Gesteine

Gesteine (Felsarten, Gebirgsarten; hierzu Tafel »Gesteine« [Dünnschliffe] und Textblatt: »Übersicht der natürlichen Gesteinsgruppen«), Mineral- und Stoffaggregate, die in gesetzmäßiger Anordnung die geologischen Raumkörper, Gänge, Stöcke, Lager, Schichten etc., erfüllen. Die Gesteinslehre oder Petrographie, wohl auch Lithologie, ist einer der fundamentalen Teile der Geologie (petrographische Geologie); sie hat in neuester Zeit, namentlich durch die Anwendung des Mikroskops und ganz besonders durch dessen Verbindung mit Polarisationsapparaten, welche die Gesteinsbestandteile auf Grund ihrer optischen Eigenschaften genauer bestimmen lassen, bedeutende Fortschritte erzielt. Man hat bei der Betrachtung der G. in erster Linie ihre geologische Erscheinungsform, d. h. ihre Lagerung, dann das Material, aus dem sie bestehen, ihre Bestandteile, und die Art, wie die einzelnen Bestandteile miteinander verknüpft sind, die Struktur, zu untersuchen. Nach ihrer geologischen Erscheinungsform, d. h. nach der räumlichen Anordnung und der relativen Stellung der Gesteinsmassen zueinander (Tektonik der G.), werden die G. zunächst in geschichtete und in ungeschichtete oder massige eingeteilt. Erstere bestehen aus einzelnen, durch parallel verlaufende Klüfte (Schichtungsfugen) voneinander getrennten platten- oder tafelförmigen Lagen, sogen. Schichten (s. Schichtung), die letztern lassen einen solchen schichtenweisen Aufbau nicht erkennen (vgl. Tafel »Gebirgsbildungen«, Fig. 1, sowie Tafel »Bergformen II«, Fig. 1 u. 3, und III, Fig. 2–5 u. 8, auch Tafel »Absonderung«). Ihrer Entstehung nach sind die massigen G. eruptiv (s. Eruptivgesteine), nach Art der heutigen Laven in heißflüssigem Zustand aus dem Erdinnern emporgestiegen und dann erstarrt, während die geschichteten G. unter dem Einfluß eines beweglichen Mediums und der Schwerkraft, die das Gesteinsmaterial herbeigeführt, gerichtet und geordnet haben, nach und nach, sukzessive, schichtenweise, zum Absatz gekommen sind; sie sind entweder aus mineralischen Bestandteilen, die das Wasser (sedimentäre G., Sedimentgesteine) oder die Luft (subaërische oder äolische G.) zusammengeführt hat, mechanisch abgesetzt (z. B. Sandstein, Kies, bez. Löß, s. d.), oder durch chemische und physikalische Prozesse aus Lösungen ausgeschieden (chemische Absätze, z. B. Steinsalz, Gips). Von den Eruptivgesteinen sind die Sedimentgesteine besonders auch durch die Führung von Petrefakten (Versteinerungen) unterschieden; diese stellen im Gestein eingebettete, mehr oder weniger versteinerte Reste von Tieren und Pflanzen dar, die in die G. bei ihrer Bildung hineingelangten. Ganze Schichtenkomplexe (Schichtensysteme, Schichtenreihen) können untereinander wiederum parallel, gleichförmig (konkordant), oder nicht parallel, ungleichförmig (diskordant), gelagert sein (s. Schichtung).

