Geologie

Die Geologie (von altgriechisch γῆ (gê) 'Erde' und -λoγία (-logía) 'Studium, Abhandlung') ist ein Zweig der Naturwissenschaften, der sich mit der Erde und anderen astronomischen Objekten, den Eigenschaften oder Gesteinen, aus denen sie besteht, und den Prozessen, durch die sie sich im Laufe der Zeit verändern, befasst. Die moderne Geologie überschneidet sich in erheblichem Maße mit allen anderen Geowissenschaften, einschließlich der Hydrologie und der Atmosphärenwissenschaften, und wird daher als ein wichtiger Aspekt der integrierten Erdsystemwissenschaft und der Planetenwissenschaft behandelt. ⓘ

Die Geologie beschreibt die Struktur der Erde auf und unter ihrer Oberfläche sowie die Prozesse, die diese Struktur geformt haben. Sie bietet auch Instrumente zur Bestimmung des relativen und absoluten Alters von Gesteinen, die an einem bestimmten Ort gefunden wurden, und zur Beschreibung der Geschichte dieser Gesteine. Durch die Kombination dieser Instrumente sind Geologen in der Lage, die geologische Geschichte der Erde als Ganzes aufzuzeichnen und auch das Alter der Erde nachzuweisen. Die Geologie liefert die wichtigsten Beweise für die Plattentektonik, die Evolutionsgeschichte des Lebens und die vergangenen Klimazonen der Erde. ⓘ

Geologen setzen eine Vielzahl von Methoden ein, um den Aufbau und die Entwicklung der Erde zu verstehen, darunter Feldarbeit, Gesteinsbeschreibung, geophysikalische Techniken, chemische Analysen, physikalische Experimente und numerische Modellierung. In der Praxis ist die Geologie wichtig für die Erkundung und Ausbeutung von Mineralien und Kohlenwasserstoffen, die Bewertung von Wasserressourcen, das Verständnis von Naturgefahren, die Sanierung von Umweltproblemen und den Einblick in vergangene Klimaveränderungen. Die Geologie ist eine wichtige akademische Disziplin, die für das geologische Ingenieurwesen von zentraler Bedeutung ist und eine wichtige Rolle in der Geotechnik spielt. ⓘ

Die Bezeichnung Geologie im heutigen Sinn findet sich erstmals 1778 bei Jean-André Deluc (1727–1817). Als feststehenden Begriff führte sie 1779 Horace-Bénédict de Saussure (1740–1799) ein. Davor war die Bezeichnung Geognosie gebräuchlich. ⓘ

Geologisches Material

Die meisten geologischen Daten stammen aus der Forschung an festen Erdmaterialien. Meteoriten und andere extraterrestrische natürliche Materialien werden ebenfalls mit geologischen Methoden untersucht. ⓘ

Mineralien

Mineralien sind natürlich vorkommende Elemente und Verbindungen mit einer bestimmten homogenen chemischen Zusammensetzung und einer geordneten atomaren Zusammensetzung. ⓘ

Jedes Mineral hat bestimmte physikalische Eigenschaften, und es gibt viele Tests, um sie zu bestimmen. Die Proben können geprüft werden auf:

• Glanz: Qualität des von der Oberfläche eines Minerals reflektierten Lichts. Beispiele sind metallisch, perlmuttartig, wachsartig, stumpf.
• Farbe: Mineralien werden nach ihrer Farbe gruppiert. Meistens diagnostisch, aber Verunreinigungen können die Farbe eines Minerals verändern.
• Schlieren: Wird durch Kratzen der Probe auf einer Porzellanplatte durchgeführt. Die Farbe des Streifens kann helfen, das Mineral zu bestimmen.
• Härte: Die Widerstandsfähigkeit eines Minerals gegenüber Kratzern.
• Bruchmuster: Ein Mineral kann entweder einen Bruch oder eine Spaltung aufweisen, wobei ersteres ein Bruch von unebenen Flächen und letzteres ein Bruch entlang eng beieinander liegender paralleler Ebenen ist.
• Spezifisches Gewicht: Das Gewicht eines bestimmten Volumens eines Minerals.
• Sprudeln: Dabei wird Salzsäure auf das Mineral getropft, um zu prüfen, ob es sprudelt.
• Magnetismus: Mit einem Magneten wird der Magnetismus geprüft.
• Geschmack: Mineralien können einen charakteristischen Geschmack haben, wie z. B. Halit (das wie Kochsalz schmeckt). ⓘ

Gestein:

Der Gesteinszyklus zeigt die Beziehung zwischen Eruptiv-, Sediment- und metamorphen Gesteinen. ⓘ

Ein Gestein ist jede natürlich vorkommende feste Masse oder Ansammlung von Mineralien oder Mineraloiden. Der größte Teil der geologischen Forschung befasst sich mit der Untersuchung von Gesteinen, da sie den größten Teil der geologischen Geschichte der Erde aufzeichnen. Es gibt drei Hauptgesteinstypen: Eruptivgestein, Sedimentgestein und metamorphes Gestein. Der Gesteinszyklus veranschaulicht die Beziehungen zwischen ihnen (siehe Diagramm). ⓘ

Wenn ein Gestein aus einer Schmelze (Magma oder Lava) erstarrt oder kristallisiert, handelt es sich um ein Eruptivgestein. Dieses Gestein kann verwittert und erodiert sein, dann wieder abgelagert und zu einem Sedimentgestein lithifiziert werden. Anschließend kann es durch Hitze und Druck in ein metamorphes Gestein umgewandelt werden, wodurch sich sein Mineralgehalt verändert und eine charakteristische Struktur entsteht. Alle drei Gesteinsarten können wieder schmelzen, und wenn dies geschieht, bildet sich neues Magma, aus dem sich erneut ein Eruptivgestein verfestigen kann. Organische Stoffe wie Kohle, Bitumen, Erdöl und Erdgas sind vor allem mit organisch geprägten Sedimentgesteinen verbunden. ⓘ

Natives Gold aus Venezuela ⓘ

Quarz aus Tibet. Quarz macht mehr als 10 % der Masse der Erdkruste aus. ⓘ

Um alle drei Gesteinsarten zu untersuchen, bewerten Geologen die Mineralien, aus denen sie bestehen, und ihre anderen physikalischen Eigenschaften, wie z. B. Textur und Gewebe. ⓘ

Werkzeuge des Geologen: Pickhammer und Lupe. ⓘ

Die Allgemeine Geologie befasst sich mit den Kräften, die auf den Erdkörper einwirken und mit den Prozessen, die in großem Maßstab zur Gesteinsbildung beitragen. ⓘ

Unversteinertes Material

Geologen untersuchen auch ungesteinte Materialien (so genannte oberflächliche Ablagerungen), die über dem Grundgestein liegen. Diese Untersuchung wird oft als Quartärgeologie bezeichnet, nach dem Quartär der Erdgeschichte, dem jüngsten Zeitabschnitt der Erdgeschichte. ⓘ

Magma

Magma ist die ursprüngliche, ungeschmolzene Quelle aller magmatischen Gesteine. Der aktive Fluss von geschmolzenem Gestein wird in der Vulkanologie eingehend untersucht, und die Eruptivpetrologie zielt darauf ab, die Geschichte der Eruptivgesteine von ihrer ursprünglichen geschmolzenen Quelle bis zu ihrer endgültigen Kristallisation zu bestimmen. ⓘ

Struktur der gesamten Erde

Plattentektonik

Die ozeanisch-kontinentale Konvergenz, die zu Subduktion und Vulkanbögen führt, ist ein Beispiel für die Auswirkungen der Plattentektonik. ⓘ

Die großen tektonischen Platten der Erde ⓘ

In den 1960er Jahren wurde entdeckt, dass die Lithosphäre der Erde, die die Kruste und den starren obersten Teil des oberen Erdmantels umfasst, in tektonische Platten aufgeteilt ist, die sich durch den plastisch verformbaren, festen oberen Erdmantel, die so genannte Asthenosphäre, bewegen. Diese Theorie wird durch verschiedene Beobachtungen gestützt, darunter die Ausbreitung des Meeresbodens, die globale Verteilung der Gebirgslandschaft und die Seismizität. ⓘ

Es besteht eine enge Kopplung zwischen der Bewegung der Platten an der Oberfläche und der Konvektion des Mantels (d. h. der Wärmeübertragung, die durch die langsame Bewegung des duktilen Mantelgesteins verursacht wird). So bewegen sich die ozeanischen Platten und die angrenzenden Konvektionsströme des Mantels immer in dieselbe Richtung - denn die ozeanische Lithosphäre ist eigentlich die starre obere thermische Grenzschicht des konvektiven Mantels. Diese Kopplung zwischen starren Platten, die sich auf der Erdoberfläche bewegen, und dem konvektiven Mantel wird als Plattentektonik bezeichnet. ⓘ

In diesem Diagramm, das auf seismischer Tomographie basiert, sind subduzierende Platten blau und Kontinentalränder und einige Plattengrenzen rot dargestellt. Der blaue Klecks im Ausschnitt ist die Farallon-Platte, die sich unter Nordamerika absenkt. Die Überreste dieser Platte auf der Erdoberfläche sind die Juan-de-Fuca-Platte und die Explorer-Platte, beide im Nordwesten der Vereinigten Staaten und im Südwesten Kanadas, sowie die Cocos-Platte an der Westküste Mexikos. ⓘ

