eine Philosophie, die als Uniformitarismus bezeichnet wird: Die Gegenwart ist der Schlüssel zur Vergangenheit. Dem Uniformitarismus zufolge wirkten dieselben Prozesse, die wir heute um uns herum sehen, auch in der Vergangenheit. Wenn zum Beispiel Erosion und Ablagerung heute langsam ablaufen, sind sie wahrscheinlich schon immer langsam abgelaufen.

Hutton entdeckte Stellen, an denen Sedimentgesteinsschichten auf einer erodierten Oberfläche liegen. Eine solche Formation nennt man Diskordanz, also eine Lücke in den Gesteinsschichten, an der einige Gesteinsschichten weggetragen wurden. Hutton rekonstruierte die Abfolge der Ereignisse, die zu dieser Formation führten. Betrachten Sie zum Beispiel die berühmte Diskordanz bei Siccar Point an der Küste von Schottland (Abbildung 11.15).

Abbildung 11.15: Huttons Diskordanz an der Küste von Schottland.

Aus Abbildung 15 lassen sich mindestens neun geologische Ereignisse ableiten:

1. Eine Reihe von Sedimentschichten wird auf einem Meeresboden abgelagert.
2. Die Sedimente verfestigen sich zu Ablagerungsgestein.
3. Das Ablagerungsgestein wird gehoben und gekippt, wodurch es über der Meeresoberfläche freigelegt wird.
4. Die gekippten Schichten werden durch Regen, Eis und Wind erodiert und bilden eine unregelmäßige Oberfläche.
5. Ein Meer bedeckt die erodierten Sedimentgesteinsschichten.
6. Neue Sedimentschichten werden abgelagert.
7. Die neuen Schichten verhärten zu Sedimentgestein.
8. Diese Schichten sind gekippt.
9. Eine Hebung findet statt, die die neuen Sedimentgesteine über der Meeresoberfläche freilegt.

Hutton erkannte, dass ein enormer Zeitraum nötig war, um die wiederholten Episoden von Ablagerung, Gesteinsbildung, Hebung und Erosion zu erklären, die zur Bildung einer Diskordanz, wie die am Siccar Point, führten. Hutton erkannte, dass das Alter der Erde nicht in Tausenden von Jahren, sondern in Millionen von Jahren gemessen werden sollte.

Gesteinsschichten zuordnen

Überlagerungen und Querschnitte sind hilfreich, wenn sich Gesteine berühren, aber sie sind nutzlos, wenn Gesteine kilometerweit oder sogar kontinental voneinander entfernt sind. Drei Arten von Hinweisen helfen Geologen, Gesteinsschichten über große Entfernungen hinweg zuzuordnen. Der erste ist die Tatsache, dass sich einige sedimentäre Gesteinsformationen über große Entfernungen erstrecken und über große Regionen hinweg erkennbar sind. Zum Beispiel kann die Pierre Shale Formation über die Great Plains hinweg erkannt werden, von New Mexico bis North Dakota. Die berühmten White Cliffs of Dover im Südwesten Englands können mit ähnlichen weißen Klippen in Dänemark und Deutschland verglichen werden.

Ein zweiter Anhaltspunkt könnte das Vorhandensein eines Schlüsselbetts sein, oder eine besonders markante Gesteinsschicht, die über ein großes Gebiet hinweg erkennbar ist. Vulkanische Ascheströme eignen sich oft als Schlüsselbett, da sie weit verbreitet und leicht zu identifizieren sind. Das wohl berühmteste Beispiel für ein Schlüsselbett ist eine Tonschicht, die an der Grenze zwischen der Kreidezeit und dem Tertiär, der Zeit, in der die Dinosaurier ausstarben, gefunden wurde (Abbildung 11.16). Diese dünne, nur wenige Zentimeter dicke Sedimentschicht enthält eine hohe Konzentration des Elements Iridium. Iridium ist auf der Erde selten, aber in Asteroiden häufig. Im Jahr 1980 schlug ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Luis Alvarez und seinem Sohn Walter vor, dass ein riesiger Asteroid vor etwa 66 Millionen Jahren auf der Erde einschlug und Waldbrände, sauren Regen und Klimaveränderungen verursachte, die die Dinosaurier auslöschten.

Abbildung 11.16: Weiße Tonschicht, die die Kreide-Tertiär-Grenze markiert.

Abbildung 11.17: Geologische Zeitskala.

Eine dritte Art von Hinweisen, die Wissenschaftlern helfen, verschiedene Gesteinsschichten zu vergleichen, sind Indexfossilien. Erinnern Sie sich, dass Indexfossilien die Überreste von Organismen sind, die weit verbreitet waren, aber nur für eine relativ kurze Zeit existierten. Wenn zwei Gesteinseinheiten die gleiche Art von Indexfossilien enthalten, ist ihr Alter wahrscheinlich sehr ähnlich.

Als Wissenschaftler Fossilien aus der ganzen Welt sammelten, erkannten sie, dass Gesteine unterschiedlichen Alters unterschiedliche Arten von Fossilien enthalten. Dieses Muster führte zur Schaffung der geologischen Zeitskala und trug dazu bei, Darwins Evolutionstheorie zu inspirieren (Abbildung 11.17).

