Logo der Seiten zum Thema Ökosystem Erde

Das globale Ökosystem

Die Gesteinshülle der Erde

Über den Kreislauf der Gesteine und andere Kreisläufe sind die geologischen Vorgänge in der Gesteinshülle untrennbar mit dem Leben auf der Erde verbunden; Erdbeben und Vulkanausbrüche beeinflussen immer wieder den Lauf der Geschichte. Gesteine sind zudem wichtige Lagerstätten für mineralische und andere Rohstoffe, wie die fossilen Brennstoffe.

Foto von El Capitán / Agathla Peak

El Capitán (auch: Agathla Peak) in Arizona: der Rest eines großen Vulkans, der zum Teil durch Erosion abgetragen wurde. Im unteren Teil des Fotos ist reichlich abgetragenes Sediment zu sehen. Ausschnitt eines Fotos von Geographer, >> wikipedia commons, Lizenz: >> cc by 2.5.

Die Gesteinshülle der Erde - die Lithosphäre - besteht aus der Erdkruste und der obersten Schicht des Erdmantels. Die Erdkruste ist eine fünf bis 80 Kilometer dicke Schicht aus vergleichsweise leichtem Gestein (ihre Dichte beträgt 2,7 – 3 g/cm³): Sie ist wirklich nur die Haut der Zwiebel; eine Haut allerdings, auf der alle Kontinente, Inseln und Ozeane (und auch alle Lagerstätten für Kohle, Öl, Gas und Mineralien) liegen. Sie ist mit der oberste Schicht des dichteren Erdmantels (seine Dichte beträgt 4,5 g/cm³) verbunden, insgesamt ist die Lithosphäre 60 bis 160 Kilometer dick; sie schwimmt auf einer Astenosphäre genannten Fließschicht, einem Bereich teilweise aufgeschmolzenen Gesteins, der ebenfalls zur oberen Schicht des Erdmantels gehört. Die Lithosphäre bildet allerdings keine geschlossene "Sphäre", sondern besteht aus verschiedenen Lithosphärenplatten, die sich gegenseitig verschieben können. Mit diesen Bewegungen der Lithosphärenplatten sind einige der beeindruckendsten - und folgenreichsten - Naturphänomene wie Erdbeben und Vulkanausbrüche verbunden. Erklärt werden sie von der >> Plattentektonik. Die Lithosphäre verbindet das >> Innere der Erde mit den äußeren "Sphären" des Ökosystems Erde. (Ihre Zugehörigkeit zum inneren Bereich zeigt sich auch daran, dass Wärme aus dem Erdinneren die wesentliche Antriebskraft etwa der Plattentektonik darstellt; bei den äußeren Komponenten ist die Energie der Sonne die wichtigste Energiequelle.)

Die Gesteinen der Gesteinshülle werden in drei große Gesteinsgruppen eingeteilt: magmatische Gesteine, Sedimentgestein und metamorphe Gesteine. Magmatische Gesteine entstehen, wenn Gesteinsschmelze aus großen Tiefen z.B. in Vulkanen an die Oberfläche der Erde gelangt und kristallisiert. Wenn die Schmelze tief unter der Erdkruste langsam in anderen Gesteinen abkühlt, sprechen Geologen von "Plutoniten" (dazu gehört etwa Granit); wenn es bei Vulkanausbrüchen schnell abkühlt, von "Vulkaniten" (wie Basalt). An der Erdoberfläche sind Gesteine physikalischen und chemischen Einwirkungen ausgesetzt, die zur Verwitterung führen: Hitze und Frost führen beispielsweise zur physikalischen Verwitterung, bei der Gestein aufgelockert und zerkleinert, aber nicht in seiner chemischen Zusammensetzung verändert wird. Im Wasser gelöste Stoffe können zu einer chemischen Verwitterung führen, bei der die Minerale der Gesteine verändert oder gar aufgelöst werden. Beide Formen der Verwitterung verstärken sich gegenseitig. Das Herauslösen und Abtragen der Gesteinsbruchstücke durch Wasser, Wind und Schwerkraft wird als Erosion bezeichnet; die abgelagerten Teilchen als Sedimente.