Die massigen G. zeigen statt der Schichtung eine mehr oder weniger unregelmäßige Zerklüftung (s. Absonderung). Der äußern geologischen Erscheinungsform nach sind die massigen G. durch unregelmäßige Lagerung (abnorme Gebirgsmassen) ausgezeichnet, besonders dadurch, daß sie in andern Gesteinen häufig als Ausfüllung von Kanälen (Eruptionskanälen), Spalten, Gängen (s. Gang, S. 315) mit Ausläufern, Verzweigungen (Apophysen) erscheinen (Ganggesteine), welche die Schichten etc. quer durchsetzen. Man nennt diese Art der Lagerung, im Gegensatze zu der den Schichtgesteinen eigentümlichen Auslagerung, durchgreifende Lagerung. Zum Teil haben die massigen G. bei ihrer Entstehung die bereits vorhandenen G. durchbrochen und sich über ihnen ausgebreitet (Effusivgesteine, Ergußgesteine, Rhyotaxite, Eutaxite), z. T. sind sie auch zwischen die vorhandenen G. eingedrungen, ohne die Erdoberfläche zu erreichen (Intrusivgesteine, Injektionsgesteine, Tiefengesteine). Bei den Effusiv- und Intrusivgesteinen spricht man von einer Kuppe (Quellkuppe) oder einem Stock, wenn der Gesteinskörper nach allen drei Raumdimensionen etwa gleich groß ist, von einer Decke oder einem Lager, wenn zwei Dimensionen auf Kosten der dritten (Mächtigkeit) stark entwickelt sind, und von einem Strom, wenn eine Dimension über die beiden andern (Mächtigkeit und Breite) bedeutend überwiegt. Als Lakkolithen hat man neuerdings Eruptivmassen bezeichnet, die ursprünglich zwischen geschichtetes Material eingedrungen sind und dieses emporgehoben und z. T. zersprengt haben. Wurden die Lakkolithen später durch die Erosion bloßgelegt und erscheinen sie nun als zusammenhängende größere Massen, so nennt man sie auch Massive. Je nachdem die Eruptivgesteine in ihrer Lagerungsform und in ihrer Materialbeschaffenheit eine größere oder geringere Ähnlichkeit mit den Produkten jetzt tätiger Vulkane, den sogen. Laven (s. Lava), besitzen, unterscheidet man auch wohl vulkanische und plutonische G. (s.d.). Zu den erstern gehört ein großer Teil der Ergußgesteine, zu den letztern die Hauptmasse der Tiefengesteine.

Nach der relativen Stellung der Gesteinsmassen untereinander werden außer der schon erwähnten konkordanten, diskordanten und durchgreifenden Lagerung noch weiter unterschieden deckenförmige, schollenförmige Auflagerung: ein Gestein jüngerer Bildung hat sich auf einen ältern abgelagert (bei Sedimenten, bei Lavaströmen und Decken); Anlagerung: ein jüngeres Gestein lehnt sich an ein älteres an (Deltabildungen an die das Ufer bildenden G., vulkanische Aschen an den Vulkan); muldenförmige Einlagerung: ein jüngeres Gestein ist in einer schüsselförmigen Vertiefung des ältern Gesteins zum Absatz gelangt; mantelförmige oder umschließende Lagerung: ein älteres Gestein wird von einem jüngern eingehüllt.

Nach dem Material, aus dem die G. bestehen, teilt man sie ein in minerogene, die wesentlich aus Mineralien und anorganischen Mineralstoffen, die auch in glasartigem, amorphem Zustande vorhanden sein können, bestehen, und in organogene, wesentlich aus organischen Substanzen gebildete G. (z. B. Kohlen, Muschelbreccien). Die letztern, die man auch als phytogene und zoogene G. (s.d.) unterschieden hat, sind stets geschichtete G. Die minerogenen geschichteten G. führen häufig tierische und pflanzliche Reste und heißen dann auch wohl zoophore und phytophore G. (z. B. Muschelkalk, Kohlensandstein). Die minerogenen G. werden ferner eingeteilt in protogene G., deren Material an Ort und Stelle seine jetzige Ausbildung und Aggregation erlangt hat, und in deuterogene, klastische oder Trümmergesteine, die durch mechanische Zertrümmerung entstandene Fragmente andrer G., lose gehäuft (Agglomerate, Akkummulate) oder durch ein hinzugekommenes Bindemittel (Zement) verkittet (s. Tafel »Mineralien und Gesteine«, Fig. 20 u. 21), zuweilen aber daneben auch noch an Ort und Stelle entstandene Bestandteile (semiklastische G.) enthalten und stets geschichtet sind. Die protogenen G. zerfallen weiter in die kristallinischen, d. h. aus lauter kristallinisch entwickelten Mineralien gebildeten Gesteinen, unter denen einfache, gleichartige, aus nur einer, und gemengte, zusammengesetzte, aus mehreren Mineralspezies bestehende unterschieden werden, in die porphyrischen, neben kristallinischen Mineralien auch amorphe Substanzen (Basis, Glasbasis) in der sogen. Grundmasse enthaltende G. und in die amorphen G., die wesentlich aus einem amorphen Körper bestehen und entweder aus wässerigen Lösungen (porodinamorph, z. B. Kieselsinter) oder aus Schmelzflüssen entstanden sind (hyalin-amorph, glasartig, glasig, z. B. die Glaslaven, s. d.). Die drei letzten Abteilungen sind durch Übergänge miteinander verbunden; an demselben geologischen Gesteinskörper kann man oft glasige, porphyrische und rein kristallinische (holokristallinische) Modifikationen unterscheiden.