Die Entwicklung der Plattentektonik hat eine physikalische Grundlage für viele Beobachtungen der festen Erde geschaffen. Lange lineare Regionen mit geologischen Merkmalen werden als Plattengrenzen erklärt. ⓘ

Zum Beispiel:

• Mittelozeanische Rücken, hohe Regionen am Meeresboden, in denen hydrothermale Schlote und Vulkane existieren, werden als divergente Grenzen angesehen, an denen sich zwei Platten auseinander bewegen.
• Vulkan- und Erdbebenbögen gelten als konvergente Grenzen, an denen eine Platte unter eine andere subduziert oder sich unter diese bewegt. ⓘ

Transformationsgrenzen, wie das San-Andreas-Verwerfungssystem, führten zu weit verbreiteten starken Erdbeben. Die Plattentektonik lieferte auch einen Mechanismus für Alfred Wegeners Theorie der Kontinentalverschiebung, bei der sich die Kontinente im Laufe der geologischen Zeit über die Erdoberfläche bewegen. Sie lieferte auch eine treibende Kraft für die Deformation der Erdkruste und einen neuen Rahmen für die Beobachtungen der Strukturgeologie. Die Stärke der Theorie der Plattentektonik liegt in ihrer Fähigkeit, all diese Beobachtungen in einer einzigen Theorie darüber zu vereinen, wie sich die Lithosphäre über den konvektiven Erdmantel bewegt. ⓘ

Aufbau der Erde

Der schichtweise Aufbau der Erde. (1) innerer Kern; (2) äußerer Kern; (3) unterer Mantel; (4) oberer Mantel; (5) Lithosphäre; (6) Kruste (Teil der Lithosphäre) ⓘ

Der schichtweise Aufbau der Erde. Typische Wellenverläufe von Erdbeben wie diesen gaben den frühen Seismologen Einblicke in den Schichtaufbau der Erde ⓘ

Fortschritte in der Seismologie, der Computermodellierung sowie der Mineralogie und Kristallographie bei hohen Temperaturen und Drücken geben Aufschluss über die innere Zusammensetzung und Struktur der Erde. ⓘ

Seismologen können die Ankunftszeiten seismischer Wellen nutzen, um das Innere der Erde abzubilden. Frühe Fortschritte auf diesem Gebiet zeigten, dass es einen flüssigen äußeren Kern (in dem sich Scherwellen nicht ausbreiten konnten) und einen dichten festen inneren Kern gibt. Diese Fortschritte führten zur Entwicklung eines Schichtmodells der Erde mit einer Kruste und Lithosphäre oben, dem Erdmantel darunter (der durch seismische Diskontinuitäten bei 410 und 660 Kilometern in sich selbst getrennt ist) und dem äußeren und inneren Kern darunter. In jüngster Zeit sind Seismologen in der Lage, detaillierte Bilder der Wellengeschwindigkeiten im Erdinneren zu erstellen, so wie ein Arzt einen Körper in einem CT-Scan abbildet. Diese Bilder haben zu einem viel detaillierteren Bild des Erdinneren geführt und das vereinfachte Schichtenmodell durch ein viel dynamischeres Modell ersetzt. ⓘ

Die Mineralogen konnten die Druck- und Temperaturdaten aus den seismischen und Modellierungsstudien zusammen mit dem Wissen über die elementare Zusammensetzung der Erde nutzen, um diese Bedingungen in experimentellen Umgebungen zu reproduzieren und Veränderungen in der Kristallstruktur zu messen. Diese Studien erklären die chemischen Veränderungen, die mit den großen seismischen Diskontinuitäten im Erdmantel verbunden sind, und zeigen die kristallographischen Strukturen, die im inneren Erdkern erwartet werden. ⓘ

Geologische Zeit

Die geologische Zeitskala umfasst die Geschichte der Erde. Sie wird frühestens mit der Entstehung der ersten Materie des Sonnensystems vor 4,567 Ga (oder 4,567 Milliarden Jahren) und der Bildung der Erde vor 4,54 Ga (4,54 Milliarden Jahre), dem Beginn des informell anerkannten Erdzeitalters - einer geologischen Zeiteinheit. Das spätere Ende der Skala wird durch den heutigen Tag (im Holozän) markiert. ⓘ

Zeitskala der Erde

Die folgenden fünf Zeitleisten zeigen die geologische Zeitskala im Maßstab. Die erste zeigt die gesamte Zeitspanne von der Entstehung der Erde bis zur Gegenwart, lässt aber nur wenig Platz für den jüngsten Äon. Die zweite Zeitleiste zeigt einen erweiterten Blick auf das jüngste Äon. In ähnlicher Weise wird das jüngste Zeitalter in der dritten Zeitleiste erweitert, die jüngste Periode in der vierten Zeitleiste und die jüngste Epoche in der fünften Zeitleiste.

Millionen von Jahren (1., 2., 3. und 4.)
Tausende von Jahren (5.) ⓘ

Wichtige Meilensteine auf der Erde

	Äonothem	Ärathem	System	Alter (mya) ⓘ
	Phanerozoikum Dauer: 541 Ma	Känozoikum Erdneuzeit Dauer: 66 Ma	Quartär	0 ⬍ 2,588
			Neogen	2,588 ⬍ 23,03
			Paläogen	23,03 ⬍ 66
		Mesozoikum Erdmittelalter Dauer: 186,2 Ma	Kreide	66 ⬍ 145
			Jura	145 ⬍ 201,3
			Trias	201,3 ⬍ 251,9
		Paläozoikum Erdaltertum Dauer: 288,8 Ma	Perm	251,9 ⬍ 298,9
			Karbon	298,9 ⬍ 358,9
			Devon	358,9 ⬍ 419,2
			Silur	419,2 ⬍ 443,4
			Ordovizium	443,4 ⬍ 485,4
			Kambrium	485,4 ⬍ 541
P r ä k a m b r i u m Dauer: 4.059 Ma	Proterozoikum Dauer: 1.959 Ma	Neoproterozoikum Jungproterozoikum Dauer: 459 Ma	Ediacarium	541 ⬍ 635
			Cryogenium	635 ⬍ 720
			Tonium	720 ⬍ 1000
		Mesoproterozoikum Mittelproterozoikum Dauer: 600 Ma	Stenium	1000 ⬍ 1200
			Ectasium	1200 ⬍ 1400
			Calymmium	1400 ⬍ 1600
		Paläoproterozoikum Altproterozoikum Dauer: 900 Ma	Statherium	1600 ⬍ 1800
			Orosirium	1800 ⬍ 2050
			Rhyacium	2050 ⬍ 2300
			Siderium	2300 ⬍ 2500
	Archaikum Dauer: 1.500 Ma	Neoarchaikum Dauer: 300 Ma		2500 ⬍ 2800
		Mesoarchaikum Dauer: 400 Ma		2800 ⬍ 3200
		Paläoarchaikum Dauer: 400 Ma		3200 ⬍ 3600
		Eoarchaikum Dauer: 400 Ma		3600 ⬍ 4000
	Hadaikum Dauer: 600 Ma			4000 ⬍ 4600

Ein prinzipielles Problem ist hierbei die Tatsache, dass man mit obigen Methoden nur eine relative Zeitskala, ein Vorher-Nachher der verschiedenen Gesteinsbildungen, aber keine absoluten Datierungen erhält. Zwar hatte man schon früh versucht, die Sedimentationsraten bestimmter Gesteine zu schätzen, aber die meiste Zeit „steckt“ ja nicht in den Schichten selbst, die sich in relativ kurzer Zeit gebildet haben können, sondern vor allem in den Lücken zwischen den Schichten und in den Diskordanzen zwischen verschiedenen Schichtpaketen. Deshalb reichte die absolute Zeitskala, die mit Hilfe von Jahresringen in Bäumen (Dendrochronologie), oder durch Auszählung der Warven-Schichtung in Ablagerungen der letzten Eiszeit gewonnen wurde, nur wenige tausend Jahre zurück. ⓘ

Erst mit der Entdeckung der natürlichen Radioaktivität fanden sich zuverlässige Methoden für die absolute Datierung, auch von ältesten Gesteinen. Diese basieren auf den bekannten Zerfallsraten von radioaktiven Isotopen innerhalb der Minerale und Gesteine, zuweilen kombiniert mit paläomagnetischen Messungen. ⓘ

Siehe auch: Entstehung der Erde, Strontiumisotopenanalyse, Kalium-Argon-Methode, Radiokarbon-Methode, so wie die detailliertere Paläo-/Geologische Zeitskala ⓘ

Geologische Zeit in einem Diagramm, das als geologische Uhr bezeichnet wird und die relativen Längen der Äonen und Epochen der Erdgeschichte zeigt ⓘ

