Geologische Zeitrechnung - geographie.

Geologische Zeitrechnung - geographie. 1 EINLEITUNG Geologische Zeitrechnung, in der Geologie die Zeitskala, in die die Ereignisse der Erdgeschichte eingeordnet werden. Aufgabe der Geologie ist u. a. die Erforschung der Erdgeschichte. Alle Gegenstände, die sie erforscht, sind in einem geschichtlichen Prozess entstanden und verändert worden. Das betrifft die gesamte Erde, also die Lithosphäre (die Gesteine), die Hydrosphäre (die Gewässer), die Atmosphäre (die Lufthülle) und die Biosphäre (das Leben). Die Zeit, (siehe Zeitrechnung) ist der grundlegende Faktor bei allen geologischen Fragestellungen. Auch wo der historischen Geologie die allgemeine oder die regionale Geologie gegenübergestellt wird, bleiben diese auf die geologische Zeitskala bezogen. Diese Sichtweise und Methodik wurde auch auf die anderen Planeten des Sonnensystems übertragen, seitdem deren Erforschung durch die Weltraumfahrt (siehe Weltraumforschung) möglich ist (so genannte Planetengeologie, Astrogeologie). 2 DIE GEOLOGISCHE ZEITSKALA Die circa 4,6 Milliarden Jahre umfassende Erdgeschichte wird zunächst in die Äone Archaikum, Proterozoikum (die zum Präkambrium oder Kryptozoikum zusammengefasst werden) und Phanerozoikum eingeteilt. Das Phanerozoikum begann vor 570 Millionen Jahren und dauert bis heute. Es wird in drei Ären gegliedert: Paläozoikum, Mesozoikum und Känozoikum. Jede Ära wird in Perioden weiter unterteilt: das Paläozoikum in Kambrium, Ordovizium, Silur, Devon, Karbon und Perm; das Mesozoikum in Trias, Jura und Kreide; das Känozoikum in Paläogen und Neogen (die früher verbreitete Einteilung des Känozoikums in Tertiär und Quartär wird kaum noch verwendet). Jeder Abschnitt lässt sich weiter gliedern. So besteht z. B. eine Unterteilung des Neogens in vier Epochen: Miozän, Pliozän, Pleistozän und Holozän. Das Pleistozän ist mit dem Eiszeitalter identisch; mit dem Ausklingen der (vorerst) letzten Eiszeit vor rund 10 000 Jahren begann das Holozän, die geologische Jetztzeit. 3 ERDGESCHICHTLICHE FRAGEN UND METHODEN Die Geologie wertet wie jede historisch orientierte Wissenschaft Dokumente aus. Dies sind Gesteine und Fossilien sowie die Strukturen der Erdkruste. 3.1 Stratigraphie In der geologischen Forschung beruht die Auswertung von Sedimentgesteinen, die Stratigraphie, auf zwei grundlegenden Prinzipien: (1) Fast alle Sedimente werden horizontal abgelagert (zu den wenigen, leicht erkennbaren Ausnahmen gehören gewisse Schrägschichtungen). Jede Schiefstellung oder Verfaltung muss also jünger sein. (2) In einer ungestörten Schichtenfolge sind höher liegende Schichten (das Hangende) jünger als tiefer liegende (das Liegende), weil sich Sedimente stets auf bereits abgelagerten Sedimenten absetzen. Dieses so genannte stratigraphische Grundgesetz wurde bereits 1669 von Steno formuliert. Sedimente sind sehr genaue Anzeiger für das Milieu, in dem sie entstanden sind. In ihnen hinterließen der Zustand der Lithosphäre, der Atmosphäre, der Hydrosphäre und Biosphäre ihre Spuren. Eine Schichtenfolge ist daher ein Abbild eines Abschnitts der Erdgeschichte. Allerdings ist diese Art der Zeitrechnung nur relativ: Um wie viele Jahre erdgeschichtliche Ereignisse, zum Beispiel die Ablagerung von Schichten, auseinanderliegen, bleibt dabei völlig im Dunkeln. Diese Fragen ließen sich erst seit dem 20. Jahrhundert durch radiometrische Altersbestimmungen beantworten (siehe unten). 3.2 Fossilien Mit Hilfe von Fossilien, insbesondere Leitfossilien, lassen sich Schichten und Schichtprofile auch über größere Entfernungen teilweise weltweit miteinander vergleichen und korrelieren. Obwohl sich an keiner Stelle der Erde Schichten aus den ältesten Zeiten bis heute durchgehend gebildet haben und die Schichtenfolgen infolge späterer Erosion oft Lücken aufweisen, waren Geologen durch stratigraphische Forschungen doch in der Lage, die Erdgeschichte insgesamt lückenlos zu rekonstruieren. 