Die Mineralien, aus denen die G. bestehen, heißen die Gemengteile; man unterscheidet wesentliche, konstituierende, d. h. solche, die den Charakter des Gesteins bestimmen, und unwesentliche, akzessorische, zufällige, ferner primäre, ursprünglich gebildete, und sekundäre, die aus den primären durch Umbildung, Zersetzung entstanden sind. Die wichtigsten der wesentlichen mineralischen Gesteinsgemengteile sind unter den Oxyden: Eis (Wasser), Quarz, Brauneisen, Roteisen, Magneteisen, Titaneisen; unter den Chloriden: Steinsalz; unter den Karbonaten: Kalkspat, Dolomit, Eisenspat; unter den Sulfaten: Anhydrit und Gips; unter den Silikaten: die verschiedenen Glieder der Feldspatgruppe, der Augit- und Hornblendegruppe, der Glimmergruppe, der Nephelin- und Hauyngruppe. Leucit, Olivin, Turmalin, Granat, Talk, Chlorit, Serpentin; endlich von den sogen. Organoiden: Graphit, Anthrazit, Steinkohle etc. Größer ist die Zahl der zufälligen (akzessorischen) Bestandteile der G. Bei vielen Gesteinen nehmen an der Zusammensetzung auch noch sogen. akzessorische Bestandmassen teil, d. h. Mineralien und Mineralaggregate, die in ihrer Zusammensetzung von den sie einschließenden Gesteinen abweichen und fehlen können, ohne den Gesteinen ein wesentliches Merkmal zu entziehen. Je nach ihrer Bildung und Herkunft unterscheidet man unter ihnen Konkretionen (s.d.), Sekretionen (s.d.), die beide sich aus den Gesteinen heraus auf Kosten einzelner Gemengteile gebildet haben und daher oft für die G. sehr charakteristisch sind, und Einschlüsse fremder G.