Zeitskala des Mondes

Millionen von Jahren vor der Gegenwart ⓘ

Zeitskala des Mars

Zeiträume auf dem Mars (vor Millionen von Jahren) ⓘ

Datierungsmethoden

Relative Datierung

Mit Hilfe von Querschnittsbeziehungen kann das relative Alter von Gesteinsschichten und anderen geologischen Strukturen bestimmt werden. Erklärungen: A - gefaltete Gesteinsschichten, die von einer Überschiebungsstörung durchschnitten werden; B - große Intrusion (die A durchschneidet); C - erosionsbedingte winkelförmige Diskordanz (die A und B abschneidet), auf der die Gesteinsschichten abgelagert wurden; D - vulkanischer Damm (der A, B und C durchschneidet); E - noch jüngere Gesteinsschichten (die C und D überlagern); F - normale Störung (die A, B, C und E durchschneidet). ⓘ

Methoden zur relativen Datierung wurden entwickelt, als die Geologie als Naturwissenschaft entstand. Geologen verwenden die folgenden Grundsätze auch heute noch, um Informationen über die geologische Geschichte und den zeitlichen Ablauf geologischer Ereignisse zu erhalten. ⓘ

Der Grundsatz des Uniformitarismus besagt, dass die beobachteten geologischen Prozesse, die die Erdkruste gegenwärtig verändern, im Laufe der geologischen Zeit im Wesentlichen auf die gleiche Weise abgelaufen sind. Ein Grundprinzip der Geologie, das der schottische Arzt und Geologe James Hutton im 18. Jahrhundert aufstellte, lautet: "Die Gegenwart ist der Schlüssel zur Vergangenheit". In Huttons Worten: "Die vergangene Geschichte unseres Globus muss durch das erklärt werden, was in der Gegenwart geschieht." ⓘ

Der Grundsatz der intrusiven Beziehungen betrifft querliegende Intrusionen. Wenn in der Geologie eine magmatische Intrusion eine Formation aus Sedimentgestein durchschneidet, kann man davon ausgehen, dass die magmatische Intrusion jünger ist als das Sedimentgestein. Zu den verschiedenen Arten von Intrusionen gehören Stocks, Laccolithen, Batholithen, Sills und Dikes. ⓘ

Der Grundsatz der Querschnittsbeziehungen bezieht sich auf die Entstehung von Verwerfungen und das Alter der Abfolgen, die sie durchschneiden. Störungen sind jünger als die von ihnen durchtrennten Gesteine. Wird also eine Störung gefunden, die einige Formationen durchdringt, aber nicht die darüber liegenden, dann sind die durchtrennten Formationen älter als die Störung, und die nicht durchtrennten müssen jünger als die Störung sein. Die Suche nach dem Schlüsselbett kann in solchen Fällen helfen festzustellen, ob es sich um eine normale Verwerfung oder um eine Überschiebung handelt. ⓘ

Das Prinzip der Einschlüsse und Komponenten besagt, dass bei Sedimentgesteinen, wenn Einschlüsse (oder Klasten) in einer Formation gefunden werden, die Einschlüsse älter sein müssen als die Formation, die sie enthält. Bei Sedimentgestein ist es zum Beispiel üblich, dass Kies aus einer älteren Formation herausgerissen und in eine neuere Schicht eingeschlossen wird. Ähnlich verhält es sich bei Eruptivgestein, wenn Xenolithe gefunden werden. Diese Fremdkörper werden von Magma oder Lavaströmen aufgenommen und in die Matrix eingebaut, wo sie später abkühlen. Folglich sind Xenolithe älter als das Gestein, in dem sie enthalten sind. ⓘ

Die Stratigraphie des Colorado-Plateaus im Südosten Utahs von Perm bis Jura ist ein Beispiel für die ursprüngliche Horizontalität und das Gesetz der Überlagerung. Diese Schichten bilden einen Großteil der berühmten markanten Felsformationen in weit auseinander liegenden Schutzgebieten wie dem Capitol Reef National Park und dem Canyonlands National Park. Von oben nach unten: Abgerundete hellbraune Kuppeln des Navajo-Sandsteins, geschichtete rote Kayenta-Formation, felsenbildender, vertikal gegliederter roter Wingate-Sandstein, hangbildende, violette Chinle-Formation, geschichtete hellrote Moenkopi-Formation und weißer, geschichteter Sandstein der Cutler-Formation. Bild aus der Glen Canyon National Recreation Area, Utah. ⓘ

Der Grundsatz der ursprünglichen Horizontalität besagt, dass die Ablagerung von Sedimenten im Wesentlichen in horizontalen Schichten erfolgt. Die Beobachtung von modernen marinen und nicht-marinen Sedimenten in einer Vielzahl von Umgebungen unterstützt diese Verallgemeinerung (obwohl die Querschichtung geneigt ist, ist die Gesamtausrichtung der quer geschichteten Einheiten horizontal). ⓘ

Das Prinzip der Überlagerung besagt, dass eine Sedimentschicht in einer tektonisch ungestörten Abfolge jünger als die darunter liegende und älter als die darüber liegende ist. Logischerweise kann eine jüngere Schicht nicht unter eine früher abgelagerte Schicht rutschen. Dieses Prinzip erlaubt es, die Sedimentschichten als eine Art vertikale Zeitachse zu betrachten, eine teilweise oder vollständige Aufzeichnung der Zeit, die von der Ablagerung der untersten Schicht bis zur Ablagerung der obersten Schicht verstrichen ist. ⓘ

Das Prinzip der faunistischen Sukzession beruht auf dem Auftreten von Fossilien in Sedimentgesteinen. Da die Organismen überall auf der Welt im gleichen Zeitraum vorkommen, lässt sich aus ihrem Vorhandensein oder (manchmal) Fehlen das relative Alter der Formationen, in denen sie vorkommen, ableiten. Das Sukzessionsprinzip beruht auf Grundsätzen, die William Smith fast hundert Jahre vor der Veröffentlichung der Evolutionstheorie von Charles Darwin aufstellte, und entwickelte sich unabhängig vom evolutionären Denken. Das Prinzip ist jedoch recht komplex, wenn man bedenkt, dass es Unsicherheiten bei der Fossilisierung und der Lokalisierung von Fossilarten aufgrund von seitlichen Veränderungen des Lebensraums (Fazieswechsel in Sedimentschichten) gibt und dass nicht alle Fossilien weltweit zur gleichen Zeit entstanden sind. ⓘ

Absolute Datierung

Das Mineral Zirkon wird häufig für die radiometrische Datierung verwendet. ⓘ

Geologen verwenden auch Methoden zur Bestimmung des absoluten Alters von Gesteinsproben und geologischen Ereignissen. Diese Daten sind für sich genommen nützlich und können auch in Verbindung mit relativen Datierungsmethoden oder zur Kalibrierung relativer Methoden verwendet werden. ⓘ

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde der Fortschritt in der geologischen Wissenschaft durch die Möglichkeit erleichtert, mithilfe von radioaktiven Isotopen und anderen Methoden genaue absolute Daten für geologische Ereignisse zu erhalten. Dies veränderte das Verständnis der geologischen Zeit. Zuvor konnten Geologen nur Fossilien und stratigrafische Korrelationen verwenden, um Gesteinsabschnitte relativ zueinander zu datieren. Mit den Isotopendaten wurde es möglich, Gesteinseinheiten absolute Zeitalter zuzuordnen, und diese absoluten Daten konnten auf Fossilabfolgen angewendet werden, in denen datierbares Material vorhanden war, wodurch die alten relativen Zeitalter in neue absolute Zeitalter umgewandelt wurden. ⓘ

Für viele geologische Anwendungen werden Isotopenverhältnisse radioaktiver Elemente in Mineralien gemessen, die Aufschluss darüber geben, wie viel Zeit vergangen ist, seit ein Gestein seine bestimmte Schließungstemperatur durchlaufen hat, d. h. den Punkt, an dem verschiedene radiometrische Isotope nicht mehr in das Kristallgitter hinein- und herausdiffundieren. Sie werden in geochronologischen und thermochronologischen Studien verwendet. Zu den gängigen Methoden gehören die Uran-Blei-Datierung, die Kalium-Argon-Datierung, die Argon-Argon-Datierung und die Uran-Thorium-Datierung. Diese Methoden werden für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Die Datierung von Lava- und Vulkanascheschichten innerhalb einer stratigrafischen Abfolge kann absolute Altersdaten für Sedimentgesteinseinheiten liefern, die keine radioaktiven Isotope enthalten, und relative Datierungsverfahren kalibrieren. Diese Methoden können auch zur Bestimmung des Alters der Plutoneinlagerung verwendet werden. Thermochemische Verfahren können zur Bestimmung von Temperaturprofilen innerhalb der Kruste, der Hebung von Gebirgszügen und der Paläotopographie eingesetzt werden. ⓘ

Die Fraktionierung der Elemente der Lanthanidenreihe wird zur Berechnung des Alters seit der Entnahme von Gestein aus dem Erdmantel verwendet. ⓘ

Für jüngere Ereignisse werden andere Methoden verwendet. Optisch stimulierte Lumineszenz und die Datierung mit kosmogenen Radionukliden werden zur Datierung von Oberflächen und/oder Erosionsraten verwendet. Auch die Dendrochronologie kann für die Datierung von Landschaften verwendet werden. Die Radiokohlenstoffdatierung wird für geologisch junge Materialien verwendet, die organischen Kohlenstoff enthalten. ⓘ