3.3 Strukturen Geologische Strukturen sind meist umso sicherer, einfacher und eindeutiger zu interpretieren, je jünger sie sind. Oft sind ältere Strukturen durch jüngere überprägt worden. Man spricht hier in Anlehnung an einen Begriff aus der Erforschung alter Handschriften von Palimpseststrukturen. Manchmal sind ältere Strukturen von nachfolgenden Ereignissen auch völlig ausgelöscht oder überdeckt worden. So sind z. B. die Spuren älterer Eiszeiten nur noch vorhanden, wenn deren Eisvorstöße weiter reichten als die der jüngeren Eiszeiten. Andernfalls wurden sie überfahren und dabei ausgelöscht. Dann ist noch bestenfalls indirekt auf ältere Eiszeiten zu schließen. 3.4 Spurensuche Oft sind es winzige oder unscheinbare Spuren, die auf erdgeschichtliche Ereignisse oder Prozesse schließen lassen. Ein berühmt gewordenes Beispiel ist eine wenige Zentimeter mächtige, zunächst völlig unscheinbare Tonschicht an der Grenze zwischen den Perioden Kreide und Tertiär. Interessant wurde diese Schicht, als man in ihr eine so genannte Iridium-Anomalie fand: Dieses Element ist hier im Vergleich zu den Nachbargesteinen um das 30fache angereichert. Iridium ist in der Erdkruste sehr selten, kommt aber in Steinmeteoriten häufig vor. Daraus zog man den Schluss, dass diese Iridium-Anomalie einen Meteoriteneinschlag größeren Ausmaßes dokumentiert. Ein solcher Einschlag hätte katastrophale Folgen für die damalige Umwelt nach sich gezogen (vor allem eine plötzliche Klimaveränderung) und würde zumindest teilweise das massenhafte Artensterben an der Wende Kreide/Tertiär erklären, der auch die Dinosaurier zum Opfer fielen. Als alleinige Erklärung für das Aussterben der Dinosaurier ist diese Theorie inzwischen widerlegt. Die Hauptursache sucht man heute in langfristigen ökologischen und klimatischen Veränderungen. Aber der Einschlag hat wahrscheinlich zum Aussterben planktonischer Foraminiferen im Meer und zu den einschneidenden Veränderungen des Pflanzenlebens auf den Festländern beigetragen. Anfang 1997 fanden US-amerikanische Wissenschaftler im Golf von Mexiko Spuren eines gewaltigen Meteoriteneinschlags. Der Meteorit hatte einen Krater von 180 Kilometer Durchmesser erzeugt. Ein anderes Beispiel ist das Nördlinger Ries, für dessen Entstehung sich lange keine befriedigende Erklärung fand. Die Theorie, es könne durch einen Meteoriteneinschlag entstanden sein, galt als besonders unwahrscheinlich. Erst der Fund von bestimmten, nur unter dem Mikroskop sichtbaren Hochdruck-Modifikationen von Quarz, nämlich von Coesit und Stishovit, bestätigte die Meteoritentheorie, und die geologische Entstehung des Rieses konnte zufrieden stellend rekonstruiert werden. Aufgabe der Geologen ist es, die Spuren der Erdgeschichte zu finden, zu sichern und auszuwerten (weitere Beispiele siehe unten im Kapitel ,,Die Erdgeschichte im Überblick"). Das heutige Bild der Erdgeschichte ist durch das Zusammenfügen vieler kleiner Mosaiksteinchen entstanden. Trotzdem klaffen im erdgeschichtlichen Wissen noch viele Lücken. 3.5 Paläogeographie Das Bild, das die historische Geologie von den erdgeschichtlichen Perioden zeigt, verknüpft zahlreiche und sehr unterschiedliche Prozesse, Naturfaktoren und -bereiche. Deren Synthese in einem Zustandsbild für einen bestimmten Zeitpunkt oder Zeitraum der Erdgeschichte ist das Aufgabengebiet der Paläogeographie. Von grundlegender Bedeutung ist die Verteilung von Land und Meer, insbesondere Bewegung, Umgestaltung, Wachstum und Aufspaltung der Kontinente. Gemäß der Theorie der Plattentektonik können die geotektonischen Leitlinien der Erdgeschichte seit dem Beginn des Paläozoikums aus der Dynamik der Platten abgeleitet werden. 