Die Struktur der protogenen G. ist je nach der Form der Gemengteile, die ebenmäßig, prismatisch oder lamellar ausgebildet sein können, körnig (Granit, s. Tafel »Mineralien und Gesteine«, Fig. 13), stängelig (Faserkalk, Gips), blätterig oder schuppig (Glimmerschiefer etc.), je nach der Größe der Gemengteile grobkörnig oder feinkörnig, grobstängelig oder faserig, großblätterig, kleinblätterig etc. Werden die kristallinischen Individuen so klein, daß sie nicht mit bloßen Augen (oder selbst nicht mit der Lupe) zu erkennen sind, so heißt die Struktur dicht (dichter Kalkstein etc.). Nach der Lage der Gemengteile unterscheidet man plane Parallelstruktur oder schieferige Struktur (Chloritschiefer etc.), wenn die Gemengteile einer bestimmten Fläche parallel geordnet sind; lineare Parallelstruktur, wenn die Gemengteile einer bestimmten Richtung parallel geordnet sind (Stengelgneis); Fluidal- oder Fluktuationsstruktur bei Ergußsteinen, wenn parallel geordnete Gesteinselemente die Richtung, in der sich die G. bewegt haben, andeuten (Bimsstein); Mikrofluidal- oder Mikrofluktuationsstruktur, wenn diese Struktur erst bei Anwendung des Mikroskops sichtbar wird (s. Tafel »Gesteine«, Fig. 2 u. 3; vgl. Entglasung); Kugelstruktur, bei kugeliger Anordnung einzelner Gemengteile, und zwar sphärolithische Struktur (s. Tafel »Mineralien und Gesteine«, Fig. 16 u. 17) bei radialstrahligem Bau der Kugeln (Kugeldiorit, Pechstein, Porphyr etc.), Oolithstruktur (Pisolithstruktur) bei kugeligschaligem (und oft gleichzeitig radialfaserigem) Bau der hirsekorn- bis erbsengroßen Kügelchen (oolithische Kalksteine oder Oolithe, Rogensteine, Fig. 23, und Pisolithe, Erbsensteine). Das Vorhandensein einzelner größerer Gemengteile in dem Gesteinsgewebe ist charakteristisch für die porphyrische Struktur, bei der in dichter (amorpher) Grundmasse Kristalle (Einsprenglinge oder Ausscheidungen) von einem oder mehreren Mineralien vorkommen (Feldspat oder Feldspat und Quarz etc. im Porphyr, s. Tafel »Mineralien etc.«, Fig. 15, und Tafel »Gesteine«, Fig. 2,4–6), und für die porphyrartige Struktur, bei der die Grundmasse des Gesteins kristallinisch-körnig ist (porphyrartiger Granit mit großen Orthoklaskristallen, s. Tafel »Mineralien etc.«, Fig. 14; porphyrartiger Gips mit größern Gipskristallen etc.). Eine Abart der porphyrartigen ist die flaserige Struktur (Fig. 19), bei der dünne Lagen schuppiger Mineralien linsenförmige Aggregate oder einzelne größer ausgebildete Gemengteile (Augen) umschließen (Augengneisstruktur). Mit Rücksicht auf die Verbindung der Gesteinselemente unterscheidet man von der kompakten Struktur, bei der die Gemengteile lückenweis aneinander treten, die blasige, schlackige, schwammige und schaumige Struktur, wenn die Hohlräume ursprünglich sind; die poröse, zellige und kavernöse Struktur, wenn sie sekundär, meist durch Auswittern, entstanden sind; die Mandelsteinstruktur (amygdaloidische Struktur), wenn Hohl- oder Blasenräume mu gewissen Mineralien ausgefüllt sind (Mandeln, Achat im Palatinit, s. Tafel »Mineralien etc.«, Fig. 12 u. 18). Die Trümmergesteine werden nach der Form der sie zusammensetzenden Gesteinsfragmente in Breccien (mit scharfkantigen Bruchstücken, Fig. 20) und in Konglomerate (Psephite, Fig. 21), aus abgerundeten Rollstücken bestehend, ferner nach der Größe der Trümmer in die groben Psephite mit Psephitstruktur (s. Konglomerate), in die feinern Psammite (s.d.) mit Sandsteinstruktur und in die staubartig seinen Pelite (s.d.) mit Pelitstruktur eingeteilt.

