Entstehung der
Gesteine und Mineralien
Ein Gestein ist ein in der Natur vorkommendes Gemenge, das aus Komponenten wie Mineralien, Gläsern oder Rückständen von ehemaligen Lebewesen besteht. Die Silicate wie die Mineralien der Feldspat-Gruppe, Quarz, Glimmer, Olivin und die Amphibole machen den größten Anteil am Aufbau der Gesteine aus. Häufig sind auch Carbonate wie Kalkstein oder Dolomit gesteinsbildend. Gesteine und die darin vorkommenden Mineralien lassen sich nach der Art ihrer Entstehung unterscheiden.
Basaltsäulen in Island
Magmatische Entstehung
Bei Vulkanen treten geschmolzene Gesteine in Form von Lava an die Oberfläche und erstarren allmählich. Beim Erkalten des Magmas an der Luft entstehen die Ergussgesteine oder die Vulkanite. Zu diesen zählt zum Beispiel der Basalt. Durch den schnellen Abkühlungsprozess können sich nur kleine Kristalle bilden. Die winzigen Kristalle bestimmen aber die Ordnung im Aufbau des Basalts, sie sind für die typische Form der großen Basaltsäulen verantwortlich, wenn diese verwittern. Wenn sich beim Abkühlungsprozess keine kristalline Ordnung ausbildet, entsteht vulkanisches Glas, zu dem der Obsidian gezählt wird. Er entsteht gerne beim Abkühlen von zähflüssiger Lava, man findet ihn beispielsweise an den Hängen des Ätnas in Sizilien oder am Vesuv bei Neapel. Bims ist ein schaumartiges Vulkanglas mit geringer Dichte, das mit vielen Hohlräumen durchzogen ist. Es entsteht, wenn ein Lavastrom beim Erkalten von Gasen durchströmt wird. Aufgrund seiner Dichte von nur 0,3 Gramm pro Kubikzentimeter schwimmt Bimsgestein auf dem Wasser.
Magmatische Gesteine: Basalt aus Island, Obsidian aus Lipari/Italien, Bims
In dem in tiefen Schichten vorkommenden Magma finden sich Stoffe, die vor allem Silicium-, Aluminium- und Eisen-Ionen, sowie Ionen mit Sauerstoff enthalten. Beim langsamen Abkühlen entstehen durch Kristallisation gesteinsbildende Mineralien. Das Abkühlen der Schmelze im Erdinneren erfolgt langsamer. Dort entstehen dann unter hohem Druck und hoher Temperatur Tiefengesteine oder die Plutonite. Der Granit ist das am häufigsten vorkommende Tiefengestein. Die Komponenten dieses Gemenges bestehen aus Quarz, Feldspat und Glimmer. Die Farbe des Granits wird vor allem durch die Zusammensetzung der Feldspäte bestimmt. Diese können rötlich, gelblich, weißlich oder bläulich erscheinen. In den Tiefengesteinen bildet sich auch die Mineralien der Olivin-Gruppe. Diese bauen die Gesteinsgruppe der Peridotite auf, die aber noch weitere farbige Mineralien enthalten können. Zu den Tiefengesteinen gehört auch der Kimberlit, der neben Olivinen auch Glimmer und Ilmenit enthält. Darin entstehen unter hohem Druck und bestimmten Bedingungen auch die wertvollen Diamanten.
Granit und seine Komponenten: Quarz (mit hellem Feldspat), roter Feldspat und schwarzer Glimmer
Zwischen den Ergussgesteinen und den Tiefengesteinen liegen die Ganggesteine. Die Mineralien darin bilden sich auf dem Weg des Magmas im Gang nach oben. Zu diesem Gesteinstyp wird der Granitporphyr gezählt, der im Vergleich zum Granit feinkörniger ist. Bei der Abkühlung einer Schmelze auf dem Weg nach oben bilden sich auch immer wieder Hohlräume, in denen unter besonders günstigen Bedingungen Mineralien und Kristalle wachsen können. Die Hohlraumbildung ist besonders dann günstig, wenn die Schmelze auf wenige hundert Grad abgekühlt ist. Dann werden die Gesteine nicht mehr plastisch verformt, sondern zerbrechen unter Druckeinwirkung, was Kluft-Bildungen und Verwerfungen begünstigt. Manche Kristallklüfte in den Schweizer Alpen erreichen Durchmesser von mehr als zwanzig Metern. Wenn aus der Tiefe aufsteigendes, heißes Wasser, das gelöste Mineralstoffe enthält, in einen Hohlraum gelangt, werden die Mineralstoffe ausgefällt und kristallisieren dabei aus. Auf diese Weise können Klüfte mit Quarzkristallen von mehreren Metern Größe entstehen. In den magmatischen Klüften der Alpen finden sich auch eine Vielzahl zu schönen Kristallen ausgebildeten Mineralien, zum Beispiel die Titanmineralien Rutil und Titanit.