Jede Ära, Periode und Epoche der geologischen Zeitskala wird durch die Fossilien definiert, die zu dieser Zeit erschienen sind. Zum Beispiel enthalten paläozoische Gesteine typischerweise Trilobiten, Brachiopoden und Seelilienfossilien. Das Vorhandensein von Dinosaurierknochen deutet darauf hin, dass ein Gestein aus dem Mesozoikum stammt, und die bestimmte Dinosaurierart ermöglicht es, das Gestein als Trias, Jura oder Kreide zu identifizieren. Das Känozoikum ist auch als das Zeitalter der Säugetiere bekannt, und das Quartär stellt die Zeit dar, in der sich die ersten Menschen über die Erde ausbreiteten.

Zusammenfassung der Lektion

Nicholas Steno formulierte die Prinzipien, die es Wissenschaftlern erlauben, das relative Alter von Gesteinen zu bestimmen, erstmals im 17. Steno stellte fest, dass Sedimentgesteine in kontinuierlichen, horizontalen Schichten gebildet werden, wobei jüngere Schichten auf älteren Schichten liegen. Ein Jahrhundert später entdeckte James Hutton das Gesetz der Querschnittsbeziehungen: eine Verwerfung oder eine eruptive Intrusion ist jünger als das Gestein, das sie durchschneidet. Hutton war auch der erste, der erkannte, welch enorme Zeitspannen nötig sind, um eine Diskordanz zu erzeugen, also eine Stelle, an der Sedimentgestein über einer erodierten Oberfläche liegt.

Weitere Methoden kommen ins Spiel, wenn man Gesteinsschichten vergleicht, die durch eine große Distanz getrennt sind. Viele Sedimentgesteinsformationen sind großflächig und über eine Region hinweg zu erkennen. Markante Gesteinsschichten, sogenannte Schlüsselbetten, sind ebenfalls nützlich, um Gesteinseinheiten zu korrelieren. Fossilien, insbesondere Leitfossilien, sind die nützlichste Methode, um verschiedene Gesteinsschichten zu vergleichen. Veränderungen von Fossilien im Laufe der Zeit führten zur Entwicklung der geologischen Zeitskala.

Review Questions

1. Im 15. Jahrhundert findet ein Bauer einen Stein, der genau wie eine Muschelschale aussieht. Was schloss der Bauer wohl daraus, wie das Fossil dorthin kam?
2. Welches von Stenos Gesetzen wird durch jedes der folgenden Bilder in Abbildung 11.18 veranschaulicht?
3. Welche Reihenfolge haben die Gesteinseinheiten in Abbildung 11.19, von den ältesten bis zu den jüngsten?
4. Welche Art von geologischer Formation ist in dem Aufschluss in Abbildung 11.20 zu sehen, und welche Abfolge von Ereignissen stellt sie dar?
5. Die drei Aufschlüsse in Abbildung 11.21 sind sehr weit voneinander entfernt. Basierend auf dem, was Sie sehen, welches Fossil ist ein Indexfossil und warum?

Abbildung 11.18: Illustration der Stenoschen Gesetze.

Abbildung 11.19: Abfolge von Gesteinseinheiten.

Abbildung 11.20: Ausschnitt.

Abbildung 11.21: Fossilien.

Vokabular

Querschnittsbeziehungen Eines der Steno’schen Prinzipien, das besagt, dass eine Intrusion oder Verwerfung jünger ist als das Gestein, das sie durchschneidet. geologische Zeitskala Eine Unterteilung der Erdgeschichte in Zeitblöcke, die sich durch geologische und evolutionäre Ereignisse unterscheiden. Schlüsselbett Eine markante, weit verbreitete Gesteinsschicht, die sich zu einem einzigen Zeitpunkt gebildet hat. laterale Kontinuität Eines der Steno’schen Prinzipien, das besagt, dass sich eine sedimentäre Gesteinsschicht seitlich so weit erstreckt wie das Becken, in dem sie sich bildet. Ursprüngliche Horizontalität Eines der Steno’schen Prinzipien, das besagt, dass Sedimentschichten zum Zeitpunkt ihrer Ablagerung horizontal oder flach liegend waren. Relatives Alter Das Alter eines Objekts im Vergleich zum Alter anderer Objekte. Superposition Eines der Steno’schen Prinzipien, das besagt, dass in einer Abfolge von Sedimentgesteinsschichten die älteste Schicht unten und die jüngste Schicht oben liegt. Diskordanz Eine Grenze zwischen Gesteinen sehr unterschiedlichen Alters. Diskordanzen sind oft durch eine Erosionsfläche gekennzeichnet. Uniformitarismus Die Vorstellung, dass die geologischen Prozesse, die das Land heute formen, während der gesamten Erdgeschichte im Wesentlichen auf die gleiche Weise gewirkt haben.

Betrachtungspunkte

• Warum glaubten zu Nicholas Stenos Zeiten die meisten Menschen nicht, dass die Fossilien die Überreste uralter Organismen waren?
• Wie erklärte Steno das Vorhandensein von Meeresfossilien im Hochgebirge?
• Welche Bedeutung hatten Diskordanzen für James Hutton?
• Wie kann man das relative Alter von zwei Gesteinsschichten bestimmen, die sehr weit voneinander entfernt sind?