Eine Hauptaufgabe ist es, die Bestandteile der G. zu bestimmen. Lassen sich die Gemengteile mit bloßem Auge erkennen, so nennt man die G. phaneromer; sind die G. dicht (kryptomer), so empfiehlt sich zu ihrer Untersuchung zunächst die Anwendung des Mikroskops. Zu diesem Zweck stellt man Dünnschliffe der G. dar, in denen fast alle Bestandteile mit Ausnahme weniger metallischer, wie Magneteisen, Eisenkies u. a., durchsichtig werden und durch Anwendung zweier Nicolscher Prismen, des einen unter dem Objekttisch des Mikroskops und des andern zwischen Objekt und Auge, im polarisierten Licht untersucht und bestimmt werden können. Der Unterschied zwischen amorphen Körpern (Glasbasis), resp. tesseral kristallisierenden Mineralien und den doppeltbrechenden ist dabei sofort erkennbar, und für eine Neihe der letztern, soweit sie als Gesteinsbestandteile vorkommen, ist ihr Verhalten im polarisierten Licht (unter anderm Auftreten bunter Farben, s. Tafel »Gesteine«, Fig. 1 u. 5) charakteristisch. Eine vorzügliche Erweiterung hat diese mikroskopisch-optische Untersuchungsmethode durch eine Reihe mikroskopischchemischer Reaktionen erfahren, die man auf dem Objektträger mit durchbohrtem Deckglas ausführt, so daß die angewandten Reagenzien nur auf den beabsichtigten Teil des Dünnschliffs einwirken können. Bei einfachen Gesteinen wird, da jede Mineralspezies eine feste chemische Zusammensetzung hat, die chemische Analyse direkt brauchbare Resultate geben, sofern man nur von akzessorischen Bestandteilen möglichst freies Material aussucht; dagegen kann sie von den gemengten Gesteinen kein gleich erschöpfendes Bild geben. Aber auch hier wird die Untersuchung einer mittlern Probe des gesamten Gesteins (Pauschanalyse) wertvolle Anhaltspunkte ergeben können, insofern, als die chemischen Formeln der das Gestein zusammensetzenden Mineralien Grenzwerte darstellen, zwischen die hinein die Resultate dieser Pauschanalyse fallen müssen. So werden namentlich die Silikatgemenge schon durch den prozentischen Gehalt an Kieselsäure charakterisiert und als siliciumreiche (saure, Acidite, über 55 Proz. Kieselsäure enthaltend) und siliciumarme (basische, Basite, unter etwa 55 Proz. Kieselsäure enthaltend) unterschieden. Auch kann bei recht heterogener Zusammensetzung der einzelnen Bestandteile die Pauschanalyse einer die Gesamtresultate auf die Gemengteile ausschlagenden Berechnung unterworfen werden. In weitaus den meisten Fällen aber wird die chemische Untersuchung eines Gesteins erst dann als erschöpfend anzusehen sein, wenn sie sich auch auf die einzelnen Bestandteile ausdehnt. Bei grobkörnigen Gesteinen genügt zu diesem Zweck Auslesen der verschiedenen zusammensetzenden Mineralien vermittelst der Lupe; doch verwendet man bei diesen und bei den seiner körnigen besser die Unterschiede des spezifischen Gewichts, indem man Flüssigkeiten von hohem spezifischen Gewicht (Lösungen von Kalium- und Baryumquecksilberjodid, Methylenjodid, borowolframsaurem Kadmium etc.) herstellt und, diese allmählich verdünnend, aus dem Gesteinspulver nach und nach die verschieden schweren Bestandteile ausfallen läßt. Auch den Elektromagneten hat man mit Glück zur Ausziehung eisenreicher Gemengteile aus dem Gesteinspulver verwendet.

Einer einfachen Systematik der G. stehen als Schwierigkeit die zahlreichen Übergänge und Zwischenvarietäten entgegen, welche die Gesteinsarten nicht im gleichen Sinne voneinander abtrennbar machen, wie dies bei den Mineralspezies möglich ist. So kann der körnige Granit durch allmähliche Strukturänderung in den schieferigen Gneis, dessen Entstehung in vielen Fällen noch der Aufklärung bedarf, übergehen, aber auch, da er aus Quarz, Feldspat und Glimmer zusammengesetzt ist, durch Aufnahme von Hornblende und allmähliches Zurücktreten des Quarzes und des Glimmers in Syenit; ferner bilden sich bei allen gemengten Gesteinen durch Vorwiegen bald des einen, bald des andern Gemengteils eine große Anzahl einzelner Varietäten aus, die sich nach äußerer Erscheinungsweise und chemischer Zusammensetzung von typischen Mittelvarietäten weit entfernen können. Die beigegebene Übersicht macht den Versuch, die G. in möglichst wenige natürliche Gruppen zu verteilen.