Geologische Entwicklung eines Gebiets

Eine ursprünglich horizontale Abfolge von Sedimentgestein (in hellbraunen Farbtönen) wird durch eruptive Aktivitäten beeinflusst. Tief unter der Oberfläche befinden sich eine Magmakammer und große assoziierte Eruptivkörper. Die Magmakammer speist den Vulkan und sendet Ausläufer von Magma aus, die später zu Stollen und Schwellen kristallisieren. Das Magma dringt auch nach oben vor und bildet intrusive Eruptivkörper. Das Diagramm zeigt sowohl einen Schlackenkegelvulkan, der Asche freisetzt, als auch einen Verbundvulkan, der sowohl Lava als auch Asche freisetzt. ⓘ

Eine Illustration der drei Arten von Verwerfungen.
A. Streifverwerfungen treten auf, wenn Gesteinseinheiten aneinander vorbeigleiten.
B. Normale Verwerfungen treten auf, wenn Felsen eine horizontale Ausdehnung erfahren.
C. Umkehrverwerfungen (oder Schubverwerfungen) treten auf, wenn Gesteinseinheiten eine horizontale Verkürzung erfahren. ⓘ

Die San-Andreas-Verwerfung in Kalifornien ⓘ

Die Geologie eines Gebiets ändert sich im Laufe der Zeit, da Gesteinseinheiten abgelagert und eingefügt werden und Verformungsprozesse ihre Form und Lage verändern. ⓘ

Die Gesteinseinheiten werden zunächst entweder durch Ablagerung an der Oberfläche oder durch Intrusion in das darüber liegende Gestein abgelagert. Eine Ablagerung kann erfolgen, wenn sich Sedimente an der Erdoberfläche absetzen und später zu Sedimentgestein lithifizieren, oder wenn vulkanisches Material wie Vulkanasche oder Lavaströme die Oberfläche bedecken. Igneische Intrusionen wie Batholithen, Laccolithen, Dikes und Sills dringen nach oben in das darüber liegende Gestein ein und kristallisieren dabei aus. ⓘ

Nach der Ablagerung der ersten Gesteinsabfolge können die Gesteinseinheiten verformt und/oder metamorphosiert werden. Die Verformung erfolgt in der Regel durch eine horizontale Verkürzung, eine horizontale Ausdehnung oder eine Bewegung von einer Seite zur anderen (Streichen/Schlittern). Diese Strukturregime beziehen sich im Großen und Ganzen auf konvergente Grenzen, divergente Grenzen bzw. Transformgrenzen zwischen tektonischen Platten. ⓘ

Wenn Gesteinseinheiten einer horizontalen Kompression ausgesetzt sind, verkürzen sie sich und werden dicker. Da Gesteinseinheiten, mit Ausnahme von Schlämmen, ihr Volumen nicht wesentlich verändern, geschieht dies in erster Linie auf zwei Arten: durch Verwerfung und Faltung. In der flachen Kruste, in der spröde Verformungen auftreten können, bilden sich Überschiebungsstörungen, die dazu führen, dass sich das tiefere Gestein auf das flachere Gestein schiebt. Da tieferes Gestein oft älter ist, kann dies dazu führen, dass sich älteres Gestein über jüngeres Gestein schiebt, wie das Prinzip der Überlagerung zeigt. Die Bewegung entlang von Verwerfungen kann zu Faltungen führen, entweder weil die Verwerfungen nicht eben sind oder weil Gesteinsschichten mitgeschleppt werden und beim Gleiten entlang der Verwerfung Schleppfalten bilden. Tiefer in der Erde verhält sich das Gestein plastisch und faltet sich, anstatt sich zu verformen. Bei diesen Falten kann es sich entweder um solche handeln, bei denen sich das Material in der Mitte der Falte nach oben wölbt, wodurch "Antiformen" entstehen, oder um solche, bei denen es sich nach unten wölbt, wodurch "Synformen" entstehen. Bleiben die Spitzen der Gesteinseinheiten innerhalb der Falten nach oben gerichtet, werden sie als Antiklinale bzw. Synklinale bezeichnet. Wenn einige der Gesteinseinheiten in der Falte nach unten zeigen, wird die Struktur als umgekippte Antiklinale oder Synklinale bezeichnet, und wenn alle Gesteinseinheiten umgekippt sind oder die korrekte Aufwärtsrichtung nicht bekannt ist, werden sie einfach mit den allgemeinsten Begriffen, Antiformen und Synformen, bezeichnet. ⓘ

Ein Diagramm von Falten, das eine Antiklinale und eine Synklinale zeigt ⓘ

Noch höhere Drücke und Temperaturen während der horizontalen Verkürzung können sowohl Faltung als auch Metamorphose des Gesteins verursachen. Diese Metamorphose führt zu Veränderungen in der Mineralzusammensetzung des Gesteins und erzeugt eine Schieferung oder eine ebene Oberfläche, die mit dem Mineralwachstum unter Spannung zusammenhängt. Dadurch können Anzeichen für die ursprüngliche Struktur der Gesteine entfernt werden, z. B. die Schichtung in Sedimentgestein, Fließmerkmale von Laven und Kristallmuster in kristallinem Gestein. ⓘ

Die Ausdehnung bewirkt, dass die Gesteinseinheiten insgesamt länger und dünner werden. Dies geschieht in erster Linie durch normale Verwerfungen und durch die duktile Dehnung und Ausdünnung. Normale Verwerfungen lassen höher gelegene Gesteinseinheiten unter tiefer gelegene fallen. Dies führt in der Regel dazu, dass jüngere Einheiten unter älteren Einheiten liegen. Die Dehnung von Einheiten kann zu deren Ausdünnung führen. An einer Stelle im Maria Fold and Thrust Belt erscheint die gesamte Sedimentabfolge des Grand Canyon auf einer Länge von weniger als einem Meter. Gesteine in der Tiefe, in der sie duktil gestreckt werden, sind oft auch metamorphosiert. Diese gestreckten Gesteine können sich auch zu Linsen zusammendrücken, die aufgrund ihrer optischen Ähnlichkeit als Boudins bezeichnet werden, nach dem französischen Wort für "Wurst". ⓘ

Dort, wo Gesteinseinheiten aneinander vorbeigleiten, entstehen in flachen Regionen Schrägverwerfungen, die in tieferen Regionen zu Scherzonen werden, in denen sich die Gesteine duktil verformen. ⓘ

Geologischer Querschnitt durch das Kittatinny-Gebirge. Dieser Querschnitt zeigt metamorphe Gesteine, die von jüngeren Sedimenten überlagert werden, die nach dem metamorphen Ereignis abgelagert wurden. Diese Gesteinseinheiten wurden später während der Hebung des Berges gefaltet und verformt. ⓘ

Die Hinzufügung neuer Gesteinseinheiten, sowohl durch Ablagerung als auch durch Intrusion, erfolgt häufig während der Deformation. Durch Verwerfungen und andere Deformationsprozesse entstehen topografische Gradienten, die dazu führen, dass das Material auf der Gesteinseinheit, die an Höhe gewinnt, von Hängen und Rinnen erodiert wird. Diese Sedimente werden auf der abfallenden Gesteinseinheit abgelagert. Durch die kontinuierliche Bewegung entlang der Verwerfung wird das topografische Gefälle trotz der Sedimentbewegung aufrechterhalten und weiterhin Raum für die Ablagerung des Materials geschaffen. Deformationsereignisse sind häufig auch mit Vulkanismus und eruptiver Aktivität verbunden. Vulkanische Asche und Laven lagern sich an der Oberfläche ab, und magmatische Intrusionen dringen von unten ein. Deiche, lange, flache magmatische Intrusionen, dringen entlang von Rissen ein und bilden sich daher oft in großer Zahl in Gebieten, die aktiv verformt werden. Dies kann zur Bildung von Deichschwärmen führen, wie sie beispielsweise im Kanadischen Schild zu beobachten sind, oder zu Ringen von Deichen um die Lavaröhre eines Vulkans. ⓘ

All diese Prozesse finden nicht notwendigerweise in einer einzigen Umgebung und nicht notwendigerweise in einer einzigen Reihenfolge statt. Die Hawaii-Inseln zum Beispiel bestehen fast vollständig aus geschichteten basaltischen Lavaströmen. Die Sedimentabfolgen auf dem mittleren Kontinent der Vereinigten Staaten und der Grand Canyon im Südwesten der USA enthalten fast unverformte Stapel von Sedimentgesteinen, die seit dem Kambrium an ihrem Platz geblieben sind. Andere Gebiete sind geologisch viel komplexer. Im Südwesten der Vereinigten Staaten wurden Sediment-, Vulkan- und Intrusivgesteine metamorphosiert, verformt, geschichtet und gefaltet. Selbst ältere Gesteine wie der Acasta-Gneis des Sklavenkratons im Nordwesten Kanadas, das älteste bekannte Gestein der Welt, wurden so stark metamorphisiert, dass ihr Ursprung ohne Laboranalyse nicht mehr feststellbar ist. Außerdem können diese Prozesse in mehreren Phasen ablaufen. An vielen Orten - der Grand Canyon im Südwesten der Vereinigten Staaten ist ein gut sichtbares Beispiel - wurden die unteren Gesteinseinheiten metamorphisiert und verformt, dann endete die Verformung und die oberen, nicht verformten Einheiten wurden abgelagert. Obwohl Gesteinsablagerungen und Gesteinsverformungen in beliebigem Umfang und zu beliebigen Zeitpunkten auftreten können, bieten diese Konzepte einen Leitfaden für das Verständnis der geologischen Geschichte eines Gebiets. ⓘ