Die Erosion führt dazu, dass immer wieder frisches Gestein der Verwitterung ausgesetzt wird. Die Sedimente können - vor allem, wenn sie durch weitere Schichten überlagert werden - durch Zusammenpressen und Verkitten durch ausgefällte Minerale wieder zu Gesteinen werden: dann sprechen Geologen von Sedimentgestein. Ein Beispiel ist Sandstein. Sedimente können aber nicht nur aus verwittertem Gestein entstehen, sondern auch durch chemische Vorgänge (z.B. durch Ausfällung, wie beim Steinsalz) oder aus den Schalen von Meerestieren (Kalkstein). Wenn Gesteine im Erdinneren hohen Temperaturen und hohem Druck ausgesetzt werden, können sich ihre chemische Zusammensetzung und ihr Mineralgefüge ändern: dann sprechen Geologen von metamorphen Gesteinen. Ein Beispiel hierfür ist Marmor, der durch Druck und Hitze aus Kalkstein und anderen karbonatreichen Gesteinen entsteht.

Wie oben beschreiben und in der folgenden Abbildung dargestellt, gehen die drei großen Gesteinsgruppen ineinander über. Daher spricht man auch vom Kreislauf der Gesteine:

Zeichnung des Kreislaufs der Gesteine

Der Kreislauf der Gesteine. Abbildung verändert nach GEOkompakt Nr. 1, S. 95.

Die Lithosphäre im "Konzert der Sphären"

Geologische Vorgänge tragen grundlegend zum Funktionieren des Ökosystems Erde bei - und die Lithosphäre ist der Bereich, in dem der wesentliche Austausch "zwischen Bio und Geo" (Nathalie Angier) stattfindet. Der oben dargestellte Kreislauf der Gesteine zeigt schon, dass vor allem die Plattentektonik die inneren und die äußeren Sphären der Erde verbindet: Die Verwitterung und Abtragung der Gesteine geht auf Temperaturunterschiede, Wind und Regen - also das >> Klima - zurück. Die Verwitterung von Gesteinen ist auch die Grundlage für die Entstehung von >> Böden; bei der chemischen Verwitterung gelöste Substanzen liefern den größten Teil des in den Meeren gelösten oder wieder ausgefällten Materials.

Seit der >> Entstehung des Lebens auf der Erde spielen zudem auch Organismen (Biosphäre) bei der Gesteinsbildung eine Rolle - Kalkstein entsteht aus den Kalkschalen von Meeresorganismen, die nach dem Absterben auf den Meeresgrund sinken und später als Sedimentgestein emporgehoben werden; die Erfindung der Fotosynthese und die darauf folgende Freisetzung von Sauerstoff in die Atmosphäre ließ zahlreiche neue Minerale entstehen und veränderte so die Gesteine (mehr dazu >> hier). Der Kreislauf der Gesteine hat auch Auswirkungen auf das Klima: Bei der Verwitterung von Silikatgestein unter Einfluss von Regen- oder Flusswasser wird Kohlendioxid in Kalziumkarbonat gebunden (die vereinfachte Formel hierfür lautet: CaSiO3 + CO2 -> CaCO3 + SiO3); im Erdinneren wird dagegen durch die Hitze Kohlendioxid aus Kalkgestein freigesetzt und kann zum Beispiel über Vulkane in die Atmosphäre gelangen. Der Kreislauf der Gesteine ist daher auch ein Bestandteil des >> Kohlenstoffkreislaufs der Erde, der über das Treibhausgas Kohlendioxid das >> Klima mitbestimmt.

