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Lernziele

• Erläutern Sie die Steno’schen Gesetze der Überlagerung und der ursprünglichen Horizontalität.
• Bestimmen Sie anhand eines geologischen Querschnitts die ältesten und jüngsten Formationen.
• Erläutern Sie, was eine Diskordanz darstellt.
• Wissen Sie, wie man Fossilien verwendet, um Gesteinsschichten zu korrelieren.

Vokabular

• Biozone
• Quer-Schnittbeziehungen
• geologische Zeitskala
• Schlüsselbett
• laterale Kontinuität
• Mikrofossil
• originale Horizontalität
• relatives Alter
• Überlagerung
• Unkonformität
• Uniformitarismus

Einleitung

Etwas, das Sie hoffentlich aus diesen Lektionen und aus Ihrer eigenen Lebenserfahrung gelernt haben, ist, dass sich die Naturgesetze niemals ändern. Sie sind heute noch dieselben wie vor Milliarden von Jahren. Wasser gefriert bei 0° C bei einem Druck von 1 Atmosphäre; das ist immer so.

Das Wissen, dass sich die Naturgesetze nie ändern, hilft Wissenschaftlern, die Vergangenheit der Erde zu verstehen, weil es ihnen erlaubt, Hinweise darauf zu interpretieren, wie die Dinge vor langer Zeit passiert sind. Geologen nutzen immer heutige Prozesse, um die Vergangenheit zu interpretieren. Wenn Sie ein Fossil eines Fisches in einer trockenen, terrestrischen Umgebung finden, ist der Fisch dann an Land herumgeflattert? Hat sich das Gestein im Wasser gebildet und dann bewegt? Da Fische heute nicht an Land herumflattern, ist die Erklärung, die der Philosophie folgt, dass sich Naturgesetze nicht ändern, dass sich das Gestein bewegt hat.

Fossilien waren lebende Organismen

Im Jahr 1666 sezierte ein junger Arzt namens Nicholas Steno den Kopf eines riesigen Weißen Hais, der von Fischern in der Nähe von Florenz, Italien, gefangen worden war. Steno war beeindruckt von der Ähnlichkeit der Zähne des Hais mit Fossilien, die in den Bergen und Hügeln des Landes gefunden wurden (Abbildung unten).

Die meisten Menschen glaubten damals nicht daran, dass Fossilien einst Teil von Lebewesen waren. Die Autoren dieser Zeit dachten, dass die Fossilien von Meerestieren, die in hohen Bergen, meilenweit von jedem Ozean entfernt, gefunden wurden, auf eine von zwei Arten erklärt werden könnten:

• Die Muscheln wurden während der biblischen Flut angeschwemmt. (Diese Erklärung konnte die Tatsache nicht erklären, dass Fossilien nicht nur auf Bergen, sondern auch innerhalb von Bergen gefunden wurden, in Gesteinen, die tief unter der Erdoberfläche abgebaut worden waren.)
• Die Fossilien bildeten sich innerhalb der Gesteine als Ergebnis mysteriöser Kräfte.

Aber für Steno war die große Ähnlichkeit zwischen Fossilien und modernen Organismen nicht zu übersehen. Anstatt übernatürliche Kräfte zu beschwören, schloss Steno, dass Fossilien einst Teile von Lebewesen waren. Er versuchte dann zu erklären, wie fossile Muscheln in Felsen und Bergen weit entfernt von jedem Ozean gefunden werden konnten. Dies führte ihn zu den Ideen, die im Folgenden diskutiert werden.

Überlagerung von Gesteinsschichten

Steno schlug vor, dass, wenn ein Gestein die Fossilien von Meerestieren enthielt, das Gestein aus Sedimenten entstand, die auf dem Meeresboden abgelagert wurden. Diese Gesteine wurden dann angehoben und wurden zu Bergen. Basierend auf diesen Annahmen stellte Steno eine bemerkenswerte Reihe von Vermutungen auf, die heute als Steno’s Laws bekannt sind. Diese Gesetze sind in der folgenden Abbildung dargestellt.

