Planetary Geology on Earth: Schrägschichtungen EarthCache

Dieser Earthcache ist ein Beitrag zur Earthcache-Serie Planetengeologie auf der Erde. Auf den erdnahen Planeten, insbesondere auf dem Mars, wurden ähnliche Erscheinungsformen wie auf der Erde entdeckt: Vulkane mit Kratern, Berge, Flusstäler, Gletscher, Einschläge von Meteoriten, Sedimente oder Salzlager. Bei diesem Earthcache geht es um Schrägschichtungen, die auf dem Mars gefunden wurden, und die es natürlich auch auf der Erde gibt.

Ein außergewöhnliches Geschiebe aus Sandstein

Im Schlosspark von Neschwitz gibt es seit einigen Jahren einen Eiszeit-Pfad. Auf einer Strecke von 260 Metern sind 36 Geschiebe ausgestellt, die von den Gletschern der Eiszeit in diese Gegend transportiert wurden. Fast alle stammen aus Skandinavien. Die meisten der Geschiebe sind Granite, Gneise oder Migmatite. Diesen Gesteinen ist GCA49N9 gewidmet.

Ein einziger quarzitischer Sandstein hat die lange Reise überstanden. Es ist kein Wunder, dass Sandsteine den ruppigen Umgang der Gletscher mit ihren unfreiwilligen Passagieren im Normalfall nicht überleben. Sie werden zerrieben.

Der Sandstein (Geschiebe-Nummer 36) ist gleich dreifach etwas Besonderes.
Erstens (und am wichtigsten!) weist der Sandstein eine wunderbar ausgeprägte Schrägschichtung auf. Damit können wir Rückschlüsse auf dessen Entstehung ziehen.
Zweitens ist er besonders hart und widerstandsfähig, woraus wir auf sein Material und seine „Herstellung“ schließen können.
Und drittens: Solche Schrägschichtungen gibt es auch auf dem Mars, so dass wir Vergleiche mit Marsgestein anstellen können.

Sand

Sand ist in der Geologie als unverfestigtes Lockermaterial (Sediment) definiert, welches sich überwiegend (zu mehr als 50%) aus Mineralkörnern einer Größe zwischen 0,063 und 2 mm zusammensetzt. Vom Prinzip her ist es unwichtig, woraus die Mineralkörner bestehen. Allerdings handelt es sich meist – wie auch in unserem Fall – um Quarzkörner.

Die Mineralkörner entstehen bei der Verwitterung von Gesteinen. Wind und Wasser transportieren sie mehr oder weniger weit. Je länger der Transportweg ist, desto stärker werden die Körner gerundet. Schließlich werden sie irgendwo abgelagert. Zum Beispiel in einer Wüste. Oder ein Fluss spült sie in ein Meer.

Schrägschichtungen

Für unsere Betrachtungen ist die Art und Weise der Ablagerung sehr wichtig.

Der Normalfall ist, dass die Ablagerung Schicht für Schicht übereinander erfolgt. Die einzelnen Schichten können sich zum Beispiel dadurch unterscheiden, dass die Körner mal größer und mal feiner sind oder aus etwas anderem Material bestehen. Bei stärkerer Strömung kann das Wasser größere Bestandteile transportieren.


Im "Normalfall" werden Sedimente Schicht für
Schicht annähernd waagerecht abgelagert.


Wie fast immer gibt es auch andere Möglichkeiten. Diese treten seltener ein. Und noch seltener sind sie so gut erhalten wie bei unserem Sandstein aus Skandinavien.

Wird der Sand durch strömendes Wasser oder durch Luft bewegt, dann können Strömungsrippel entstehen. Der Querschnitt zeigt eine asymmetrische Form von Luv und Lee. Die Strömung (von Wind oder Wasser) befördert die Körnchen die flachere Luvseite hinauf. An der höchsten Stelle purzeln die Körner die steilere Leeseite hinunter. Oder sie springen ein Stück und werden durch die Strömung an der nächsten Luvseite hinauf befördert. Auf diese Weise bildet sich am Leehang eine (schräge) Schicht nach der anderen.


Grafik Schrägschichtung


Schauen wir uns die Grafik an, dann ist ersichtlich, dass die kleinen Sandkörnchen an der Lee-Seite den Hang hinunter rutschen oder gleiten oder fallen. Wenn wir uns die Frage stellen, warum das so ist, dann fällt uns spontan die Gravitation ein.

Nun ist es aber so, dass die Größe des Winkels der Schichten vom Transportmedium abhängt. Bei Dünen, also dem Transportmedium Luft, beträgt der Winkel der Schrägschichtung etwa 30°. Beim Transportmedium Wasser sind es nur 15°.

Die Ursache für diese Unterschiede liegt in der Wirkung von Kräften „im Kleinen“. Bei Dünen laden sich die Sandkörner aufgrund der Reibung oft statisch auf, so dass ein so steiler Lee-Hang von 30° aufgrund der Haftung der Körner aneinander möglich wird. Im Wasser ist es die Oberflächenspannung des Wassers, die die Körnchen zusammenhält. Diese Oberflächenspannung ist geringer und schafft nur einen Winkel von 15°.

