Leitung: PD Dr. Thomas Kunzmann, Dr. Oliver Spieler
Bestandteile der Erdkruste:
Die Gesteine an der Erdoberfläche sind vor allem Sedimentite. In der Gesamtheit der Erdkruste machen diese jedoch nur einen geringen Anteil aus.
Darunter finden sich kristalline Gesteine wie Granit, oder auch metamorphe Gesteine.
Die Unterkruste besteht v.a. aus Pyroxen, Granat und Feldspat bzw. Granulit.
Struktur aus Basaltsäulen, die unterschiedlich gekrümmt sind, daneben ungeordnetes Material (Breccie)
umgebendes Gestein: aus der Kreide, stark verwittert, heutiges Geländeniveau bis zu 300 m niedriger als bei der Entstehung => die Basaltsäulen, die heute weit aus der Umgebung heraus ragen, waren bei der Entstehung unter dem Geländeniveau
Säulen entstehen bei der Abkühlung von Magma, sie sind im Querschnitt polygonförmig und vergleichbar mit den Trocknungsrissen in schlammigen Pfützen, aber dreidimensional (d.h. wie als wären sie in die Höhe extrudiert). Bei der Abkühlung schrumpft das Gestein, es bilden sich Risse, die stets senkrecht auf den Abkühlungsflächen stehen. So ergibt sich bei einem zylinderförmigen Magmenaufstiegskanal eine im Querschnitt radiale Anordnung der Säulen um den Aufstiegskanal herum; bei einem kompakten Magma-Körper divergieren die Säulen in alle Richtungen.
Nach außen gebogene Form der Basaltsäulen: Eine
mögliche Erklärung wäre ein Lava-See; die Oberfläche
der Lava und die Außenwände bilden Abkühlungsflächen
und stehen in spitzem Winkel aufeinander. Wenn sich zwischen diesen
Flächen Säulen bilden, die auf ihnen jeweils senkrecht
stehen, ergibt sich diese nach außen gebogene Form, oben
vertikal und unten, je nach Neigung der ehemaligen Wand des
Lavasees, mehr oder weniger horizontal.
Am Parkstein geht man
davon aus, dass es sich um einen (trichterförmig geweiteten)
Schlot handelt. Es gibt jedoch auch Situationen, wo sich ein
Lava-See nicht in einem Krater befindet, sondern in einer Mulde
neben dem Schlot; die Lava ist oberflächlich in die Mulde
hinein geflossen. Von außen ist so eine Struktur nicht von
einem Schlot zu unterscheiden, man findet lediglich, dass die Lava
unten irgendwo aufhört, während ein Schlot bis ins
Erdinnere reicht.
Die Basaltstruktur könnte auch von einem großen Lava Flow stammen; allerdings müsste dieser weitgehend erodiert sein und man müsste in der Umgebung entsprechende Mengen solcher Sedimente finden können. Das ist jedoch nicht der Fall.
Säulen können entweder durch tektonische Kräfte zerbrechen, oder durch eine ungleichmäßige Abkühlung (d.h. es entstehen zusätzlich zu den Rissen, die die Säulen trennen, weitere Risse).
Säulen müssen nicht von einem einzigen Eruptionsereignis stammen; beispielsweise wurde der Giant´s Causeway aus drei Lava Flows gebildet. Entscheidend für durchgängig gleichartige Säulen ist, dass sie aus der selben Abkühlungsstruktur stammen.
Im Basalt finden sich Xenolite aus Peridotit und Olivin, d.h. aus dem Mantel bzw. Unterkruste, was auf einen schnellen Magmenaufstieg ohne Differenzierung in Magmenkammern hindeutet. Die Xenolite sind mit einem Reaktionsrand umgeben.
Breccie: Damit wird Material bezeichnet, das als Ganzes vor Ort zerbrochen wurde. D.h. es wurde nicht durch die Luft transportiert und auch nicht bereits im fragmentierten Zustand zusammengetragen, somit weist es keine Kantenrundung auf. (Material, das von einem Lahar transportiert wurde, wäre teilweise kantengerundet.)
Das Material neben den Basaltsäulen kann man als Schlotbreccie bezeichnen, d.h. Lava, umgebendes Gestein (Sediment aus der Kreide) und Tephra ist innerhalb des Kraters ins Rutschen gekommen und wurde dabei brecciiert. Wasser kann relativ leicht eindringen und erodiert das Material zu Tonmineralen, wodurch der Hang ins Rutschen kommt. Der Kontakt ist relativ scharf, zum Teil kann man Kontaktmetamorphose beobachten.