Je langsamer, je länger und je ungestörter das mineralstoffreiche Wasser in einer Kluft zirkuliert, umso größer und regelmäßig ausgebildeter entwickeln sich die Kristalle. Dieser Prozess kann viele Millionen Jahre andauern. Die schönsten Kristalle entwickeln sich in den Pegmatiten. Dies sind meist quarz- und feldspatreiche Gesteine, die bei der Erstarrung des Magmas erst bei tieferen Temperaturen aus der Restschmelze auskristallisieren. Darin finden sich auch Edelsteine und seltene Mineralien wie Turmalin oder Beryll.
Sedimentäre Entstehung
Sedimentgesteine entstehen durch Verwitterung und Erosion unter Einfluss der Sonne, des Wassers, des Windes, der Temperaturschwankungen und der Lebewesen. Wenn Material durch Bäche und Flüsse in einem Delta abgelagert wird, werden diese Ablagerungen später verdichtet und verkitten zu Konglomerat. Ton, Sand und Kies sind auf diese Weise entstanden. Ton ist ein feinkörniges Gestein, das neben einigen anderen Komponenten das Mineral Kaolinit enthält. Im trockenen Zustand ist Ton hart, bei der Zugabe von Wasser wird er plastisch verformbar. In seinen feinsten Poren kann er Wasser festhalten, daher kann Ton Grundwasser stauen. Als Baustoff für die Herstellung von Ziegeln und feuerfesten Steinen ist er begehrt. Einen kalkarmen Ton bezeichnet man als Lehm, einen hellen, kalkreichen Ton dagegen als Mergel. Durch Entwässerung und unter Druck entsteht aus dem Ton der Tonschiefer. Es ist der typische Schiefer für Hausverkleidungen und Dächer.
Sedimentgesteine: Ton, Mergel, Tonschiefer
Der Sandstein ist das am weitesten verbreitete Sedimentgestein. Er entsteht durch Verdichtung und Verkittung von quarzhaltigen Sandkörnern mit Ton oder Kalk. Die alten Stadthäuser der Stadt Bern, das Bundeshaus und das Berner Münster sind beispielsweise aus olivgrünem Sandstein gebaut. Dieser ist relativ weich und gut bearbeitbar. Für die grüne Farbe ist das Mineral Glaukonit verantwortlich. Sandstein mit geringen Beimengungen anderer Mineralien erscheint grau, Hämatit färbt Sandstein dagegen rot.
In der Berner Altstadt sind viele Gebäude aus olivgrünem Sandstein gebaut.
Am Meeresboden entstehen durch Mineralstoffablagerung und durch biologische Abbauprozesse Sedimente. Plattenkalk bildet sich durch chemische Ausfällung des wasserlöslichen Calciumhydrogencarbonates im Wasser. Zwischen den Platten findet man in Solnhofen beispielsweise Versteinerungen. Solnhofer Plattenkalk ist ein bedeutender Naturwerkstein. Muschelkalk entsteht durch die Ablagerung der harten Kalkschalen toter Meerestiere. Nach dem Zurückweichen des Meeres sind Kalkgebirge wie die Schwäbische Alb entstanden. Bei Kristallisationsprozessen in wasserhaltigen Hohlräumen der Kalkgebirge entsteht das Mineral Calcit, das bei hoher Reinheit glasklare Kristalle ausbilden kann. Reagiert der Kalk im Meerwasser mit Magnesium-Ionen, entsteht Dolomit. Nach diesem Mineral sind die Dolomiten benannt.
Die Sella-Gruppe in den Dolomiten ist aus Dolomit, Kalkstein, Mergel und Sandstein aufgebaut.
Unter besonderen Bedingungen entstehen durch chemische Sedimentation Gips- oder Salzablagerungen. In den Hohlräumen kristallisieren Mineralien aus, die gleichzeitig das Sedimentgestein aufbauen. Mineralien wie Anhydrit, Gips oder Steinsalz haben sich so gebildet. Die Eisenerzlagerstätten sind ebenfalls sedimentär in der Frühgeschichte der Erde entstanden, als die Urmeere durch zahlreiche Meteoriteneinschläge mit Eisensalzen angereichert wurden und diese am Meeresboden sedimentierten. In sedimentär entstandenen Klüften finden sich Mineralien wie der strontiumhaltige Coelestin oder in sedimentär entstanden Manganerz-Lagerstätten der Rhodochrosit.
Aus den organischen Resten der Farn- und Schachtelhalmwälder haben sich im Laufe der Jahrmillionen am Boden der Meere oder der Moore organische Sedimente gebildet. Zunächst bildete sich der lockere Torf. Unter Druck und Wasserentzug reicherte sich der Kohlenstoffgehalt an. Es entstand Braunkohle, später Steinkohle und zum Schluss Anthrazit, das den höchsten Kohlenstoffgehalt, die höchste Härte und den besten Heizwert besitzt. Während Torf und Braunkohle auf dem Wasser noch schwimmen, gehen Steinkohle und Anthrazit unter.