Auch andere Wissenschaftler beobachteten Gesteinsschichten und formulierten andere Prinzipien. Der Geologe William Smith (1769-1839) identifizierte das Prinzip der faunistischen Sukzession, das besagt, dass:

• Einige Fossilarten werden nie zusammen mit bestimmten anderen Fossilarten gefunden (z.B. menschliche Vorfahren werden nie zusammen mit Dinosauriern gefunden), was bedeutet, dass Fossilien in einer Gesteinsschicht das repräsentieren, was in der Zeit lebte, in der das Gestein abgelagert wurde.
• Ältere Merkmale werden bei fossilen Organismen durch modernere Merkmale ersetzt, wenn sich die Arten im Laufe der Zeit verändern; z. B. gehen gefiederte Dinosaurier den Vögeln im Fossilbericht voraus.
• Fossile Arten mit Merkmalen, die sich deutlich und schnell verändern, können verwendet werden, um das Alter von Gesteinsschichten ziemlich genau zu bestimmen.

Der schottische Geologe James Hutton (1726-1797) erkannte das Prinzip der Querschnittsbeziehungen. Dieses hilft Geologen, das Ältere und Jüngere zweier Gesteinseinheiten zu bestimmen (Abbildung unten).

Der Grand Canyon bietet eine hervorragende Illustration der obigen Prinzipien. Die vielen horizontalen Schichten von Sedimentgestein veranschaulichen das Prinzip der ursprünglichen Horizontalität (Abbildung unten).

• Die jüngsten Gesteinsschichten liegen oben und die ältesten unten, was durch das Gesetz der Überlagerung beschrieben wird.
• Die markanten Gesteinsschichten, wie der Coconino Sandstein, sind über die weite Fläche des Canyons aufeinander abgestimmt. Diese Gesteinsschichten waren einst miteinander verbunden, wie das Gesetz der lateralen Kontinuität besagt.
• Der Colorado River durchschneidet alle Gesteinsschichten, um den Canyon zu bilden. Nach dem Prinzip der Querschnittsbeziehungen muss der Fluss jünger sein als alle Gesteinsschichten, die er durchschneidet.

Bestimmen des relativen Alters von Gesteinen

Das Prinzip von Steno und Smith ist für die Bestimmung des relativen Alters von Gesteinen und Gesteinsschichten unerlässlich. Bei der relativen Datierung bestimmen die Wissenschaftler nicht das genaue Alter eines Fossils oder Gesteins, sondern betrachten eine Folge von Gesteinen und versuchen, die Zeiten zu entschlüsseln, in denen ein Ereignis im Verhältnis zu den anderen in dieser Folge dargestellten Ereignissen stattgefunden hat. Das relative Alter eines Gesteins ist dann sein Alter im Vergleich zu anderen Gesteinen. Wenn Sie das relative Alter von zwei Gesteinsschichten kennen, (1) Wissen Sie, welche älter und welche jünger ist? (2) Wissen Sie, wie alt die Schichten in Jahren sind?

Eine interaktive Website zum Thema Relativalter und geologische Zeit findet sich hier: http://www.ucmp.berkeley.edu/education/explorations/tours/geotime/gtpage1.html

In manchen Fällen ist es sehr knifflig, die Abfolge der Ereignisse zu bestimmen, die zu einer bestimmten Formation führen. Können Sie herausfinden, was in welcher Reihenfolge in (Abbildung unten) passiert ist? Schreiben Sie es auf und überprüfen Sie dann die folgenden Absätze.

Das Prinzip der Querschnittsbeziehungen besagt, dass eine Verwerfung oder Intrusion jünger ist als das Gestein, das sie durchschneidet. Die Verwerfung durchschneidet alle drei Sedimentgesteinsschichten (A, B und C) und auch die Intrusion (D). Die Verwerfung muss also das jüngste Merkmal sein. Die Intrusion (D) durchschneidet die drei Sedimentgesteinsschichten, also muss sie jünger sein als diese Schichten. Nach dem Gesetz der Superposition ist C das älteste Sedimentgestein, B ist jünger und A ist noch jünger.