Eine Bombe kühlt während des Auswurfs ab und hat deshalb radiale Abkühlungsrisse. Dies ist bei den in der Breccie eingeschlossenen Blöcken nicht zu beobachten. Außerdem werden beim Einschlag einer Bombe die darunter liegenden Tephra-Schichten verformt, dies ist ebenfalls nicht zu beobachten. Bei den größeren Lava-Strukturen innerhalb der Schlotbreccie ist unklar, ob es sich tatsächlich um Blöcke (= Fallablagerung) handelt oder um anstehende Lava (z.B. aus einem benachbarten Krater) („anstehend“: verbunden mit dem Untergrund). Ein kleiner Lava Flow ist unwahrscheinlich, weil man auf der Ober- und Unterseite stärker gebrochenes Material (Klinker) finden müsste (was nicht der Fall ist), außerdem stimmt die Form nicht (höher als breit); wahrscheinlicher wäre eine Intrusion in die Tephra bzw. Breccie.
Der Untergrund besteht aus Arkose (feldspatreichem Sandstein), in den Keller getrieben wurden (heute verwendet zur Lagerung von Kartoffeln). Da sich im Sandstein relativ große Bestandteile finden, kann das Liefergebiet nicht weit entfernt gewesen sein. Das Alter liegt bei ungefähr 21 Millionen Jahren.
Oben drauf befindet sich ein Geröllkegel aus zerbrochenen Basaltsäulen. Diese Säulen sind unterirdisch entstanden und, nachdem das umgebende Gestein wegerodiert war, zusammengebrochen.
Basalt wird häufig für Pflaster verwendet, welches
beständiger als Granit-Pflaster ist. Auch Eisenbahnschotter
wird aus Basalt hergestellt; Granit nimmt man, wenn dieser wenig Glimmer
enthält, denn was zählt, ist die Beständigkeit
(viel Glimmer sorgt dafür, dass Granit schnell verwittert).
V.a. in der Eifel wurden
auch Mühlsteine aus Basalt hergestellt, wozu sehr homogener
(damit die Abnutzung überall gleich ist) und rissfreier Basalt
nötig ist. Heute wird aus Basalt auch „Rock Wool“
(Mineralwolle) zur Wärmedämmung hergestellt.
Keller
usw. findet man dagegen nur in weichem Material (Sandstein, Tephra
usw.), praktisch nie in Basalt.
Sonnenbrennerbasalt: Basalt, der viel Nephelin enthält, verwittert sehr leicht, weil sich das Nephelin in Analzim umwandelt, was mit einer Volumenvergrößerung geschieht. Dadurch entstehen Spannungen und Risse, so dass eindringendes Wasser zusammen mit Temperaturunterschieden den Stein sprengen kann. Früher nahm man an, dass Sonnenstrahlung den Stein zerstört, daher der Name.
senkrechte Basaltsäulen => horizontale Abkühlungsflächen, d.h. es muss sich um eine Basaltdecke handeln
Es kann sich um keinen Schlot handeln, denn dieser müsste dann extrem groß sein (bereits 100-200 m Durchmesser in der Tiefe, da im oberen Bereich etliche zig Meter bereits wegerodiert worden sind, d.h. an der ehemaligen Oberfläche noch viel größer) und hätte entsprechend riesige Mengen an Lava eruptiert, von denen aber in der Umgebung nichts zu finden ist.
Im Basalt sind viele (bis zu 80 Prozent) Peridotit-Xenolite aus dem oberen Mantel zu finden. Peridotit besteht aus Olivin, einem Magnesiumsilikat (Mg2SiO4), welches zusammen mit Wasser sehr schnell verwittert und sich in Tonminerale umwandelt. Daher ist Peridotit-reicher Basalt bei Steinbruchbesitzern nicht gerne gesehen, weil er weniger stabil ist.
Peridotit ist deutlich schwerer als Basalt und wird in festem Zustand von der Basaltschmelze nach oben transportiert. Damit der Peridotit mit nach oben transportiert werden kann, muss das mit einer bestimmten Geschwindigkeit geschehen, weil er sonst während des Magmenaufstiegs wieder absinkt. Je größer die Stücke sind, desto schneller muss der Aufstieg passieren, weil das Volumen und damit das Gewicht in der dritten Potenz mit der Größe wächst, die Querschnittsfläche jedoch nur mit der zweiten Potenz. Nach der Stokes-Gleichung kann man die Mindestaufstiegsgeschwindigkeit berechnen – für Xenolite in der Größe weniger Zentimeter kommt dabei eine vernünftige Geschwindigkeit heraus; bei sehr großen Xenoliten (50 cm) muss es jedoch noch einen unbekannten anderen Mechanismus geben, weil nach der Stokes-Gleichung ergäbe sich eine mehrfache Überschallgeschwindigkeit, was vollkommen unrealistisch ist.
Wenn man mit dem Hammer auf Basalt schlägt, splittert dieser sehr stark, daher sind kleine Verletzungen nicht selten. Die Splitter können sogar Jeans durchschlagen.