Die endogene Dynamik (auch endogene Prozesse) beruht auf Kräften innerhalb der Erdkruste, wie Spannungen, Wärmeentwicklung durch radioaktive Zerfallsprozesse oder dem Magmakern der Erde und führt zur Bildung von Metamorphiten und Magmatiten. Sie beginnt mit der

• Erhöhung des Drucks, unter der andauernden Ablagerung von weiteren Sedimenten auf die unterlagernden Schichten. Durch Entwässerung, Kompaktion und Verfestigung (Diagenese) wird aus den Lockersedimenten festes Gestein, wie etwa Sandstein.
• Die Verformung von Gesteinen und die Rekristallisierung von Mineralen, unter zunehmend höherer Temperatur und steigendem Druck, wird als Metamorphose bezeichnet. Dabei bleibt das Gestein aber zunächst noch in festem Zustand. Aus magmatischen Gesteinen und grobkörnigen Sedimenten entstehen dabei oft Ortho- und Para-Gneise, aus feinen Sedimenten Schiefer.
• Schließlich kann es aber doch zur Aufschmelzung der Gesteine kommen (Anatexis). Glutflüssige Magmen steigen dann wieder aus dem Erdmantel auf.
• Wenn die Magmen in der Erdkruste stecken bleiben und erkalten, bilden sich Plutonite, etwa aus Granit, wenn sie die Erdoberfläche erreichen, kommt es zur Bildung von Vulkaniten wie Lava oder vulkanische Asche. ⓘ

Die Bewegungen, die die Oberflächengesteine in die Tiefe verfrachten, verformen und falten, aber gleichzeitig die Tiefengesteine wieder an die Oberfläche bringen, sowie die Spuren, die diese Kräfte in den Gesteinen hinterlassen, wie Faltung, Scherung und Schieferung, werden von der Tektonik und der Strukturgeologie untersucht. ⓘ

Um aus der heutigen Situation Rückschlüsse auf die Vergangenheit ziehen zu können, bedienen sich die Geologen des Prinzips des Aktualismus. Dieses lässt sich in einem Satz zusammenfassen: Der Schlüssel zur Vergangenheit ist die Gegenwart. Findet ein Geologe z. B. alte Gesteine, die fast identisch mit ausgeflossenen Laven eines heute aktiven Vulkans sind, dann kann er davon ausgehen, dass es sich bei dem gefundenen Gestein ebenfalls um vulkanisches Material handelt. Allerdings lässt sich der Aktualismus nicht auf alle Gesteine anwenden. Die Bildung von Eisenerzlagerstätten (BIF—„Banded Iron Formations“) lässt sich etwa heute nicht mehr beobachten, da sich die chemischen Bedingungen auf der Erde derart geändert haben, dass die Entstehung solcher Gesteine nicht mehr stattfindet. Andere Gesteine bilden sich eventuell in solchen Tiefen, dass ihre Bildung außerhalb des Zugriffs des Menschen liegt. Um die Entstehung solcher Gesteine zu verstehen, greifen die Geowissenschaftler auf Laborexperimente zurück. ⓘ

Methoden der Geologie

Ein Geologe wirft den ersten Blick auf die Gesteinsproben in einem frischen Bohrkern. ⓘ

Geologen beschäftigen sich mit der Erdkruste, Gesteinen sowie Erdöl und -gas. Sowohl die räumlichen Zusammenhänge zwischen verschiedenen Gesteinskörpern als auch die Zusammensetzung und innere Struktur der einzelnen Gesteine liefern Informationen zur Entschlüsselung der Bedingungen, unter denen diese entstanden sind. Der Geologe ist dabei für den Nachweis und die Erschließung von Rohstoffen wie Metallerzen, industriell genutzten Mineralien sowie Baustoffen wie Sanden, Kiesen und Tonen sowie neuerdings Silizium für die Solarindustrie zuständig, ohne die eine weitere wirtschaftliche Entwicklung nicht möglich wäre. Darüber hinaus ist er auch für die Sicherung von Trinkwasser sowie von Energierohstoffen wie Erdöl bzw. -gas und Kohle tätig. Schließlich obliegt den Geologen die Erkundung des Baugrundes, insbesondere bei größeren Bauprojekten, um Setzungen, Rutschungen und Grundbrüche langfristig zu vermeiden. ⓘ

Im Gelände oder unter Tage gliedert der Geologe die aufgeschlossenen (offen zugänglichen) Gesteine anhand von äußeren Merkmalen in definierte Einheiten. Diese Kartiereinheiten müssen sich bei dem gewählten Maßstab auf einer geologischen Karte, oder in einem geologischen Profil, darstellen lassen. Durch Extrapolation kann er so vorhersagen, wie die Gesteine im Untergrund mit großer Wahrscheinlichkeit gelagert sind. ⓘ

Die genauere Untersuchung der Gesteine (Petrographie, Petrologie) findet aber meist im Labor statt.

• Mit den einzelnen, teilweise mikroskopisch kleinen, Bestandteilen der Gesteine, den Mineralen, befasst sich die Mineralogie.
• Mit dem Fossilinhalt sedimentärer Gesteine beschäftigt sich die Paläontologie.

Solche detaillierten Untersuchungen auf kleinem Maßstab liefern die Daten und Fakten für die großräumigen Untersuchungen der Allgemeinen Geologie. ⓘ

Die Geologie hat vielfältige Berührungspunkte mit anderen Naturwissenschaften, die als Geowissenschaften zusammengefasst werden. So betrachtet die Geochemie chemische Prozesse im System Erde – und nutzt Methoden aus der Chemie, um zusätzliche Informationen über geowissenschaftliche Fragestellungen zu erhalten. Ähnliches gilt für die Geophysik und Geodäsie. Selbst die Mathematik hat einen speziellen Zweig, die Geostatistik, hervorgebracht, der besonders im Bergbau Verwendung findet. Seit den 1970er Jahren besteht in den Geowissenschaften allgemein ein gewisser Trend von eher qualitativ beschreibenden Untersuchungen hin zu mehr quantitativ messenden Methoden. Trotz der erhöhten Rechenleistung moderner Computer stoßen solche numerischen Methoden, wegen der enormen Variabilität und Komplexität geowissenschaftlicher Parameter, immer noch an ihre Grenzen. ⓘ

Im Grenzgebiet zur Astronomie bewegt sich die Planetengeologie oder Astrogeologie als Teilgebiet der Planetologie, die sich mit der Zusammensetzung, dem inneren Aufbau und den formenden Prozessen auf fremden Himmelskörpern beschäftigt. Geologische Fragestellungen und die Anwendung geologischer Methoden außerhalb der Erde gewannen vor allem seit Beginn der Raumfahrt und der Erforschung unseres Sonnensystems mit Sonden und Satelliten an Bedeutung. ⓘ

Ein Standard-Taschentransit von Brunton, der von Geologen häufig für Kartierungen und Vermessungen verwendet wird ⓘ

Feldmethoden

Ein typisches USGS-Feldkartierungslager in den 1950er Jahren ⓘ

Heute werden bei der geologischen Feldarbeit häufig Handheld-Computer mit GPS und Software für geografische Informationssysteme eingesetzt (digitale geologische Kartierung). ⓘ

Ein versteinerter Baumstamm im Petrified Forest National Park, Arizona, U.S.A. ⓘ

Die geologische Feldarbeit variiert je nach Aufgabenstellung. Typische Feldarbeit kann bestehen aus:

• Geologische Kartierung
  • Strukturelle Kartierung: Identifizierung der Lage der wichtigsten Gesteinseinheiten und der Verwerfungen und Falten, die zu ihrer Positionierung geführt haben.
  • Stratigraphische Kartierung: Bestimmung der Lage von Sedimentfazies (Lithofazies und Biofazies) oder Kartierung von Isoflächen gleicher Mächtigkeit von Sedimentgestein
  • Oberflächliche Kartierung: Erfassung der Lage von Böden und oberflächlichen Ablagerungen
• Vermessung von topographischen Merkmalen
  • Erstellung von topografischen Karten
  • Arbeiten zum Verständnis von Veränderungen in Landschaften, einschließlich:
    • Muster der Erosion und Ablagerung
    • Veränderung von Flussläufen durch Migration und Abtragung
    • Prozesse in Hanglagen
• Kartierung des Untergrunds mit geophysikalischen Methoden
  • Diese Methoden umfassen:
    • Seismische Untersuchungen in geringer Tiefe
    • Bodendurchdringendes Radar
    • Aeromagnetische Untersuchungen
    • Elektrische Widerstandstomographie
  • Sie helfen bei:
    • Kohlenwasserstoff-Exploration
    • Auffinden von Grundwasser
    • Lokalisierung vergrabener archäologischer Artefakte
• Hochauflösende Stratigraphie
  • Messung und Beschreibung stratigrafischer Abschnitte an der Oberfläche
  • Brunnenbohrung und Protokollierung
• Biogeochemie und Geomikrobiologie
  • Sammeln von Proben zur:
    • biochemische Wege zu bestimmen
    • neue Arten von Organismen zu identifizieren
    • neue chemische Verbindungen zu identifizieren
  • und um diese Entdeckungen zu nutzen, um:
    • das frühe Leben auf der Erde und seine Funktionsweise und seinen Stoffwechsel zu verstehen
    • wichtige Verbindungen für die Verwendung in Arzneimitteln zu finden
• Paläontologie: Ausgrabung von fossilem Material
  • für die Erforschung von vergangenem Leben und der Evolution
  • für Museen und Bildung
• Sammlung von Proben für Geochronologie und Thermochronologie
• Glaziologie: Messung der Eigenschaften von Gletschern und ihrer Bewegung ⓘ

Ein petrographisches Mikroskop.