Die vollständige Abfolge der Ereignisse ist:

1. Schicht C bildete sich.

2. Schicht B bildete sich.

3. Schicht A bildete sich.

4. Nachdem die Schichten A-B-C vorhanden waren, schnitt Intrusion D durch alle drei.

5. Es bildete sich eine Verwerfung E, die die Gesteinsschichten A bis C und die Intrusion D verschob.

6. Durch Verwitterung und Erosion bildete sich eine Erdschicht über der Schicht A.

Alter der Erde

Zu Stenos Zeit glaubten die meisten Europäer, dass die Erde etwa 6.000 Jahre alt sei, eine Zahl, die auf der geschätzten Zeitspanne der in der Bibel beschriebenen Ereignisse basierte. Einer der ersten Wissenschaftler, der diese Annahme in Frage stellte und die geologische Zeit verstand, war James Hutton. Hutton reiste in den späten 1700er Jahren durch Großbritannien und studierte Sedimentgesteine und deren Fossilien (Abbildung unten).

Häufig als Begründer der modernen Geologie bezeichnet, formulierte Hutton den Uniformitarismus: Die Gegenwart ist der Schlüssel zur Vergangenheit. Dem Uniformitarismus zufolge liefen die gleichen Prozesse, die heute auf der Erde ablaufen, auch in der Vergangenheit ab. Warum ist die Akzeptanz dieses Prinzips unabdingbar, um die Erdgeschichte entschlüsseln zu können?

Hutton stellte das Alter der Erde in Frage, als er Gesteinsabfolgen wie die unten abgebildete betrachtete. Auf seinen Reisen entdeckte er Stellen, an denen sedimentäre Gesteinsschichten auf einer erodierten Oberfläche liegen. An dieser Lücke in den Gesteinsschichten, auch Diskordanz genannt, wurden einige Gesteine weggetragen. Betrachten Sie zum Beispiel die berühmte Diskordanz bei Siccar Point an der Küste von Schottland (Abbildung unten).

1. Eine Reihe von Sedimentschichten wurde auf einem Meeresboden abgelagert.

2. Die Sedimente verfestigten sich zu Sedimentgestein.

3. Die Sedimentgesteine wurden angehoben und gekippt, wodurch sie über dem Meeresspiegel freigelegt wurden.

4. Die gekippten Schichten wurden erodiert und bildeten eine unregelmäßige Oberfläche.

5. Ein Meer bedeckte die erodierten Sedimentgesteinsschichten.

6. Neue Sedimentschichten wurden abgelagert.

7. Die neuen Schichten verfestigten sich zu Sedimentgestein.

8. Die gesamte Gesteinsfolge wurde gekippt.

9. Es kam zu einer Hebung, die die neuen Sedimentgesteine über der Meeresoberfläche freilegte.

Da er davon ausging, dass die gleichen Prozesse, die heute auf der Erde ablaufen, auch in der Vergangenheit abliefen, musste er all diese Ereignisse und die unbekannte fehlende Zeit, die die Diskordanz darstellt, berücksichtigen. Er kam zu dem Schluss, dass das Alter der Erde nicht in Tausenden von Jahren, sondern in Millionen von Jahren gemessen werden sollte.

Gesteinsschichten zuordnen

Überlagerung und Querschnitt sind hilfreich, wenn sich Gesteine berühren, und die seitliche Kontinuität hilft dabei, nahe beieinander liegende Gesteinsschichten zuzuordnen, aber wie ordnen Geologen Gesteinsschichten zu, die durch größere Entfernungen getrennt sind? Es gibt drei Arten von Hinweisen:

1. Markante Gesteinsformationen können über große Regionen hinweg erkennbar sein (Abbildung unten).

2. Zwei getrennte Gesteinseinheiten mit demselben Indexfossil sind von sehr ähnlichem Alter. Welche Merkmale sollte ein Indexfossil Ihrer Meinung nach haben? Um ein Indexfossil zu werden, muss der Organismus (1) weit verbreitet gewesen sein, so dass er für die Identifizierung von Gesteinsschichten über große Gebiete nützlich ist, und (2) für einen relativ kurzen Zeitraum existiert haben, so dass das ungefähre Alter der Gesteinsschicht sofort bekannt ist.