Dass die Lithosphäre selbst auch einen Lebensraum für die >> Biosphäre darstellt, ist ebenfalls eine relativ neue Erkenntnis - Bakterien findet man in Gesteinen vier Kilometer unter der Erdoberfläche! Womöglich hat das Leben einen viel größeren Einfluss auf die geologischen Vorgänge, als wir uns heute vorstellen: Es gibt eine (umstrittene) Hypothese des dänischen Geologen Minik Rosink, wonach das Leben bereits die Entstehung der Kontinente wesentlich mit beeinflusst hat. Rosink glaubt, dass von ersten Lebensformen erzeugte Säuren entscheidend dafür waren, dass Basalt aus der ozeanischen Kruste in so großen Mengen verwitterte, dass große kontinentale Platten entstehen konnten. Etwa drei Viertel der Energie, mit der Gestein umgewandelt wurde, stammt nach dieser These von Lebewesen, nur ein Viertel aus dem Erdinneren.

Nicht nur der Kreislauf der Gesteine, sondern auch die mit plattentektonischen Vorgängen verbundene Gebirgsbildung führt zu Wechselwirkungen. Sich auffaltende Gebirge beeinflussen das Klima der Erde; die Hebung des Plateaus von Tibet brachte etwa den indischen Sommermonsun hervor (siehe den folgenden Kasten). Sommermonsun bedeutet heftige Regenfälle, und diese wirken über starke Erosion dann auf die Geologie des Gebirges zurück: Erhöhte Abtragung reduziert das Gewicht der Erdkruste, und dies führt zu einer hohen Hebungsrate - zur Freude der Geologen, denn hierdurch wird im Himalaja Tiefengestein zugänglich. Die Last sich auffaltender Gebirge erhöht zudem die Reibung an den Plattengrenzen, und bremst damit die Subduktion ab. Längst brauchen Geowissenschaftler leistungsstarke Rechner, um diese Wechselwirkungen nachvollziehen zu können.

Plateau von Tibet und indischer Sommermonsun

Im Sommer steigt aufgrund der Sonneneinstrahlung über dem Plateau von Tibet warme Luft auf; diese hält feuchte Meeresluft aus dem Südwesten zurück, die daher über Indien abregnet - der Sommermonsun. An den Sedimenten im Arabischen Meer kann man ablesen, dass der Monsun vor etwa acht Millionen Jahren begann; während des Monsuns fallen oft über 400 Millimeter Niederschlag im Monat (soviel wie in Deutschland in einem halben Jahr).

Der Monsun beeinflusst das Klima weit über Indien hinaus - der hier fallende Regen fehlt anderswo. Etwa zur gleichen Zeit, als der Monsun entstand, nahm der Anteil von Sand in den Sedimenten vor der Westküste Afrikas zu: Zu dieser Zeit begann offensichtlich die Austrocknung Afrikas und die Entstehung der Sahara. (Es war wohl diese Austrocknung, die in Afrika zur Entwicklung des modernen Menschen führte (>> Der Weg zum Menschen)); demnach hätten also auch wir letztendlich unseren Ursprung in der Entstehung des Himalaja und der Entstehung des Plateaus von Tibet!)

Der Schatz im Gestein

Der Kreislauf der Gesteine trägt in einigen Fällen auch zur Anreicherung von Mineralen in der Erdkruste bei - solche Anreicherungen sind als (nicht erneuerbare) "Bodenschätze" von großer wirtschaftlicher Bedeutung. Zu solchen Anreicherungen kommt es beispielsweise, wenn bei der Subduktion heißes, geschmolzenes Gestein mit Grundwasser in Kontakt kommt: dieses kann erhebliche Mengen an Stoffen aus dem Gestein lösen ("hydrothermale Lösung") und abtransportieren. Gelangen die Lösungen in zerrüttetes Gestein, kühlen sie schnell ab, die Minerale werden abgeschieden (und es entstehen sogenannte Ganglagerstätten oder Gänge). Häufig geschieht dies mit Erzen (Minerale, aus denen Metalle wirtschaftlich gewonnen werden können. Manche Metalle, die keine Verbindungen eingehen, etwa Gold, kommen auch gediegen vor (dann entstehen beim Ausfällen "Goldadern"). Aber auch fein verteilte Mineralien können wirtschaftlich abbaubar sein, so etwa der "Kupferkies" in Chile und dem Südwesten der USA.