Drei Stadien aus der Umwandlung ehemaliger Lebewesen: Braunkohle, Steinkohle und Anthrazit
Metamorphe Entstehung
Die magmatisch oder sedimentär entstandenen Gesteine werden im Verlauf der Erdgeschichte immer wieder in die Erdkruste hineingeschoben, so auch bei der Verschiebung von Kontinentalplatten oder bei der Entstehung von Gebirgen. Unter dem erhöhten Druck und der erhöhten Temperatur in den tiefen Schichten machen die Gesteine eine Umwandlung oder eine Metamorphose durch. Unter diesen besonderen Bedingungen entwickeln sich die metamorphen Gesteine. Durch Metamorphose entsteht beispielsweise aus Kalk Marmor. In metamorphen Gesteinen finden sich wenig Hohlräume und kaum Fossilien.
Metamorphe Gesteine: Glimmerschiefer, Gneis und Amphibolit
Gneis ist ein grobkörniges Gestein mit einem hohen Gehalt an Feldspaten. Gneise sind im Laufe der Jahrmillionen durch mehrfache Umwandlung aus anderen Gesteinen wie Granit entstanden. Durch Druck, Faltungen und Verschiebungen der Gebirge und Kontinente wurden die ursprünglichen Gesteine umgewandelt und neu geformt. Hält man ein Gneis-Stück in der Hand, sind parallele Schichtungen zu sehen. Dies unterscheidet einen Gneis äußerlich vom Granit. Gneis ist sehr hart und eignet sich für Bodenplatten oder für den Straßenbau. Glimmerschiefer besteht überwiegend aus Quarz und hellem Glimmer. Durch einseitigen Druck entstehen die blättrigen Glimmer-Mineralien mit einer Parallelstruktur. Es können auch Feldspat, Disthen oder Staurolith enthalten sein. Amphibolit entsteht aus Basalt, Peridotit oder Mergeln. Das Gestein ist reich an Mineralien der Amphibol- oder Hornblende-Gruppe. In den drei genannten metamorphen Gesteinen kommen beispielsweise die Mineralien aus der Granat-Gruppe vor. Serpentinit entsteht aus magmatischen Gesteinen wie Peridotit. Er erscheint grünlich und leicht fleckig. Er wird gerne für Wandplatten und zur Herstellung von Kunstobjekten benutzt.
Elemente in gediegener Form und Erze zur Metallgewinnung
Zu den in der Natur vorkommenden Metallen in gediegener Form gehören beispielsweise Gold, Kupfer, Platin, Arsen, Quecksilber, Silber oder Wismut. Obwohl die Metalle in elementarer Form vorliegen, sind sie oft verunreinigt und müssen einem aufwändigen Reinigungsverfahren unterzogen werden. Nicht alle Metalle kommen aber in der Natur elementar vor.
Goldflitter aus einem Fluss
Mineralien, die im chemischen Aufbau oder als Verunreinigung Metall-Ionen enthalten, eignen sich als Erze zur Metallgewinnung, sofern sich die Gewinnung wirtschaftlich lohnt. Vom 17. Jahrhundert bis zum 19. Jahrhundert gewann man in Gondo am Simplon-Pass Gold aus goldhaltigem Pyrit oder Chalkopyrit. Die Erze wurden zusammen mit dem Ganggestein zu einem feinen Pulver zermahlen und mit reinem Quecksilber versetzt. Das Gold des Pyrits löste sich im Quecksilber und wurde durch eine Destillation abdestilliert. Auf diese Weise konnten etwa zwei Drittel des im Erz vorhandenen Golds gewonnen werden. Nach der Quecksilberbehandlung wurde das Gesteinspulver in eine Kaliumcyanid-Lauge gegeben, wobei sich das restliche Drittel Gold als Goldschwamm am Boden absetzte. Die Erze stellen auch bedeutende Rohstoffe zur Herstellung chemischer Erzeugnisse dar. Beim Rösten des Pyrits entsteht zum Beispiel Schwefeldioxid, aus dem Schwefelsäure hergestellt werden kann. Kalisalze, Dolomit oder Leucit eignen sich zur Düngemittelherstellung. Die Erze werden nach ihrem Hauptanteil der Metalle eingeteilt:
| Erzfamilie | Beispiele |
| Bleierze | Bleiglanz, Cerussit, Krokoit, Pyromorphit |
| Eisenerze | Goethit, Hämatit, Limonit, Magnetit, Siderit |
| Kupfererze | Buntkupferkies, Chalkopyrit, Covellin, Cuprit, Malachit |
| Manganerze | Rhodochrosit, Psilomelan, Pyrolusit |
| Nickelerze |
Magnetkies, Rotnickelkies, Weißnickelkies |
| Silbererze |
Akanthit, Argyrodit, Chlorargyrit, Proustit, Pyrargyrit |
| Titanerze | Anatas, Ilmenit, Rutil |
| Zinkerze | Rotzinkerz, Zinkblende, Zinkspat |
| Seltene Erden |
Bastnäsit, Euxenit, Gadolinit, Monazit, Xenotim |