3.6 Geophysik Auch die Geophysik stellt wichtige Methoden bereit. Die Verfahren zur Altersbestimmung erlauben die absolute Datierung der erdgeschichtlichen Ereignisse. Mit Hilfe der Paläomagnetik kann das Wandern der magnetischen Pole rekonstruiert werden. Die Entdeckung und Analyse der wiederholten Umkehrung des Magnetfeldes der Erde war ein wichtiger Beleg für die Plattentektonik und erlaubte die genauere Datierung der Plattenbewegung anhand der Gesteine der Meeresböden vom Jura bis heute. 3.7 Paläontologie Besondere Bedeutung besitzt die Entwicklung der Tier- und Pflanzenwelt und ihre fossile Überlieferung. Vor der Erfindung der absoluten Datierung ermöglichte die Erforschung der Fossilien eine Rekonstruktion der Erdgeschichte. Die meisten geologischen Ereignisse der anorganischen Welt können sich in mehr oder weniger ähnlicher Form wiederholen, während die Evolution durch ständige Entwicklung charakterisiert ist. Außerdem werden durch die Verbreitung der Organismen auch die Sedimentschichten weit voneinander entfernter Ablagerungsräume miteinander zeitlich vergleichbar (siehe oben). Die Paläontologie gehört daher zu den wichtigsten Wissenschaftszweigen für die Rekonstruktion der Erdgeschichte. 4 GESCHICHTE DER HISTORISCHEN GEOLOGIE Erklärungen für die Entstehung der Erde suchten frühe Kulturen in mythologischen Kosmogonien. Auf der Grundlage der biblischen Überlieferung wurde im Mittelalter versucht, das Alter der Erde zu berechnen, das auf 6 000 Jahre bestimmt wurde. Auch die wissenschaftlichen Kalkulationen späterer Zeiten zeigten falsche Ergebnisse. So errechnete 1778 Buffon 74 800 Jahre als Erdalter, Kelvin schätzte es 1862 auf 20 bis 400 Millionen Jahre. Eine erste absolute Datierung geologischer Schichten gelang durch die Auszählung von Warven, womit allerdings nur die Datierung jüngster eiszeitlicher Ablagerungen möglich war. Zu Anfang des 20. Jahrhunderts war das Alter der Erde noch unbekannt. 1905 erkannte der Physiker Ernest Rutherford in der soeben entdeckten Radioaktivität ein Mittel zur Lösung des Problems. Ihm gelang es erstmals, das absolute Alter von Uran zu messen. Seine Ergebnisse zeigten, dass die Erde mehrere Milliarden Jahre alt sein muss. Die Verfahren zur Altersbestimmung wurden rasch erweitert und verfeinert - heute basiert die geologische Zeitskala auf relativ genauen absoluten Daten. Siehe auch Geologie: Geschichte der Geologie 5 DIE ERDGESCHICHTE IM ÜBERBLICK 5.1 Die Entstehung der Erde Da die Geologie Gesteine untersucht, beginnt die geologische Geschichte der Erde mit der Erstarrung der Erdkruste. Die Entstehung der Erde im Planetensystem der Sonne ist Gegenstand der Astronomie. Die ältesten Sterne unserer Galaxis, der Milchstraße, sind etwa 13 bis 16 Milliarden Jahre alt. Vor ungefähr viereinhalb Milliarden Jahren bildete sich in dem Milchstraßensystem ein Sternhaufen, zu dem die Sonne mit ihren Planeten gehörte. Das Alter der Erde wird heute mit etwa 4,6 Milliarden Jahren angesetzt. Zu dieser Zeit hatte sich bereits eine feste Erdkruste ausgebildet. Damit begann der älteste und längste Zeitabschnitt (ein so genanntes Ärathem) der Erdgeschichte, das Präkambrium oder Kryptozoikum (4 600 Millionen bis 570 Millionen Jahre). Ihm folgt das Phanerozoikum (570 Millionen Jahre bis heute). Das Präkambrium wird in zwei jeweils ungefähr zwei Milliarden Jahre dauernde Äone unterteilt, in das Archaikum und in das Proterozoikum. Bis vor etwa 4 Milliarden Jahren schlugen auf der Erde und auf dem Mond zahlreiche Meteoriten ein. Die Krater, die diese Einschläge hinterließen, sind auf dem Mond noch zu sehen, während von der ältesten Erdkruste nichts erhalten ist. 