Ein gescanntes Bild eines Dünnschliffs in kreuzpolarisiertem Licht.

In der optischen Mineralogie werden Dünnschliffe zur Untersuchung von Gesteinen verwendet. Die Methode basiert auf den unterschiedlichen Brechungsindizes der verschiedenen Mineralien. ⓘ

Petrologie

Neben der Identifizierung von Gesteinen im Gelände (Lithologie) identifizieren Petrologen Gesteinsproben auch im Labor. Zwei der wichtigsten Methoden zur Identifizierung von Gesteinen im Labor sind die optische Mikroskopie und der Einsatz einer Elektronenmikrosonde. Bei einer optisch-mineralogischen Analyse untersuchen Petrologen Dünnschliffe von Gesteinsproben mit einem petrographischen Mikroskop, wo die Minerale anhand ihrer unterschiedlichen Eigenschaften in planpolarisiertem und kreuzpolarisiertem Licht identifiziert werden können, einschließlich ihrer Doppelbrechung, ihres Pleochroismus, ihrer Zwillingsbildung und ihrer Interferenzeigenschaften mit einer konoskopischen Linse. In der Elektronenmikrosonde werden die einzelnen Stellen auf ihre genaue chemische Zusammensetzung und die Variation der Zusammensetzung innerhalb einzelner Kristalle untersucht. Untersuchungen stabiler und radioaktiver Isotope geben Aufschluss über die geochemische Entwicklung von Gesteinseinheiten. ⓘ

Petrologen können auch Daten über Flüssigkeitseinschlüsse nutzen und physikalische Experimente bei hohen Temperaturen und Drücken durchführen, um zu verstehen, bei welchen Temperaturen und Drücken verschiedene Mineralphasen auftreten und wie sie sich durch magmatische und metamorphe Prozesse verändern. Diese Forschungsarbeiten können auf die Praxis übertragen werden, um metamorphe Prozesse und die Bedingungen für die Kristallisation von Eruptivgestein zu verstehen. Diese Arbeit kann auch dazu beitragen, Prozesse im Erdinneren zu erklären, wie etwa die Subduktion und die Entwicklung von Magmakammern. ⓘ

Gefaltete Gesteinsschichten ⓘ

Strukturelle Geologie

Ein Diagramm eines orogenen Keils. Der Keil wächst durch Verwerfungen im Inneren und entlang der Hauptbasalverwerfung, dem Décollement. Er bildet seine Form zu einer kritischen Verjüngung aus, bei der die Winkel innerhalb des Keils gleich bleiben, da die Verwerfungen im Inneren des Materials die Verwerfungen entlang des Décollements ausgleichen. Es ist vergleichbar mit einem Bulldozer, der einen Haufen Erde schiebt, wobei der Bulldozer die überlagernde Platte ist. ⓘ

Strukturgeologen verwenden die mikroskopische Analyse von orientierten Dünnschliffen geologischer Proben, um das Gefüge im Gestein zu beobachten, das Aufschluss über die Verformung der kristallinen Struktur des Gesteins gibt. Sie zeichnen auch Messungen geologischer Strukturen auf und kombinieren sie, um die Ausrichtung von Verwerfungen und Falten besser zu verstehen und die Geschichte der Gesteinsverformung in dem betreffenden Gebiet zu rekonstruieren. Darüber hinaus führen sie analoge und numerische Experimente zur Gesteinsverformung in großen und kleinen Räumen durch. ⓘ

Die Analyse von Strukturen erfolgt häufig durch Aufzeichnung der Ausrichtungen verschiedener Merkmale in Stereonetzen. Ein Stereonetz ist eine stereografische Projektion einer Kugel auf eine Ebene, bei der Ebenen als Linien und Linien als Punkte projiziert werden. Diese können verwendet werden, um die Lage von Faltenachsen, Beziehungen zwischen Verwerfungen und Beziehungen zwischen anderen geologischen Strukturen zu bestimmen. ⓘ

Zu den bekanntesten Experimenten in der Strukturgeologie gehören die orogenen Keile, d. h. Zonen, in denen sich Gebirge entlang konvergenter tektonischer Plattengrenzen bilden. In den analogen Versionen dieser Experimente werden horizontale Sandschichten entlang einer unteren Fläche in eine Rückhaltevorrichtung gezogen, was zu realistisch aussehenden Verwerfungsmustern und dem Wachstum eines kritisch verjüngten (alle Winkel bleiben gleich) orogenen Keils führt. Numerische Modelle funktionieren auf die gleiche Weise wie diese analogen Modelle, obwohl sie oft ausgefeilter sind und Muster der Erosion und Hebung im Gebirgsgürtel einbeziehen können. Dies hilft dabei, die Beziehung zwischen Erosion und der Form eines Gebirgszugs aufzuzeigen. Diese Studien können auch nützliche Informationen über die Wege der Metamorphose durch Druck, Temperatur, Raum und Zeit liefern. ⓘ

Stratigraphie

Unterschiedliche Farben zeigen die verschiedenen Mineralien, aus denen der Berg Ritagli di Lecca besteht, gesehen von Fondachelli-Fantina, Sizilien ⓘ

Im Labor analysieren Stratigrafen Proben von stratigrafischen Abschnitten, die aus dem Gelände zurückgegeben werden können, z. B. von Bohrkernen. Stratigraphen analysieren auch Daten aus geophysikalischen Untersuchungen, die die Lage der stratigraphischen Einheiten im Untergrund zeigen. Geophysikalische Daten und Bohrlochprotokolle können miteinander kombiniert werden, um ein besseres Bild des Untergrunds zu erhalten, und Stratigraphen verwenden häufig Computerprogramme, um dies in drei Dimensionen zu tun. Stratigraphen können diese Daten dann nutzen, um frühere Prozesse an der Erdoberfläche zu rekonstruieren, frühere Umgebungen zu interpretieren und Gebiete für die Gewinnung von Wasser, Kohle und Kohlenwasserstoffen zu lokalisieren. ⓘ

Im Labor analysieren Biostratigraphen Gesteinsproben aus Aufschlüssen und Bohrkernen auf die darin gefundenen Fossilien. Diese Fossilien helfen den Wissenschaftlern, den Bohrkern zu datieren und die Ablagerungsumgebung zu verstehen, in der sich die Gesteinseinheiten gebildet haben. Geochronologen datieren Gesteine innerhalb des stratigraphischen Abschnitts genau, um den Zeitpunkt und die Geschwindigkeit der Ablagerung besser eingrenzen zu können. Magnetische Stratigraphen suchen nach Anzeichen für magnetische Umkehrungen in magmatischen Gesteinseinheiten innerhalb der Bohrkerne. Andere Wissenschaftler führen an den Gesteinen Untersuchungen mit stabilen Isotopen durch, um Informationen über das vergangene Klima zu gewinnen. ⓘ

Planetarische Geologie

Die Marsoberfläche, fotografiert von der Viking 2 Landefähre am 9. Dezember 1977 ⓘ

Mit dem Aufkommen der Weltraumforschung im zwanzigsten Jahrhundert haben Geologen begonnen, andere planetarische Körper auf die gleiche Weise zu untersuchen, die für die Erde entwickelt wurde. Dieses neue Forschungsgebiet wird als planetarische Geologie (manchmal auch als Astrogeologie bezeichnet) bezeichnet und stützt sich auf bekannte geologische Prinzipien zur Untersuchung anderer Körper des Sonnensystems. ⓘ

Obwohl sich die aus dem Griechischen stammende Vorsilbe geo auf die Erde bezieht, wird "Geologie" oft in Verbindung mit den Namen anderer Planeten verwendet, um deren Zusammensetzung und innere Prozesse zu beschreiben: Beispiele sind "Marsgeologie" und "Mondgeologie". Spezialisierte Begriffe wie Selenologie (Untersuchungen des Mondes), Areologie (des Mars) usw. werden ebenfalls verwendet. ⓘ