Jedenfalls scheidet die Gravitation als Ursache für die unterschiedlichen Winkel aus. Und das ist gut. Schließlich wollen wir Vergleiche mit Marsgestein anstellen. Auf dem Mars beträgt die Schwerkraft bekanntlich nur ein Drittel der Erdschwerkraft.

Bei unserem Sandstein liegt eine planare (tafelige) Schrägschichtung vor. In der Natur kann man noch andere Formen finden. Zum Beispiel die trogförmige (bogige) Schrägschichtung oder die sogenannte Hummocky cross stratification (hügelige Kreuzschichtung, siehe GCA2WB1).

Auch die Größenordnung von Schrägschichtungen kann sehr unterschiedlich sein. Bei unserem Sandstein bewegt sich die Schrägschichtung im Zentimeter-Bereich. In der Natur gibt es auch 20 Meter große Schrägschichtungen.

Dank einer gut erhaltenen Schrägschichtung können wir nach Jahrmillionen noch feststellen, ob die Körnchen eines Sediments durch Wasser oder durch Luft transportiert und abgelagert wurden. Und aus welcher Richtung die Strömung kam.

Entstehung von Sandstein durch Diagenese

Der zunächst locker abgelagerte Sand wird unter der Last der darüber liegenden Schichten verdichtet (kompaktiert). Wächst der Druck weiter, dann „schwitzt“ das Sediment Porenwasser aus. In diesem Porenwasser wird oft ein Zement ausgefällt, der aus dem lockeren Sediment ein festes Sedimentgestein macht. Der gesamte Vorgang der Kompaktion und Zementation heißt Diagenese.

Das häufigste Zementmaterial bei der Diagenese von Sandstein ist Quarz. Andere „Zemente“ können Calcit, Eisenoxide, Feldspäte oder Tonminerale sein.

Mit Quarz zementierte Sandsteine nennt man quarzitische Sandsteine. Sie verdanken ihre Verfestigung der Drucklösung und anschließenden Wiederausfällung von Quarz. Die Sandkörner werden so extrem fest miteinander verbunden. In Bezug auf die Festigkeitseigenschaften besteht nur ein geringer Unterschied zwischen den quarzitischen Sandsteinen und den durch Metamorphose entstandenen Quarziten.

Erkundungen auf dem Mars

Das Mars Science Labaoratory Curiosity ist ein Mars-Rover der NASA. Der Start erfolgte am 26. November 2011. Die Marslandung glückte am 6. August 2012. Es wurden zahlreiche Fotografien von unglaublicher Qualität an die Erde gesendet.

Wissenschaftler haben Daten, die Curiosity geliefert hat, ausgewertet. Es wurden Sedimente, welche im Shaler-Aufschluss gefunden wurden, identifiziert. Ein Ziel der Wissenschaftler besteht im Nachweis, dass es auf dem Mars einmal Wasser gegeben hat.

Das interessiert uns auch. Und anhand der Fotos von Curiosity sind wir dank unserer Erkenntnisse über die Schrägschichtungen dazu auch in der Lage.


Detailfoto der NASA mit Schrägschichtung auf dem Mars.

Aufgaben/Fragen

Die Grafik Schrägschichtung zeigt deutlich, dass es nicht gleichgültig ist, aus welcher Richtung du ein Gestein mit Schrägschichtung betrachtest. Das haben auch die Erbauer des Eiszeit-Pfades berücksichtigt. Also schau dir den Sandstein Nummer 36 mit Schrägschichtung immer vom Weg aus an, so dass du auf das Schildchen blicken kannst.

1. Skizziere ganz grob den Verlauf der Schichtungen am Sandstein in das folgende Foto ein.



2. Welchen Verlauf hatte die Strömung im Bereich der Schrägschichtung: Von rechts nach links oder von links nach rechts? Oder gab es unterschiedliche Richtungen?

3. Bestimme den Winkel der Schrägschichtung, der (größtenteils) vorherrscht. Ist der Sand im Wasser oder auf dem Land abgelagert worden?

4. Schau dir das Detailfoto der NASA mit Schrägschichtung auf dem Mars an.
Welcher Winkel der Schrägschichtung liegt hier vor?
Ist die Schichtung des Gesteins auf dem Mars demzufolge in einer Flüssigkeit (zum Beispiel Wasser) oder in der „Luft“ entstanden?

Bitte sendet eure Antworten und die Skizze über das MessageCenter.
Bei Gruppen genügt eine Antwort. Schreibt dann aber bitte im Log, wer die Antwort gesendet hat.
Danach könnt ihr sofort loggen. Wir melden uns, wenn etwas nicht stimmen sollte.

Wir wünschen euch viel Freude und Erfolg mit diesem Earthcache!

Literatur

https://de.wikipedia.org/wiki/Schr%C3%A4gschichtung
https://www.mineralienatlas.de/lexikon/index.php/Schr%C3%A4gschichtung?lang=de
http://www.cms.fu-berlin.de/geo/fb/e-learning/petrograph/sedimentite/lesen/se_merkmale/se_strukturen_1/se_strukturen_rippeln/index.html

Mars:
https://de.wikipedia.org/wiki/Mars_Science_Laboratory
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/sed.12370


Fotos vom Mars: NASA

Grafiken und Fotos (Aufgabe 1, Hintergrund: Namib Wüste): Martinsbande