5.2 Die ältesten Gesteine Die ältesten Gesteine, die bisher auf der Erde gefunden wurden, sind bis zu 4,6 Milliarden alte Steinmeteorite, die vom Mars stammen. Die ältesten bekannten Gesteine vom Mond sind knapp 4 Milliarden Jahre alt. Das älteste Stück Materie irdischen Ursprungs fand man in Westaustralien. Es handelt sich um Körner des Minerals Zirkon. Sie sind etwa 4,1 bis 4,2 Milliarden Jahre alt. Das Muttergestein, dem diese Mineralkörner entstammen, ist nicht erhalten. Die Körner aber widerstanden wegen ihrer Härte der Verwitterung und wurden in ein jüngeres Sedimentgestein eingebettet und so konserviert. Das älteste Gestein der Erde wurde in Südgrönland gefunden. Es handelt sich um ein 3,8 Milliarden Jahre altes metamorphes Gestein, das aus einem Sedimentit hervorgegangen ist. 5.3 Die ältesten Spuren von Leben Vermutlich entstanden früheste, einfache Formen des Lebens bereits vor etwa 4 Milliarden Jahren. Hinweise darauf gibt es in den genannten ältesten Gesteinen aus Grönland. Die ältesten bekannten Zellen stammen von Cyanobakterien und sind etwa 3,5 Milliarden Jahre alt. Vor etwa 1,4 Milliarden Jahren entwickelten sich Zellkerne mit Membran (eukaryontische Zellen). Die ältesten Fossilien vielzelliger Organismen sind etwa 800 Millionen Jahre alt. ( siehe Evolution) 5.4 Die Bildung der Atmosphäre Die Uratmosphäre der Erde enthielt keinen oder nur wenig (etwa 2 Prozent des heutigen Gehaltes) Sauerstoff. Freier Sauerstoff in der Atmosphäre entstand erst durch die Tätigkeit photosynthetisierender Organismen, u. a. Cyanobakterien. Der Gehalt an atmosphärischem Sauerstoff erreichte im Laufe des Proterozoikums annähernd das heutige Niveau. Der produzierte Sauerstoff wurde zunächst für Oxidationsprozesse verbraucht, bevor er als freier Sauerstoff in der Atmosphäre verfügbar war. Auch heute macht der atmosphärische Sauerstoff nur etwa 5 Prozent der Gesamtsauerstoffmenge der Erde aus; 95 Prozent sind in Oxiden gebunden, vor allem in Eisenoxiden und Sulfaten. Das Fehlen von freiem Sauerstoff in der Uratmosphäre geht aus zwei Befunden hervor: (1) Unter sauerstoffhaltigen Umweltbedingungen hätten sich nicht aus anorganischen Bausteinen höhere organische Moleküle und damit organisches Leben bilden können (so genannte chemische Evolution). Die ersten Lebensformen waren zudem auf anaerobe (sauerstofffreie) Lebensräume angewiesen (siehe Anaerobier). (2) Bestimmte Uran- und Eisen-Verbindungen sind in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre nicht beständig, weil sie hier oxidieren und zerfallen. In Fluss- und Meeressedimenten des Archaikums haben sich diese Minerale aber angereichert. In der späteren Erdgeschichte haben sich derartige Sedimente nicht mehr gebildet. Andererseits fehlen Minerale wie Hämatit, das sich durch Oxidation anderer Eisenminerale bildet, in den ältesten Sedimenten, tauchen aber später auf, als sich Sauerstoff in der Atmosphäre anreicherte. 5.5 Die Entwicklung der Kontinente Die Erde ist vermutlich der einzige Planet des Sonnensystems, auf dem sich eine zweite Kruste, die kontinentale Kruste, gebildet hat, so dass Festlandmassen aus dem Weltmeer herausragen und Plattentektonik möglich ist. In der Geschichte des Paläozoikums orientiert man sich in erster Linie an der Entwicklung der Großkontinente Gondwana und Laurasia , die aus älteren Kontinenten und Bruchstücken von Kontinenten entstanden. Zwischen den Großkontinenten lag ein Ozean, die Paläotethys. Die beiden Kontinente kollidierten während des Karbons und des Perms. Am Ende des Paläozoikums waren sie zu dem Superkontinent Pangäa vereinigt, der von Pol zu Pol reichte. Dies stellte eine erdgeschichtlich einmalige Situation dar, weil in dieser Periode alle Landmassen in einem einzigen Kontinent