Obwohl Planetengeologen an der Untersuchung aller Aspekte anderer Planeten interessiert sind, liegt ein wichtiger Schwerpunkt auf der Suche nach Beweisen für vergangenes oder gegenwärtiges Leben auf anderen Welten. Dies hat zu zahlreichen Missionen geführt, deren Hauptzweck oder Nebenzweck darin besteht, planetarische Körper auf Anzeichen von Leben zu untersuchen. Eine dieser Missionen ist die Phoenix-Landeeinheit, die den polaren Marsboden auf Wasser, chemische und mineralogische Bestandteile untersucht hat, die mit biologischen Prozessen in Verbindung stehen. ⓘ

Angewandte Geologie

Die angewandte Geologie beschäftigt sich mit der praktischen Nutzbarmachung geologischer Forschung in der Gegenwart. Der Nutzen besteht nicht nur in der effizienten Ausbeutung der natürlichen Ressourcen der Erde, sondern auch in der Vermeidung von Umweltschäden und der Frühwarnung vor Naturkatastrophen, wie Erdbeben, Vulkanausbrüchen und Tsunamis. Sie gliedert sich in eine Vielzahl unterschiedlichster Felder, die sich sowohl untereinander als auch mit anderen Wissenschaften verzahnen. Siehe: Geowissenschaften ⓘ

Einige wichtige Teilgebiete der angewandten Geologie sind beispielsweise:

• die Hydrogeologie, die sich mit dem Fließverhalten und der Qualität des (Grund-)Wassers beschäftigt und unter anderem bei der Trinkwassergewinnung und dem Hochwasserschutz von Bedeutung ist;
• die Ingenieurgeologie, die sich beispielsweise der Statik des Bodens beim Bau von Gebäuden widmet;
• die Lagerstättenkunde oder Montangeologie, die sich als ältester Forschungsbereich der Geologie mit der Erforschung von natürlichen Bodenschätzen (Kohle, Erdöl, Erdgas, Erze usw.) befasst;
• die Bodenkunde, die sich mit der Qualität, Zusammensetzung und Horizontalabfolge von Böden beschäftigt;
• die Umweltgeologie. ⓘ

Es besteht eine enge Verzahnung angewandter geologischer Gebiete mit anderen Disziplinen, wie etwa Bauingenieurwesen, Bergbau- und Hüttenwesen, Materialkunde oder Umweltschutz. ⓘ

Mann beim Goldwaschen am Mokelumne. Harper's Weekly: Wie wir in Kalifornien zu Gold kamen. 1860 ⓘ

Wirtschaftsgeologie

Die Wirtschaftsgeologie ist ein Teilgebiet der Geologie, das sich mit den Aspekten wirtschaftlicher Mineralien befasst, die der Mensch zur Erfüllung verschiedener Bedürfnisse nutzt. Wirtschaftliche Mineralien sind solche, die für verschiedene praktische Zwecke gewinnbringend abgebaut werden. Wirtschaftsgeologen helfen bei der Suche und Verwaltung der natürlichen Ressourcen der Erde, wie Erdöl und Kohle, sowie der mineralischen Ressourcen, zu denen Metalle wie Eisen, Kupfer und Uran gehören. ⓘ

Bergbaugeologie

Die Bergbaugeologie befasst sich mit der Gewinnung von Bodenschätzen aus der Erde. Zu den Ressourcen von wirtschaftlichem Interesse gehören Edelsteine, Metalle wie Gold und Kupfer und viele Mineralien wie Asbest, Perlit, Glimmer, Phosphate, Zeolithe, Ton, Bimsstein, Quarz und Kieselerde sowie Elemente wie Schwefel, Chlor und Helium. ⓘ

Erdölgeologie

Mud log in process, eine gängige Methode zur Untersuchung der Lithologie bei Erdölbohrungen ⓘ

Erdölgeologen untersuchen die Stellen im Untergrund der Erde, die förderbare Kohlenwasserstoffe, insbesondere Erdöl und Erdgas, enthalten können. Da viele dieser Lagerstätten in Sedimentbecken zu finden sind, untersuchen sie die Entstehung dieser Becken sowie deren sedimentäre und tektonische Entwicklung und die heutige Lage der Gesteinseinheiten. ⓘ

Ingenieurgeologie

Die Ingenieurgeologie ist die Anwendung geologischer Grundsätze auf die Ingenieurpraxis, um sicherzustellen, dass die geologischen Faktoren, die sich auf die Lage, die Planung, den Bau, den Betrieb und die Instandhaltung von Bauwerken auswirken, angemessen berücksichtigt werden. Die Ingenieurgeologie unterscheidet sich vom geologischen Ingenieurwesen, insbesondere in Nordamerika. ⓘ

Ein Kind trinkt Wasser aus einem Brunnen, der im Rahmen eines hydrogeologischen humanitären Projekts in Kenia gebaut wurde. ⓘ

Im Bauwesen werden geologische Prinzipien und Analysen verwendet, um die mechanischen Grundlagen des Materials zu ermitteln, auf dem die Bauwerke errichtet werden. Auf diese Weise können Tunnel gebaut werden, ohne dass sie einstürzen, Brücken und Wolkenkratzer mit stabilen Fundamenten errichtet werden und Gebäude gebaut werden, die sich nicht in Lehm und Schlamm absetzen. ⓘ

Hydrologie

Geologie und geologische Grundsätze können auf verschiedene Umweltprobleme angewandt werden, z. B. auf die Sanierung von Wasserläufen, die Sanierung von Industriebrachen und das Verständnis der Wechselwirkung zwischen dem natürlichen Lebensraum und der geologischen Umwelt. Die Grundwasserhydrologie oder Hydrogeologie dient der Lokalisierung des Grundwassers, das oft einen großen Vorrat an unbelastetem Wasser liefert und besonders in trockenen Regionen wichtig ist, sowie der Überwachung der Ausbreitung von Schadstoffen in Grundwasserbrunnen. ⓘ

Paläoklimatologie

Geologen gewinnen Daten auch durch Stratigraphie, Bohrungen, Kernproben und Eiskerne. Eis- und Sedimentkerne werden für Paläoklima-Rekonstruktionen verwendet, die Geologen Aufschluss über frühere und heutige Temperaturen, Niederschläge und Meeresspiegel auf der ganzen Welt geben. Diese Datensätze sind neben den instrumentellen Daten unsere wichtigste Informationsquelle für den globalen Klimawandel. ⓘ

Naturgefahren

Felssturz im Grand Canyon ⓘ

Geologen und Geophysiker untersuchen Naturgefahren, um sichere Bauvorschriften und Warnsysteme zu erlassen, die den Verlust von Eigentum und Leben verhindern sollen. Beispiele für wichtige Naturgefahren, die für die Geologie relevant sind (im Gegensatz zu denen, die hauptsächlich oder nur für die Meteorologie relevant sind), sind: ⓘ

Geschichte

William Smiths geologische Karte von England, Wales und Südschottland. Sie wurde 1815 fertig gestellt und war die zweite geologische Karte im nationalen Maßstab und die bei weitem genaueste ihrer Zeit. ⓘ

Das Studium der physischen Materie der Erde geht mindestens auf das antike Griechenland zurück, als Theophrastus (372-287 v. Chr.) das Werk Peri Lithon (Über Steine) schrieb. Während der römischen Epoche schrieb Plinius der Ältere ausführlich über die vielen Mineralien und Metalle, die damals in praktischer Verwendung waren, und stellte sogar den Ursprung des Bernsteins korrekt fest. Darüber hinaus machte Aristoteles im 4. Jahrhundert v. Chr. kritische Beobachtungen über das langsame Tempo der geologischen Veränderungen. Er beobachtete die Zusammensetzung des Bodens und formulierte eine Theorie, wonach sich die Erde langsam verändert und diese Veränderungen nicht während des Lebens eines Menschen beobachtet werden können. Aristoteles entwickelte eines der ersten evidenzbasierten Konzepte im Zusammenhang mit dem geologischen Bereich hinsichtlich der Geschwindigkeit, mit der sich die Erde physisch verändert. ⓘ

Abu al-Rayhan al-Biruni (973-1048 n. Chr.) war einer der frühesten persischen Geologen, zu dessen Werken die ersten Schriften über die Geologie Indiens gehören, in denen er die Hypothese aufstellte, dass der indische Subkontinent einst ein Meer war. Der persische Gelehrte Ibn Sina (Avicenna, 981-1037) stützte sich auf die griechische und indische wissenschaftliche Literatur, die durch die muslimischen Eroberungen nicht zerstört wurde, und lieferte detaillierte Erklärungen für die Entstehung von Gebirgen, den Ursprung von Erdbeben und andere Themen, die für die moderne Geologie von zentraler Bedeutung sind und eine wesentliche Grundlage für die spätere Entwicklung dieser Wissenschaft bildeten. In China formulierte der Universalgelehrte Shen Kuo (1031-1095) eine Hypothese für den Prozess der Landbildung: Aus seiner Beobachtung fossiler Tierschalen in einer geologischen Schicht in einem Gebirge, das Hunderte von Kilometern vom Meer entfernt liegt, schloss er, dass das Land durch die Erosion der Berge und die Ablagerung von Schlamm entstanden ist. ⓘ