Viele Fossilien können sich als Indexfossilien qualifizieren (Abbildung unten). Ammoniten, Trilobiten und Graptolithen werden oft als Indexfossilien verwendet.

Mikrofossilien, also Fossilien von mikroskopisch kleinen Organismen, sind ebenfalls nützliche Indexfossilien. Fossilien von Tieren, die in den oberen Schichten des Ozeans drifteten, sind als Leitfossilien besonders nützlich, da sie über sehr große Gebiete verteilt sein können.

Eine biostratigraphische Einheit oder Biozone ist eine geologische Gesteinsschicht, die durch ein einzelnes Leitfossil oder eine Fossilgruppe definiert ist. Eine Biozone kann auch verwendet werden, um Gesteinsschichten über Entfernungen hinweg zu identifizieren.

3. Ein Schlüsselbett kann wie ein Indexfossil verwendet werden, da ein Schlüsselbett eine markante Gesteinsschicht ist, die über ein großes Gebiet hinweg erkannt werden kann. Eine vulkanische Ascheeinheit könnte ein gutes Schlüsselbett sein. Ein berühmtes Schlüsselbett ist die Tonschicht an der Grenze zwischen der Kreidezeit und dem Tertiär, der Zeit, in der die Dinosaurier ausstarben (Abbildung unten). Diese dünne Tonschicht enthält eine hohe Konzentration von Iridium, einem Element, das auf der Erde selten ist, aber in Asteroiden häufig vorkommt. Im Jahr 1980 schlug das Vater-Sohn-Team von Luis und Walter Alvarez vor, dass ein riesiger Asteroid vor 66 Millionen Jahren auf der Erde einschlug und das Massenaussterben verursachte.

Die geologische Zeitskala

Um die Erdgeschichte diskutieren zu können, brauchten die Wissenschaftler eine Möglichkeit, sich auf die Zeiträume zu beziehen, in denen Ereignisse stattfanden und Organismen lebten. Mit den Informationen, die sie aus Fossilienfunden sammelten, und unter Anwendung der Stenoschen Prinzipien erstellten sie eine Auflistung der Gesteinsschichten von den ältesten bis zu den jüngsten. Dann teilten sie die Erdgeschichte in Zeitblöcke ein, wobei jeder Block durch wichtige Ereignisse getrennt wurde, wie z. B. das Verschwinden einer Fossilart aus dem Gestein. Da viele der Wissenschaftler, die den Zeiten der Erdgeschichte erstmals Namen gaben, aus Europa stammten, benannten sie die Zeitblöcke nach Städten oder anderen lokalen Orten, in denen die Gesteinsschichten, die diese Zeit repräsentieren, gefunden wurden.

Aus diesen Zeitblöcken schufen die Wissenschaftler die geologische Zeitskala (Abbildung unten). In der geologischen Zeitskala stehen die jüngsten Zeitalter oben und die ältesten unten. Warum denken Sie, dass die jüngeren Zeitabschnitte feiner unterteilt sind? Denken Sie, dass die Unterteilungen in der Abbildung unten proportional zu der Zeitspanne sind, die jede Zeitperiode in der Erdgeschichte darstellt?

In welchem Äon, Ära, Zeitraum und Epoche leben wir heute? Wir leben im Holozän (manchmal auch rezent genannt), im Quartär, im Känozoikum und im Phanerozoikum.