Magma steigt auf, weil es einen Dichteunterschied zum umgebenden Gestein gibt. Beim Aufstieg gibt es eine Druckentlastung (da in der Tiefe der Druck durch das umgebende Gestein geringer ist). Normalerweise werden Materialien unter Druck fest, daher müsste aufsteigende Magma umso flüssiger werden, je höher sie steigt. Für Basalt stimmt das auch; Granit dagegen enthält viel Wasser, welches ein Netzwerkwandler ist und dafür sorgt, dass das sich Material bei steigendem Druck verflüssigt – umgekehrt heißt das, dass Granit beim Aufstieg alleine durch die Druckentlastung fest wird.
Gold ist ein recht weiches Metall. Um es härter zu machen und gleichzeitig ihm eine schönere Farbe zu geben, wird es mit Kupfer legiert.
ca. 21 Millionen Jahre alt
verschiedene Lava-Flows sind zu sehen
fingerförmige Lava-Intrusion in Tephra
Der Steinbruch ist mustergültig angelegt, das Wasser wird durch kleine Wälle oberflächlich entlang der Wege abgeleitet, so dass es nicht aufwändig heraus gepumpt werden muss, und die Wege sind mit Schotter bedeckt, wodurch sich auf ihnen kein Matsch bildet.
verwitterter Granit (anhand der Mineralzusammensetzung erkennbar), Endprodukt Kaolin
vertikale Basaltsäulen
oben ein Schlackenkegel (scoria cone)
rheomorphic flow – Lava wird in die Luft geschleudert und sammelt sich danach wieder am Boden um weiter zu fließen
Durchmesser dca. 1,5 km
Gebiet der Heldburger Gangschar (dike swarm), d.h. viele Gänge, die ungefähr 1 m breit sind und in Nord-Süd-Richtung verlaufen.
Vulkanismus im Tertiär in Deutschland: Hegau, Kaiserstuhl, Eifel (Westeifel, Hocheifel, Osteifel), Westerwald, Siebengebirge, niederhessische Senke, Vogelsberg, Rhön, Heldburger Gangschar, Egergraben.
Man erkennt im Steinbruch keine Basaltsäulen, sondern schichtartige Strukturen. Das spricht für eine tektonische Verformung während der Abkühlung.
An einem Aufschluss unterhalb der Heldburg findet man Phonolite (d.h. sehr stark differenzierte Magma), die jedoch Peridotit-Xenolite enthält. Das ist nach der klassischen Vorstellung paradox, weil während der Differenziation die Peridotite nach unten sinken müssten. Dies ist einer von vier Aufschlüssen weltweit, wo dieses Phänomen bisher gefunden wurde.
Eine Möglichkeit ist eine Intrusion von frischem Peridotit-haltigem Basalt in die Magmenkammer, in der sich der Phonolit gebildet hatte.
Eine andere Möglichkeit geht von einer extrem tiefen Magmenkammer aus, in einem Bereich, wo Peridotite noch vorkommen. Es wurde lange darüber gestritten, ob in einer Tiefe von ca. 40 km statt 3 km auch Differenziation möglich ist.
Bei der Differenziation wird u.a. Feldspat abgetrennt,
welcher das Element Europium (REE = rare earth elements) bindet.
Wurde also viel Feldspat differenziert, zeigt sich beim übrigen
Gestein ein Mangel an Europium (Europium-Anomalie).
Feldspat nimmt Eu2+ bevorzugt gegenüber Eu3+ auf
und unterscheidet sich darin von anderern Mineralen des Erdmantels (Olivin, Pyroxen, Granat),
die beide Formen gleich gut in ihr Kristallgitter einbauen und folglich
keine Anomalie hervorrufen können. In Anwesenheit von Feldspat
kommt es folglich zu einer Verarmung an Eu2+ in den
umgebenden Gesteinen beziehungsweise Mineralen. Bei anderen
Elementen der Seltenen Erden lassen sich vergleichbare Effekte
nicht finden, da sie nur in dreiwertiger Form vorkommen. Unter großem
Druck, also auch bei Differenziation in großer Tiefe, kann
kein Feldspat entstehen, sondern es wird Amphibol differenziert,
welcher kein Europium bindet.
Die Phonolite an der Heldburg gehören zu den wenigen Phonoliten weltweit, die keine
Europium-Anomalie haben, daher vermutet man, dass die
Differenziation in großer Tiefe stattgefunden hat.
Chondrite sind Meteorite mit erdähnlicher Zusammensetzung
Am Feldstein wurde früher Basalt abgebaut, lediglich ein kompakter Körper in der Mitte wurde stehen gelassen.
Aus der Form der Basaltsäulen kann man schließen, dass es sich um einen recht eng begrenzten Basaltkörper gehandelt haben muss, z.B. ein kleiner Dike.
Die Gänge sind jeweils einen knappen Meter breit, vermutlich mehrere Kilometer lang (lassen sich nur an Aufschlüssen verfolgen und manchmal an der Oberfläche durch Lesesteine) und nach unten sehr tief (die Magma ist in ihnen aufgestiegen). Die weite Längs-Erstreckung ist oft spekulativ.