Geologisches Gedächtnis

Von der chemischen Zusammensetzung einer Gesteinsprobe können Geo­wissenschaftler auf die Entstehungsgeschichte eines Gebirges schließen.

Was für die meisten Menschen einfach nur ein Stein ist, ist für die Kieler Mineralogen Professor Ladislav Cemic und Dr. Artur Benisek das ›geologische Gedächtnis‹ eines Gebir­ges. Gespeichert ist dieses Gedächtnis unter anderem in der chemischen Zusammen­setzung der im Gestein enthal­tenen Minerale. Denn daraus kann auf die Druck- und Temperaturbedingungen geschlossen werden, unter denen der Stein in der tiefen Erdkruste während der Gebirgs­bildung entstanden ist.

Besonders genau untersucht haben die Kieler Wissen­schaftler das ›Temperatur-Gedächtnis‹ von Feldspat. Feld­späte gehören zu den häufigsten und wichtigsten Mineralen überhaupt. Fast 60 Prozent der oberen Erdkruste sind Feldspäte. Ihre Zusammensetzung variiert erheblich. »Vor allem das Natrium-Kalium- und das Natrium-Calcium-Verhältnis in Feldspat findet man in einer gewissen Variationsbreite. Es ist charakteristisch für die Temperatur, bei der sich das Gestein gebildet hat«, erklärt Benisek vom Lehrstuhl für Experimentelle und Theoretische Petrologie.

Um von der chemischen Zusammensetzung auf die Bildungs­temperatur schließen zu können, ging er zunächst den umgekehr­ten Weg. Er stellte Feldspäte mit unterschiedlicher Zusammen­setzung her. Dazu wurden Natrium-, Calcium-, Kalium-, Aluminium- und Siliziumoxide vermischt und bei Temperaturen um 1500 Grad Celsius geschmolzen. »Dabei haben wir das Natrium-Kalium-Verhältnis und das Natrium-Calcium-Verhältnis variiert«, so Benisek. »Es entstanden Gläser, die bei niedrigerer Temperatur (um 1100 Grad Celsius) auskristallisieren, und zwar genau zu dem Feldspat, mit der in den Gläsern verschmolzenen Zusammensetzung.«

Die physikalischen Eigenschaften der Feldspäte bei Temperaturänderungen wurden anschließend in einem Lösungskalorimeter untersucht. »Dazu haben wir die Kristalle wieder aufgelöst. Bei diesem Lösen wird Wärme verbraucht, wie wenn man Zucker im Kaffee löst, dann wird der Kaffee ein bisschen kühler.« Die Unterschiede in den Lösungswärmen, also der Temperatur, bei der sich die verschiedenen Feldspäte lösten, wurden gemessen. Die Ergebnisse mündeten in ein thermodynamisches mathematisches Modell, mit dem die Temperatur berechnet werden kann, die bei der Entstehung der Feldspäte geherrscht haben muss. »Unser erarbeitetes Modell haben wir an natürlichen Proben aus Sri Lanka, die von einer anderen Arbeitsgruppe analysiert wurden, getestet«, ergänzt Lehrstuhl-Leiter Professor Ladislav Cemic. »Die Ergebnisse passen.«

Das neue an den in zwei Fachzeitschriften veröffentlichten Untersuchungen der Kieler Wissenschaftler ist, »dass es jetzt für die Feldspäte einen fast vollständigen Datensatz gibt«, so Benisek. Wer jetzt erfahren möchte, bei welcher Temperatur eine bestimmte Feldspatprobe gebildet wurde, muss nur die chemische Zusammensetzung kennen und kann dann aus diesem Datensatz die Bildungstemperatur ablesen. Diese Temperatur erlaubt, in Kombination mit anderen Methoden Rükkschlüsse auf die Entstehungsgeschichte des Gebirges zu ziehen.

Wie das? Benisek: »Wenn ich weiß, wie sich das Gestein entwickelt hat, wenn ich also die Temperatur- und Druckentwicklungen herauslesen kann aus dem Gestein, das ich in der Hand habe. Dann kann ich ein geologisches Modell von dieser Entstehung machen. Ich kann sagen, wie tief das Gestein in die Erdkruste abgetaucht ist, weil man weiß, welche Druck- und Temperaturbedingungen dort herrschen.« (ne)

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