Wie tief geht der Kölner Dom?

Steter Tropfen höhlt den Stein

Tiefe Schluchten im Gebirge, weite Sandstrände am Meer und breite Flüsse, die sich durch Wiesen und Felder schlängeln – all das sind Landschaften, die wir gut kennen. Weil sie so abwechslungsreich sind, finden wir sie eindrucksvoll und schön.

Bildhauer all dieser Landschaften ist der Kreislauf des Wassers. So stark wie keine andere Kraft formt Wasser über kurz oder lang die Erdoberfläche. Es spült nach einem Regenguss Erdreich fort. Es gräbt sich in den Untergrund ein und löst Teile des Gesteins. Erde und verwitterten Gesteinsschutt trägt es mit sich ins Tal hinunter. Dort, wo das Wasser langsamer abfließt, lässt es seine Last aus Schlick, Sand und Geröll wieder los. Bei Hochwasser überflutet es die flachen Gebiete eines Tals, die Fluss-Auen. Auch hier lagert es feinen Schlamm ab. Fließt das Wasser schließlich ins Meer, bearbeitet es die Küsten und formt ganz unterschiedliche Landschaften, zum Beispiel Steilküsten oder lange Sandstrände.

Auch in Form von Eis gestaltet Wasser die Landschaft. Gefriert Wasser in Gesteinsritzen, sprengt es den Stein. Als Gletscher hobelt es kerbförmige Flusstäler zu runden Trogtälern aus. Und auch die Moränenlandschaft im Voralpenland mit ihren Geröllhügeln und Felsbrocken ist das Ergebnis von Gletschern, die vor langer Zeit den Untergrund formten.

Erosion durch Wind – Von Wanderdünen und Pilzfelsen

Überall dort, wo Wind über sandigen trockenen Untergrund fegt, schleppt er feine Körnchen mit und lässt sie später wieder fallen. Auf diese Weise türmen sich Sandhügel auf – die Dünen. Solche Sanddünen gibt es vor allem in Trockenwüsten wie der Sahara, der Wüste Gobi oder der Namib-Wüste. Ihre Dünen können über 200 Meter hoch werden und viele Kilometer lang.

Um eine Düne zu sehen, muss man aber gar nicht in die Wüste fahren: Dünen gibt es auch an den Küsten, in Deutschland zum Beispiel an der Nord- oder Ostseeküste. Der Sand, der durch den Wind vom Strand weggeblasen wird, häuft sich landeinwärts zu Dünen. Wer an den Strand will, muss sich daher oft einen Weg durch oder über die Dünen suchen.

Manche Dünen bewegen sich kaum vom Fleck, zum Beispiel wenn sie von Strandhafer bewachsen sind. Andere dagegen rollen ähnlich den Wellen des Meeres in Windrichtung vorwärts, die Wanderdünen. Eine besonders wanderlustige Düne ist die „Rubjerg Knude“ an der Küste Dänemarks. Diese knapp 100 Meter hohe Düne bewegt sich in Richtung Nordost und hat auf ihrer Reise sogar schon einen Leuchtturm überrollt.

Dünen haben unterschiedliche Formen. Manche sind geschwungen wie Halbmonde oder Sicheln – die Sicheldünen. Andere bilden quer zur Windrichtung einen Wall, die Querdünen. Beide steigen auf der Windseite leicht an. Auf der vom Wind abgewandten Seite fallen sie steil nach unten. Und manche Dünen stimmen sogar ihr eigenes Lied an: Wenn sich Sandlawinen aus der Düne lösen und die Sandkörner dabei aufeinander prallen, geben sie brummende oder summende Geräusche von sich: Die Düne „singt“!

Wind und Sand formen aber nicht nur Dünen. Fliegende Sandkörner können Felsen in der Landschaft wie Schmirgelpapier abschleifen. Selbst hartes Gestein kann durch diesen Windschliff eine neue Form bekommen: Aufragende Felsen werden an ihrem Fuß mit der Zeit abgeschabt und ausgehöhlt. Schließlich ragen sie wie Pilze in die Höhe – ein Pilzfelsen ist entstanden.

Vom Fels zum Sandkorn – Verwitterung

Der Norden von Kanada ist heute eine sanft gewellte Landschaft. Vor vielen Millionen Jahren stand hier jedoch ein Gebirge. Tatsächlich können sich im Lauf sehr langer Zeit selbst hohe Berge in kleine Hügel verwandeln.