vereinigt waren. Mit Beginn des Mesozoikums brach Pangäa wieder allmählich auseinander, und die Entwicklung der letzten etwa 200 Millionen Jahre verlief nun recht geradlinig zu dem heutigen Bild der Erde: In der Trias bildete sich das Ur-Mittelmeer, die Tethys, ein Ozean, dessen Geschichte für die Geologie Europas bestimmend wurde. Gegen Ende des Mesozoikums öffnete sich der Atlantik, Amerika und Afrika drifteten auseinander. In der Kreide und im Tertiär kollidierten die Überreste Gondwanas (Afrika und Indien) mit den nördlich der Tethys gelegenen Kontinenten. Dadurch wurden die Ablagerungen der Tethys aufgefaltet, und durch ihre Hebung im Tertiär und Quartär entstanden im Zuge der Alpidischen Gebirgsbildung u. a. die Alpen und der Himalaya. Am Ende des Tertiärs erreichten die Kontinente ihre ungefähren heutigen Umrisse. 5.6 Gebirgsbildungen Dies ist der geotektonische Rahmen, in dem sich die anderen geologischen Vorgänge abspielen. Zu den großen strukturbildenden Prozessen gehören die Orogenesen, die Bildungen der Gebirge. Damit sind das Aufdringen von Magmatiten, Vulkanismus und die Metamorphose von Gesteinen verbunden. Die großen Gebirgsbildungsphasen waren die kaledonische (Ordovizium bis Devon), die variszische (Devon bis Perm) und die alpidische (Jura bis heute). 5.7 Exogene Bildungen Diese endogenen Vorgänge, deren Ursachen im Erdinneren liegen, werden durch die exogenen, an der Erdoberfläche ablaufenden Prozesse ergänzt: Vor allem in den Meeren wurden zum Teil mächtige Sedimentserien abgelagert, die heute entweder weitgehend ungestört vorliegen (z. B. die Sedimente des Pariser Beckens oder der süddeutschen Schichtstufenlandschaft) oder die später in gebirgsbildenden Prozessen tektonisch verformt wurden (z. B. der Französische und der Schweizer Jura oder die Nördlichen Kalkalpen). Die Erosion hinterließ ebenfalls ihre erdgeschichtlichen Spuren. Durch verschiedene endogene und exogene Prozesse konzentrierten sich an bestimmten Orten für den Menschen nutzbare Substanzen, es entstanden Lagerstätten . In den Sedimenten spiegelt sich auch die Geschichte des Klimas wider: So bildeten sich die meist rötlich gefärbten Gesteine des Perm in einem ariden Klima (Wüstenklima). So genannte Tillite sind Reste älterer Eiszeiten im Proterozoikum, im Ordovizium und an der Wende Karbon/Perm. In der jüngsten Erdgeschichte spielten die pleistozänen Eiszeiten eine die Landschaft z. B. Nord- und Süddeutschlands prägende Rolle. 6 GEOLOGISCHE GESCHWINDIGKEITEN Die meisten geologischen Prozesse laufen unvorstellbar langsam ab. Ausnahmen sind Vorgänge, die vom Menschen auch meist als katastrophal empfunden werden, z. B. Erdbeben, Vulkanausbrüche sowie gewisse Vorgänge der Erosion wie Erdrutsche, Muren oder Ablagerungen bei Hochwasser, wobei Flüsse in wenigen Tagen mehrere Meter Sand sedimentieren können. Dagegen dauert die Ablagerung von 1 Millimeter Sediment am Ozeanboden etwa 1 000 Jahre. Platten bewegen sich mit Relativgeschwindigkeiten von ungefähr 1 bis 17 Zentimetern pro Jahr. Der Atlantische Ozean öffnet sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 2 bis 5 Zentimetern pro Jahr. Man hat errechnet, dass Kolumbus heute, mehr als 500 Jahre nach seiner ersten Fahrt von Südeuropa nach Mittelamerika, eine zusätzliche Strecke von 10 Metern zu segeln hätte. Seit der Öffnung des Atlantiks in der mittleren Kreide vor etwa 100 Millionen Jahren haben sich die Küsten Südamerikas und Afrikas bis heute um rund 5 000 Kilometer voneinander entfernt. Die Gebirgsbildung der Alpen ist noch nicht abgeschlossen, sie heben sich zurzeit mit einer Geschwindigkeit von etwa 1 Millimeter pro Jahr. Verfasst von: Wolfgang Blümel Microsoft ® Encarta ® 2009. © 1993-2008 Microsoft Corporation. Alle Rechte vorbehalten.