Die Entstehung oder Bildung der G., von der oben die Rede war, ist auch durch synthetische Versuche nachgeahmt worden. Am Ende des 18. Jahrh. hatte James Hall gezeigt, daß geschmolzene Lava zwar bei rascher Abkühlung glasig erstarrte, aber bei langsamer Abkühlung mehr oder weniger kristallinisch wurde; doch war er nicht imstande, seine Produkte eingehender zu untersuchen, da die Anwendung des Mikroskops auf Gesteinsuntersuchungen damals noch nicht bekannt war. Erst von 1878 an haben Fouqué und Michel Lévy in Paris jene Versuche wieder aufgenommen und eine große Reihe von Schmelzflüssen dargestellt, die bei ihrer Erkaltung die gleichen Gemengteile und dieselbe Struktur zeigen wie natürliche Eruptivgesteine aus der Gruppe der Andesite, Feldspatbasalte, Nephelinite, Leucitite, Leucittephrite etc.; zuweilen gelang es, bei gleichartigen Schmelzflüssen durch Variation der Temperaturen, bei denen die erste Ausscheidung von Gemengteilen erfolgte, verschiedene Strukturen zu erzielen, die den an verschiedenen Vorkommnissen des natürlichen Gesteins beobachteten vollkommen entsprechen.

Unter den Sedimentgesteinen kommen natürlich nicht die mechanischen Absätze, sondern nur die chemischen Niederschläge, d. h. die durch chemische und physikalische Prozesse aus Lösungen ausgeschiedenen G., in Betracht, und unter diesen interessieren vor allem wegen ihrer geologischen Wichtigkeit Kalkstein, Dolomit und Anhydrit. Kohlensaurer Kalk, der aus wässerigen Lösungen sehr feinkristallinisch, fast wie amorph ausfällt, wandelt sich unter Druck oder Erwärmung leicht in deutlich kristallinischen Kalkstein um. Eine künstliche Darstellung des Dolomits, die am meisten den natürlichen Verhältnissen entspricht, gelingt, wenn man kohlensauren Kalk mit einer wässerigen Lösung von doppeltkohlensaurer Magnesia bei 100° erhitzt. Anhydrit, von dem man weiß, daß er durch Wasseraufnahme in Gips übergeht, entsteht aus einer gesättigten Lösung von Chlornatrium und Chlorkalium, wenn mit dieser eine Chlorcalciumlösung und eine Bittersalzlösung durch Diffusion zusammentreffen. Überhaupt begünstigen salzhaltige Lösungen die Abscheidung wasserärmerer Verbindungen; in manchen Fällen wirken sie geradezu wasserentziehend; so kann eine Chloridlösung den Gips entwässern und zu Anhydrit umwandeln, während anderseits in einer Chloridlösung das Calciumsulfat sich direkt als Anhydrit ausscheiden kann. Gerade diese letztern Versuche sind sehr geeignet, das natürliche Vorkommen von Anhydrit, Gips und den verschiedenen Salzen in den Steinsalzlagerstätten zu erklären.

Vgl. außer den Lehrbüchern der Geologie: Zirkel, Lehrbuch der Petrographie (2. Aufl., Leipz. 1893–94, 3 Bde.); Rosenbusch, Mikroskopische Physiographie der Mineralien und G. (3. Aufl., Stuttg. 1892–96, 2 Bde.) und Elemente der Gesteinslehre (2. Aufl., das. 1901); Fouqué und Michel-Lévy, Minéralogie micrographique (Par. 1879) und Synthèse des minéraux et des roches (das. 1882); Cohen, Sammlung von Mikrophotographien (3. Aufl., Stuttg. 1900); Roth, Allgemeine und chemische Geologie (Berl. 1879–93, 3 Bde.); Dölter, Allgemeine chemische Mineralogie (Leipz. 1890); Brauns, Chemische Mineralogie (das. 1896).