Minerallagerstätten können auch aufgrund der Schwerkraft entstehen: In magmatischem Gestein kristallisieren manche Minerale früher aus als andere und sinken dann nach unten ab, wo sie sich am Boden der Magmakammer anreichern. So sind die meisten Chrom- und Platinerze entstanden. Auch bei der Sedimentation entstehen Lagerstätten: Da schwere Minerale beim Transport von Sedimenten schneller absinken als leichte, reichern sie sich etwa am Oberlauf von Flüssen an). So sind etwa die Goldlagerstätten entstanden, die zu den Goldräuschen in Kalifornien und am Yukon in Alaska geführt haben.

Entstehung von Kohle

Auch durch biologische Vorgänge können Rohstoffe entstehen: Wenn pflanzliches Material nicht komplett zerfällt, wie es z.B. in Sümpfen und Mooren unter Sauerstoffabschluss geschehen kann, entsteht Torf, und wenn dieser über Millionen von Jahren durch übergelagerte Sedimente immer weiter zusammengedrückt wird, entsteht schließlich Kohle: So entstanden die Kohlelager, deren Nutzung als Brennstoff der wichtigste Auslöser der >> Industriellen Revolution war.

Zeichnung zur Entstehung von Kohlelagerstätten

Entstehung von Kohlelagerstätten aus pflanzlichen Resten unter dem Einfluss von Zeit und Druck.
 Abb. nach Barbara Murck, Environmental Science 2005.

Entstehung von Erdöl und Erdgas

So ähnlich, aber aus Meeresorganismen, entstanden auch die anderen fossilen Brennstoffe wie Gas und Öl. Das Sedimentgestein mit organischen Resten sinkt im Laufe der Erdgeschichte ab, wobei durch die Temperaturen und den Druck in 2.300 bis 4.400 Meter Tiefe Erdölvorläufer (sogenannte “Kerogene”) gebildet werden. Da diese leichter als Wasser sind, wandern sie nach oben. Damit sich Erdöl bilden kann, muss über dem Muttergestein, in dem die Vorläufer entstehen, ein poröses Speichergestein liegen, in dem sich die eigentlichen Erdöle bilden können. Liegt dann über dem Speichergestein ein undurchlässiges Deckgestein, kann das Erdöl nicht austreten; für förderbare Mengen muss jedoch zudem eine “Falle” vorhanden sein, eine geologische Struktur, in der sich das Erdöl sammelt - etwa kuppelförmige Auffaltungen (sogenannte “Antikline”). Bilden sich im Laufe der Erdgeschichte Verwerfungen (Spalten) in diesen Strukturen, kann das Erdöl durchsickern - trotz vielversprechender geologischer Strukturen findet sich dann hier kein Erdöl. Wo sich Erdöl bildet, findet sich zumeist auch Erdgas (meist über dem Erdölvorkommen). Erdöl ohne Erdgas ist selten, umgekehrt jedoch nicht - Erdgas ist beweglicher als Erdöl und kann sich daher an Stellen sammeln, wohin das Öl nicht gelangt.

Zeichnung zur Entstehung von Erdöl und Erdgas

Typische Fundstelle von Erdöl und Erdgas: Über einem Muttergestein mit organischen Resten, die unter Druck und bei erhöhten Temperaturen zu Erdölvorläufern werden, liegt ein poröses Speichergestein, in dem sich Erdöl und/oder Erdgas in “Fallen” (hier: eine Aufwölbung) ansammeln. Abb. nach Barbara Murck, Environmental Science 2005.