Zusammenfassung der Lektion

• Nicholas Steno formulierte im 17. Jahrhundert die Prinzipien, die es Wissenschaftlern erlauben, das relative Alter von Gesteinen zu bestimmen. Steno stellte fest, dass Sedimentgesteine in kontinuierlichen, horizontalen Schichten gebildet werden, wobei jüngere Schichten auf älteren Schichten liegen.
• William Smith und James Hutton entdeckten später die Prinzipien der Querschnittsbeziehungen und der faunistischen Sukzession.
• Hutton erkannte auch die riesigen Zeitspannen, die für die Entstehung einer Diskordanz nötig wären, und schloss daraus, dass die Erde viel älter ist, als die Menschen zu dieser Zeit dachten.
• Die Leitphilosophie von Hutton und den Geologen, die nach ihm kamen, lautet: Die Gegenwart ist der Schlüssel zur Vergangenheit.
• Um Gesteinsschichten zu korrelieren, die durch eine große Entfernung getrennt sind, suchen Sie nach Sedimentgesteinsformationen, die umfangreich und erkennbar sind, nach Leitfossilien und Schlüsselbetten.
• Veränderungen von Fossilien im Laufe der Zeit führten zur Entwicklung der geologischen Zeitskala, die die relative Reihenfolge der Ereignisse auf der Erde veranschaulicht.

Wiederholungsfragen

1. Ein Bauer aus dem 15. Jahrhundert findet einen Stein, der genau wie eine Muschelschale aussieht. Was schloss er wahrscheinlich daraus, wie das Fossil dorthin kam?
2. Welches von Stenos Gesetzen wird durch jedes der Bilder in der folgenden Abbildung veranschaulicht?
   
3. Welche Reihenfolge haben die Gesteinseinheiten in der folgenden Abbildung, vom ältesten zum jüngsten?
   
4. Welche Art von geologischer Formation ist in dem Aufschluss in der Abbildung unten dargestellt, und welche Abfolge von Ereignissen repräsentiert sie?
   
5. Die drei Aufschlüsse in der Abbildung unten liegen sehr weit auseinander. Basierend auf dem, was Sie sehen, welches Fossil ist ein Indexfossil und warum?
   
6. Warum enthielt die frühe geologische Zeitskala nicht die Anzahl der Jahre, vor denen die Ereignisse stattfanden?
7. Die Dinosaurier starben vor etwa 66 Millionen Jahren aus. In welcher geologischen Zeitspanne lebten die Dinosaurier zuletzt?
8. Angenommen, Sie wandern in den Bergen von Utah und finden ein Fossil eines Tieres, das auf dem Meeresboden lebte. Du erfährst, dass das Fossil aus der Mississippi-Zeit stammt. Wie war die Umwelt während des Mississippiums in Utah?
9. Warum sind Sedimentgesteine nützlicher als metamorphe oder magmatische Gesteine, um das relative Alter von Gesteinen zu bestimmen?
10. Was wird wahrscheinlich häufiger in Gesteinen gefunden: Fossilien von sehr alten Meereslebewesen oder sehr alten Landlebewesen?

Weitere Lektüre / ergänzende Links

• Ein Papier des US Geological Survey über Gesteine, Fossilien und Zeit: http://pubs.usgs.gov/gip/fossils/contents.html
• Versuchen Sie, die geheimnisvollen Fossilien auf diesen Bildern zu erraten und sehen Sie, ob Sie richtig liegen. Es gibt noch mehr in den Archiven: http://www.ucmp.berkeley.edu/exhibits/mysteryfossil/mysteryfossil.php
• Ein interaktives „Virtuelles Museum der Fossilien“ http://fossils.valdosta.edu/.
• Der Fossilienbestand in Nordamerika http://www.paleoportal.org/.
• Einen Auszug aus dem Buch „The Seashell on the Mountaintop“ finden Sie hier http://alan-cutler.com/excerpt.html
• Die Altersbestimmung von Gesteinen und Fossilien: http://www.ucmp.berkeley.edu/fosrec/McKinney.html

Punkte zum Nachdenken

• Wie machten vorgefasste Meinungen zu Stenos Zeit die Menschen blind für die Realität dessen, was Fossilien darstellen?
• Wie erklärte Steno das Vorhandensein von Meeresfossilien im Hochgebirge?
• Warum war Huttons Erkennung von Diskordanzen so bedeutsam?
• Kann man das relative Alter von zwei Gesteinsschichten bestimmen, die sehr weit voneinander entfernt sind?
• Können dieselben Prinzipien, die zur Erforschung der Erdgeschichte verwendet werden, auch zur Erforschung der Geschichte anderer Planeten verwendet werden?