Der Grund für diese Verwandlung: Das Gestein an der Erdoberfläche ist ständig Wind und Wetter ausgesetzt. Dringt zum Beispiel Wasser in Gesteinsritzen ein und gefriert, sprengt es den Stein auseinander. Diesen Vorgang nennt man Frostsprengung. Auch durch Temperaturwechsel zwischen Tag und Nacht und durch die Kraft von Wasser und Wind wird das Gestein mürbe. Mit anderen Worten: Es verwittert. Dieser Vorgang lässt sich auch an Gebäuden oder an Steinfiguren beobachten. Bei der Verwitterung zerfällt das Gestein in immer kleinere Bestandteile bis hin zu feinen Sand- und Staubkörnern. Verschiedene Gesteine verwittern unterschiedlich schnell: Granit ist zum Beispiel viel beständiger als der vergleichsweise lose Sandstein.

Manche Gesteinsarten lösen sich sogar vollständig auf, wenn sie mit Wasser in Berührung kommen, zum Beispiel Steinsalz und Kalk. Steinsalz ist chemisch das Gleiche wie Kochsalz – und das löst sich ja bereits in gewöhnlichem Wasser auf. Kalk ist etwas beständiger, aber in säurehaltigem Wasser löst sich auch Kalkgestein auf. Säure entsteht zum Beispiel, wenn Regenwasser in der Luft mit dem Gas Kohlendioxid reagiert. Dieser „saure Regen“ greift das Kalkgestein an und löst es im Laufe der Zeit auf. An der Erdoberfläche hinterlässt die Verwitterung zerklüftete Kalkstein-Landschaften, unter der Erde entstehen Höhlen.

Doch nicht nur Lösungsverwitterung, auch Hitze und Druck zermürben und zerbröseln Gestein unter der Erdoberfläche. Wo Pflanzen wachsen, da graben sich Wurzeln ein, sprengen das Gestein stückchenweise auseinander und sorgen ebenfalls dafür, dass es Millimeter für Millimeter abgetragen wird.

Die Verwitterung bearbeitet auf diese Weise nicht nur einzelne Felsen, sie nagt an ganzen Gebirgsketten. Bis der Schwarzwald so flach ist wie der Norden Kanadas dauert es aber noch ein paar Millionen Jahre.

Was bewirkt Erosion?

Wenn Gestein verwittert, bleibt es selten an seinem ursprünglichen Ort liegen. Oft rollt Gesteinsschutt den Hang herunter, wird vom Wasser weggespült oder von Eismassen fortgeschoben. Feinen Gesteinsstaub oder Sand kann auch der Wind mit sich tragen. Egal ob das Gestein von Wasser, Eis, Wind oder der Schwerkraft abtransportiert wird, all diese Vorgänge heißen Abtragung oder „Erosion“.

Besonders einschneidend ist die Abtragung durch Fließgewässer. Bäche und Flüsse graben ein Bett in den Boden, Gestein rutscht nach, es bildet sich ein Tal. Wälzt sich ein Gletscher talabwärts, hobelt er dieses Tal durch mitgeschlepptes Geröll breiter aus. An solchen Trogtälern erkennt man, noch lange nach Abschmelzen des Eises, dass sich hier ein Gletscher befand. Die Brandung des Meeres greift dagegen die Küste an. Steile Klippen werden unterhöhlt und brechen ein, Sandstrände spült der Wellengang fort. In Wüsten fegt der Wind großflächig Sand davon. Je heftiger er bläst, desto mehr Sand kann er mitnehmen. Hindernisse aus festem Gestein schleift ein Sandsturm wie ein Sandstrahlgebläse allmählich immer weiter ab.

Wenn Regen und Wind auf größeren Flächen die Bodendecke wegspülen oder -wehen, ist von Bodenerosion die Rede. Auch bei Erdrutschen an Hängen spricht man von Bodenerosion. Das Problem: Dabei verschwindet die fruchtbare obere Schicht des Bodens. Im schlimmsten Fall ist er für die Landwirtschaft nicht mehr zu gebrauchen.

Ist der Boden von Pflanzen bewachsen, bremst das die Erosion. Die Wurzeln der Pflanzen halten das Erdreich fest und verhindern, dass Wind und Wasser es wegtragen. Wenn die Pflanzendecke, zum Beispiel durch Abholzung, zerstört wird, fehlt dem Boden jedoch dieser Halt und er wird abgetragen.