Nicolas Steno (1638-1686) wird das Gesetz der Überlagerung, das Prinzip der ursprünglichen Horizontalität und das Prinzip der lateralen Kontinuität zugeschrieben: drei grundlegende Prinzipien der Stratigraphie. ⓘ

Das Wort Geologie wurde erstmals 1603 von Ulisse Aldrovandi verwendet, dann 1778 von Jean-André Deluc und 1779 von Horace-Bénédict de Saussure als fester Begriff eingeführt. Das Wort leitet sich aus dem griechischen γῆ, gê, für "Erde" und λόγος, logos, für "Sprache" ab. Einer anderen Quelle zufolge stammt das Wort "Geologie" jedoch von dem Norweger Mikkel Pedersøn Escholt (1600-1699), der Priester und Gelehrter war. Escholt verwendete die Definition zum ersten Mal in seinem Buch mit dem Titel Geologia Norvegica (1657). ⓘ

William Smith (1769-1839) zeichnete einige der ersten geologischen Karten und begann mit der Einordnung von Gesteinsschichten (Schichten) anhand der darin enthaltenen Fossilien. ⓘ

Im Jahr 1763 veröffentlichte Michail Lomonossow seine Abhandlung Über die Schichten der Erde. Sein Werk war die erste Darstellung der modernen Geologie, die sich auf die Einheit der Prozesse in der Zeit und die Erklärung der Erdvergangenheit aus der Gegenwart stützt. ⓘ

James Hutton (1726-1797) wird oft als der erste moderne Geologe angesehen. Im Jahr 1785 legte er der Royal Society of Edinburgh eine Abhandlung mit dem Titel Theory of the Earth vor. Darin erläuterte er seine Theorie, dass die Erde viel älter sein müsse als bisher angenommen, damit genügend Zeit für die Erosion von Gebirgen und die Bildung von Sedimenten auf dem Meeresgrund zur Verfügung stand, die ihrerseits zu trockenem Land aufstiegen. Hutton veröffentlichte 1795 eine zweibändige Fassung seiner Ideen. ⓘ

Die Anhänger Huttons wurden als Plutonisten bezeichnet, weil sie glaubten, dass einige Gesteine durch Vulkanismus, d. h. durch die Ablagerung von Lava aus Vulkanen, entstanden, im Gegensatz zu den von Abraham Werner angeführten Neptunisten, die glaubten, dass sich alle Gesteine aus einem großen Ozean abgesetzt hatten, dessen Pegel im Laufe der Zeit allmählich sank. ⓘ

Die erste geologische Karte der Vereinigten Staaten wurde 1809 von William Maclure erstellt. Im Jahr 1807 begann Maclure mit der selbst auferlegten Aufgabe, eine geologische Vermessung der Vereinigten Staaten vorzunehmen. Er durchquerte und kartierte fast alle Bundesstaaten der Union, wobei er die Allegheny Mountains etwa 50 Mal überquerte und wieder durchquerte. Die Ergebnisse seiner Arbeit wurden der American Philosophical Society in einer Denkschrift mit dem Titel Observations on the Geology of the United States explanatory of a Geological Map (Beobachtungen zur Geologie der Vereinigten Staaten mit Erläuterungen zu einer geologischen Karte) vorgelegt und in den Transactions der Gesellschaft zusammen mit der ersten geologischen Karte der Nation veröffentlicht. Diese Karte ist sechs Jahre älter als William Smiths geologische Karte von England, obwohl sie auf der Grundlage einer anderen Klassifizierung der Gesteine erstellt wurde. ⓘ

Sir Charles Lyell (1797-1875) veröffentlichte sein berühmtes Buch Principles of Geology erstmals 1830. Dieses Buch, das das Denken von Charles Darwin beeinflusste, förderte erfolgreich die Lehre des Uniformitarismus. Diese Theorie besagt, dass im Laufe der Erdgeschichte langsame geologische Prozesse stattgefunden haben und auch heute noch stattfinden. Im Gegensatz dazu vertritt der Katastrophismus die Theorie, dass die Merkmale der Erde in einzelnen, katastrophalen Ereignissen entstanden und danach unverändert geblieben sind. Obwohl Hutton an den Uniformitarismus glaubte, war diese Idee zu seiner Zeit nicht weit verbreitet. ⓘ

Ein Großteil der Geologie des 19. Jahrhunderts drehte sich um die Frage nach dem genauen Alter der Erde. Die Schätzungen reichten von einigen Hunderttausend bis zu Milliarden von Jahren. Zu Beginn des 20. Jahrhunderts konnte das Alter der Erde dank der radiometrischen Datierung auf zwei Milliarden Jahre geschätzt werden. Das Wissen um diese enorme Zeitspanne öffnete die Tür zu neuen Theorien über die Prozesse, die den Planeten geformt haben. ⓘ

Einige der bedeutendsten Fortschritte in der Geologie des 20. Jahrhunderts waren die Entwicklung der Theorie der Plattentektonik in den 1960er Jahren und die Verfeinerung der Schätzungen des Alters der Erde. Die Theorie der Plattentektonik entstand aus zwei getrennten geologischen Beobachtungen: der Ausbreitung des Meeresbodens und der Kontinentalverschiebung. Die Theorie revolutionierte die Geowissenschaften. Heute weiß man, dass die Erde etwa 4,5 Milliarden Jahre alt ist. ⓘ

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  Mikhail Lomonosov, russischer Universalgelehrter, Autor der ersten systematischen Abhandlung über wissenschaftliche Geologie (1763)

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  James Hutton, schottischer Geologe und Vater der modernen Geologie

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  John Tuzo Wilson, kanadischer Geophysiker und Begründer der Plattentektonik

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  Der Vulkanologe David A. Johnston 13 Stunden vor seinem Tod bei der
  1980 bei der Eruption des Mount St. Helens ⓘ

Bereiche oder verwandte Disziplinen

• Wissenschaft vom Erdsystem
• Wirtschaftsgeologie
  • Bergbaugeologie
  • Erdölgeologie
• Ingenieurgeologie
• Umweltgeologie
• Umweltwissenschaft
• Geoarchäologie
• Geochemie
  • Biogeochemie
  • Isotopengeochemie
• Geochronologie
• Geodäsie
• Geographie
• Geologisches Ingenieurwesen
• Geologische Modellierung
• Geometallurgie
• Geomikrobiologie
• Geomorphologie
• Geomythologie
• Geophysik
• Glaziologie
• Historische Geologie
• Hydrogeologie
• Meteorologie
• Mineralogie
• Meereskunde
  • Meeresgeologie
• Paläoklimatologie
• Paläontologie
  • Mikropaläontologie
  • Palynologie
• Petrologie
• Petrophysik
• Physische Geographie
• Planetarische Geologie
• Plattentektonik
• Regionale Geologie
• Sedimentologie
• Seismologie
• Bodenkunde
  • Pedologie (Bodenkunde)
• Höhlenforschung
• Stratigraphie
  • Biostratigraphie
  • Chronostratigraphie
  • Lithostratigraphie
• Strukturelle Geologie
• Systemgeologie
• Tektonik
• Vulkanologie ⓘ

Exogene Dynamik

Die exogene Dynamik (auch exogene Prozesse) wird durch auf die Erdoberfläche einwirkende Kräfte wie Schwerkraft, Sonneneinstrahlung und Rotation der Erde generiert und führt zur Bildung von Sedimentgesteinen. Dies geschieht durch

• physikalische Erosion anderer Gesteine durch Wind, Wasser oder Eis, und Massenbewegungen großer Gesteinsmengen, wie Bergstürze,
• chemische Verwitterung,
• physikalische Ablagerung des zerkleinerten Materials (Detritus) in Form klastischer Sedimente (Schotter, Sand, Ton usw.) und die nachfolgende Verfestigung der Lockergesteine zu Festgesteinen (Diagenese)
• chemische Ausfällung von Evaporiten (wie etwa anorganische Kalke, Gips, Salz) und
• biogene Bildung von Sedimenten (wie die meisten Kalksteine oder Diatomit).

Ein eigenes, komplexes Gebiet exogener Prozesse behandelt die Bodenkunde. Die Quartärgeologie befasst sich mit den Vorgängen und Ablagerungen der letzten Eiszeiten im Quartär, die einen großen Teil der heutigen Landschaftsformen auf der nördlichen Hemisphäre prägen. ⓘ

Historische Geologie

Die historische Geologie erforscht die Geschichte der Erde von ihrer Entstehung bis zur Gegenwart im Allgemeinen, und die Entwicklungsgeschichte (Evolution) der Lebewesen im Besonderen. Mit diesem historischen Ansatz stellt die Geologie (zusammen mit der physikalisch-astronomischen Kosmologie) eine Ausnahme innerhalb der Naturwissenschaften dar. Letztere befassen sich vorrangig mit dem Ist-Zustand ihres Studienobjekts und weniger mit dessen Werden. Als Informationsquellen dienen in der Geologie die Ausbildung der Gesteine (Lithofazies) und die in ihnen eingeschlossenen Fossilien (Biofazies). Die Gliederung der Erdgeschichte in einer geologischen Zeitskala erfolgt durch stratigraphische und geochronologische Methoden. ⓘ