Kohle, Gas und Öl stellen somit aus ökologischer Sicht (in Pflanzen) gespeicherte Sonnenenergie dar; allerdings wird bei ihrer Nutzung auch der aus der Atmosphäre entzogene Kohlenstoff wieder freigesetzt - Jeffrey Dukes hat errechnet, dass der Verbrauch an fossilen Brennstoffen von 1997 der Produktion von 422 Jahren “fossiler Sonnenenergie” entsprach; damit einher geht die Freisetzung enormer Mengen an fossilem Kohlenstoff (>> Klimawandel).

Geologische Entstehung von Methan und Erdöl?

Neben der oben dargestellten klassischen Lehrmeinung, dass Erdöl und Erdgas auf organische Rückstände zurückgehen, wird vor allem in Russland und in der Ukraine auch die auf den russischen Chemiker Dmitri Mendelejew - der das Periodensystem der Elemente erarbeitet hat - zurückgehende Theorie von einer geologischen Entstehung von Erdöl vertreten. Geologen, die dieser Vorstellung anhängen, sehen Erdöl und Erdgas daher als erneuerbare Energiequelle.

Tatsächlich ist im Labor eine Erzeugung von Kohlenwasserstoffen unter Drücken und Temperaturen, wie sie im oberen Erdmantel vorkommen, bereits gelungen (Übersicht: Thomas M. McCollom 2013: Laboratory Simulations of Abiotic Hydrocarbon Formation in Earth’s Deep Subsurface. Reviews in Mineralogy and Geochemistry, 75: S. 467-494, doi:10.2138/rmg.2013.75.15). Dass die klassische Lehrmeinung zumindest im Westen dennoch von einer biologischen Entstehung ausgeht, liegt daran, dass in Öl und Gas Spurenelemente und andere Stoffe vorkommen, die aus Organismen stammen, und auch die Isotopenzusammensetzung auf eine biologische Herkunft deutet. Der amerikanische Astrophysiker Thomas Gold wies aber darauf hin, dass diese Spuren auch von hitze- und druckresistenten Bakterien und Archaeen stammen können, die er als "deep hot biosphere" bezeichnete, und die von diesen Kohlenwasserstoffen leben. Dass es in großer Tiefe Lebewesen im Gestein gibt, ist ebenfalls in den letzten Jahren immer deutlicher geworden (Übersicht: Frederick S. Colwell and Steven D’Hondt 2013: Nature and Extent of the Deep Biosphere. Reviews in Mineralogy and Geochemistry 75, S. 547-574, doi:10.2138/rmg.2013.75.17).

Ob wirklich bedeutsame Mengen am Erdöl und Erdgas auf geologischem Wege entstehen, ist damit noch nicht beantwortet. Eine Antwort sucht etwa das im Jahr 2009 gegründete >> Deep Carbon Observatory - dem es daneben insgesamt um ein besseres Verständnis der Zusammenhänge zwischen den Kohlenstoffreservoiren im Erdinneren und dem >> Kohlenstoffkreislauf geht.

Das globale Ökosystem - weiter mit:
>> Die Haut der Erde - die Pedosphäre (Böden)

Weitere Informationen zum Umgang mit >> Rohstoffen im Industriezeitalter und zur Nutzung >> fossiler Brennstoffe im Industriezeitalter.

© Jürgen Paeger 2006 - 2015

Lithosphäre  von griech. lithos = Stein; Astenosphäre von griech. astenos = weich

Mitunter werden auch große Gesteinsmassen auf einmal abgetragen: dann spricht man - je nach Geschwindigkeit der Bewegung - beim Abtrag von Felsgestein von einem Bergrutsch oder Bergsturz, bei der Bewegung von feinerem Material von Schlamm-und Schuttstrom (fließende Bewegung) oder -rutschung (stürzende Bewergung).

Erst seit dem Ende des vorigen Jahrhunderts verfügen die Geowissenschaftler über die Instrumente - bis hin zur Satellitenbeobachtung - die Erde tatsächlich als System zu untersuchen.