Sedimentgesteine

Manche Felsen sehen aus, als wären sie gestreift. In den Dolomiten zum Beispiel sind solche quer verlaufenden Bänder oft deutlich zu sehen. Auch Sandstein- oder Kalksteinbrüche haben manchmal ähnlich hübsche Muster.

Erzeugt wird das „Streifendesign“ schon bei der Bildung des Gesteins. Ausgangsmaterial ist Verwitterungsschutt, der von Wasser oder vom Wind davongetragen wird. Flüsse, Gletscher und Staubstürme verlieren irgendwann an Kraft: Flussläufe werden zur Mündung hin immer langsamer und strömen schließlich ins Meer oder einen See. Gletscher dringen in wärmere Regionen vor und schmelzen ab. Auch Staubstürme lassen irgendwann nach. Dann können sie Staub, Sand und Geröll nicht mehr weiter befördern. Das mitgeschleppte zermahlene Gestein setzt sich ab. Mit der Zeit bildet das abgelagerte Material eine immer höhere Schicht – das Sediment. Besonders auf dem Meeresboden und auf dem Grund von Seen, wo Flüsse viel Material anschwemmen, sammeln sich solche Sedimente, darunter auch Reste von toten Tieren oder Kalkschalen.

Nach und nach schichten sich verschiedene Sedimente übereinander. Eine Schicht kann zum Beispiel aus Sandstein bestehen: Zu Trockenzeiten hat hier der Wind Wüstensand angeweht. Steigt der Meeresspiegel wieder an, wird diese Schicht von Wasser bedeckt: Kalkschalen von Meerestieren sinken auf den Meeresgrund und lagern über dem Sand eine weitere Schicht an. Über Jahrmillionen veränderte sich das Klima immer wieder und sorgte dafür, dass der Meeresspiegel schwankte. Dadurch konnten sich verschiedene Schichten ablagern.

Im Laufe der Zeit wird die Sedimentdecke immer dicker. Unter der Last des eigenen Gewichts werden die anfangs lockeren Sedimente immer stärker zusammengepresst, kleine Hohlräume verschwinden, die Masse verdichtet sich. Weitere Schichten lagern sich darüber, das Sediment wird immer fester und schließlich unter Druck zu Sedimentgestein. Dieser Vorgang heißt in der Geologie auch Diagenese. Werden dabei zum Beispiel Schalen winziger Meerestiere zu Stein gepresst, entsteht Kalkstein. Feine Sandkörner aus Quarz verkitten sich unter dem hohen Druck zu Sandstein.

Neben Geröll setzten sich auch tote Tiere ab, zum Beispiel Fische auf dem Meeresgrund. Luftdicht abgeschlossen blieben ihre Knochen und Schuppen erhalten und versteinerten. Solche Fossilien haben sich im Stein verewigt. Sie verraten noch nach Jahrmillionen vieles über die Zeit, in der sich das Sediment gebildet hat. Daher können Geologen in den Gesteinsschichten lesen wie in einem Geschichtsbuch.

Normalerweise ist für uns nur die oberste Schicht sichtbar. Wenn sich jedoch ein Fluss durch das Sedimentgestein gräbt, es bei der Gebirgsbildung angehoben oder in einem Steinbruch frei gesprengt wird, erhalten wir einen Blick auf den Querschnitt. Die einzelnen Sedimentschichten sind dann als „Streifen“ oder Bänder im Gestein gut zu erkennen.

Magmatische Gesteine

Auf Granit zu beißen, das bedeutet, dass etwas aussichtslos ist. Wegen seiner großen Härte ist Granit aber nicht nur als Redensart zu gebrauchen, sondern auch als Pflasterstein oder zum Mauerbau. Granit ist ein Gestein, das über zwei Kilometer unter der Erdoberfläche liegt und in der Erdkruste häufig vorkommt.

Granit entsteht, wenn glutflüssiges Magma beim Abkühlen erstarrt. Auch der dunkel gefleckte Gabbro oder der Monzonit bilden sich aus langsam abkühlendem Magma. Wenn sich dieser Vorgang tief im Inneren der Erde abspielt, sprechen Geologen von Tiefengestein, auch Plutonit genannt.

Dringt der heiße Gesteinsbrei dagegen bei einem Vulkanausbruch nach außen und ergießt sich über die Erdoberfläche, ist von Ergussgestein oder Vulkanit die Rede. Zu den Vulkaniten gehören der leichte Bimsstein, der poröse Tuff oder der Rhyolit, der aus dem gleichen Material wie Granit gebildet wurde, aber eine andere Struktur hat und weniger hart ist, weil er an der Erdoberfläche schneller abkühlt als der Granit in der Tiefe. Auch der Basalt ist ein Vulkanit. Manchmal erstarrt er zu sechseckigen, eng aneinander liegenden Säulen, die aussehen, als wären sie in Form gegossen. Basalt bildet sich an der Erdoberfläche aus der gleichen Masse wie der Gabbro in der Tiefe.

Vulkanite verwittern sofort nach ihrer Bildung, Plutonite erst dann, wenn die darüberliegenden Gesteinsschichten abgetragen sind. Weil sowohl Vulkanite als auch Plutonite aus abgekühltem Magma zu Gestein wurden, zählen beide zu den magmatischen Gesteinen.

Metamorphe Gesteine

Es geschieht im Inneren der Erde: Starker Druck und hohe Temperaturen sorgen dafür, dass die Bestandteile des Gesteins, die Minerale, miteinander reagieren und sich verwandeln. Auf diese Weise bildet sich neues Gestein. Weil das griechische Wort für Verwandlung „Metamorphose“ lautet, sprechen Geologen auch von metamorphen Gesteinen.

Ein entsprechend hoher Druck kommt zustande, wenn zwei Erdplatten aufeinander prallen und eine Platte unter die andere taucht. Das Gestein wird dann, wie in einer gewaltigen Presse, zusammengequetscht. Häufiges Ergebnis einer solchen Gesteinsmetamorphose ist der Blauschiefer. Sein Ausgangsgestein ist Basalt oder ein Gestein mit ähnlicher Zusammensetzung wie Basalt.

Auch große Hitze hat zur Folge, dass Gestein sich verwandelt. So wird es etwa in der Nähe eines Magmaherdes wie in einem Ofen gebacken. Marmor zum Beispiel ist nichts anderes als Kalkstein, der im Erdinneren sehr stark erhitzt wurde; bei diesem Prozess bilden sich neue Minerale, das Gestein wird härter. Auch Sandstein verwandelt sich bei hohen Temperaturen, denn seine Quarzkörnchen verkleben dann miteinander: Aus dem ursprünglichen Sedimentgestein wird der härtere Quarzit.

Im Unterschied zum völligen Aufschmelzen durch Vulkanismus bleibt das Gestein bei der Metamorphose fest. Steigt allerdings die Temperatur weiter an, wird das Gestein irgendwann zu flüssigem Magma. Kühlt diese Masse ab, wird daraus wiederum magmatisches Gestein. Der Kreislauf des Gesteins ist in vollem Gange.

Kreislauf der Gesteine

Kein Gestein der Erde ist für die Ewigkeit gemacht. Es verwittert an der Oberfläche, wird abtransportiert und erneut abgelagert. Beim Zusammenstoß zweier Platten werden Sedimentschichten zusammengestaucht und zu Hochgebirgen aufgefaltet. Das Gestein abtauchender Platten schmilzt im Erdinneren und bildet die Quelle von Vulkanen. Lava, die ein Vulkankrater ausspuckt, kühlt wiederum ab und erstarrt wieder zu Gestein.

Es ist ein ewiger Kreislauf, der dafür sorgt, dass selbst das härteste Gestein sich immer wieder verwandelt und neues daraus entsteht. Die Verwandlung geschieht natürlich nicht von heute auf morgen, sondern über Jahrmillionen. „Mitspieler“ dieses Kreislaufs sind drei Gruppen von Gestein, die jeweils unter anderen Bedingungen entstehen:

Wenn Magma abkühlt, erstarrt die heiße Masse zu magmatischem Gestein. Das kann sowohl an der Erdoberfläche als auch im Inneren der Erde geschehen. Wo sich dagegen Schichten von abgetragenem Gesteinsschutt anhäufen, werden die Sedimente unter der Last des eigenen Gewichts zusammengepresst. Durch diesen Druck verfestigen sie sich zu Sedimentgestein. Hoher Druck und große Hitze im Erdinneren wiederum sorgen dafür, dass sich Gestein verwandelt und ein anderes entsteht. Dann sprechen Geologen von Umwandlungs- oder von metamorphem Gestein.

Diese drei Gesteinstypen sind eng miteinander verbunden: Jeder Typ kann sich in jeden anderen verwandeln. Dieser Gesteinskreislauf wird immer weitergehen, so lange es die Erde gibt.