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.

Gestein wird immer wieder umgewandelt
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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:

Heißes Magma kühlt ab zu magmatischem Gestein
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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.

Sedimentschichten werden erneut abgetragen
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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.

Marmor entsteht durch Erhitzen von Kalkstein im Erdinneren
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Neuer Rekordhalter: Das älteste Gestein der Erde

Für die Wissenschaft ist es eine Sensation: Im Norden von Kanada sind Geologen auf die ältesten Felsen gestoßen, die je entdeckt wurden. Sie gehören zum Nuvvuagittuq-Grünsteingürtel an der Hudson Bay und sind über vier Milliarden Jahre alt.

Ein internationales Forscherteam hat das Gestein im nördlichen Kanada jetzt auf 4,28 Milliarden Jahre datiert. Damit wäre es gerade mal 300 Millionen Jahre jünger als unser Sonnensystem. Nun erkunden die Wissenschaftler, ob die uralten Felsen ein Überrest der allerersten Erdkruste sind, die sich einst vom Erdmantel abgetrennt hat. Dann könnte die Entdeckung helfen, einige Geheimnisse der ganz frühen Erdgeschichte zu lüften. Vielleicht verraten die Felsen ja etwas darüber, wo und wann das Leben begann? Auch hoffen die Forscher, im Gestein lesen zu können, wie sich die Atmosphäre verändert und wann sich der erste Kontinent unserer Erde geformt hat.

Der Name Grünsteingürtel stammt übrigens von der Farbe seines metamorphen Gesteins. Es sind die in den Felsen enthaltenen Minerale, welche sie an manchen Stellen grünlich färben.

Altersranking der „Urgesteine“

Alt und faltig sind sie alle. Doch die Brocken der ältesten Gesteine trennen immerhin Jahrmillionen. Bis vor kurzem, als der Felsen aus dem Nuvvuagittuq-Gesteingürtel auf stolze 4,28 Milliarden Jahre datiert wurde, galt ein anderer Felsen Nordkanadas als ältestes Gestein der Erde: der so genannte Acasta-Gneis im Nordwesten des Landes. Dieser hat immerhin auch schon 4,03 Milliarden Jahre auf dem Buckel. Mit seinem hohen Alter überbietet der alte Gneis eine Formation aus Bändereisen in Grönland: Diese rangiert auf der Altersskala der Gesteine jetzt auf Platz 3. Die Felsen in Grönland sind eben „nur“ 3,9 Milliarden Jahre alt!

Sowjetunion gräbt tiefstes Loch der Erde

Die Hölle angebohrt

Noch nie ist ein Mensch tiefer in die Erde eingedrungen: Auf der Halbinsel Kola hat ein sowjetisches Forscherteam ein Loch von über 12 Kilometer Tiefe in die Erdkruste gebohrt. Wegen der unerwartet großen Hitze im Untergrund wurde die Aktion nach 12.262 Meter eingestellt.

Schon im Jahr 1970 hatte die ehemalige Sowjetunion mit ihrer Bohrung auf der Halbinsel Kola im Norden des Landes begonnen. Ziel der „supertiefen Kola-Bohrung SG-3“ war es, die Grenze zwischen Erdkruste und Erdmantel zu erreichen und Gesteinsproben zu entnehmen. Die Wahl fiel auf Kola, weil das Gestein hier mehr als zwei Milliarden Jahre alt ist. Hier setzte die Bohrmaschine „Uralmasch-4E“ an, die auch für Erdölbohrungen genutzt wurde. Später wurde sie durch ein Gerät ersetzt, das bis 15 Kilometer ins Erdreich gelangen sollte.

Auf dem steinigen Weg in den Untergrund wurden 45.000 Gesteinsproben entnommen, diverse Fossilien entdeckt und sogar Gold gefunden. Auch für die Industrie nützliche Kupfer- und Nickelvorkommen konnten geortet werden. Die größte Überraschung aber war: Ab 10 Kilometer Tiefe herrschte eine ungeahnte Hitze. Die Temperaturen waren mit 180 Grad Celsius viel höher als erwartet. Bei 12.262 Meter Tiefe war schließlich Endstation. Technische Pannen verhinderten das Voranschreiten der Bohrarbeiten. Es ist sogar von höllischen Geräuschen im Untergrund die Rede. Ob es sich bei den schauderhaften Klängen um Gruselgeschichte handelt, oder ob hier die Erdkruste ächzt? Für die Wissenschaft gibt die supertiefe Kola-Bohrung jedenfalls noch einige Rätsel auf.

Kola-Bohrung, 1981
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Tiefenrekord der USA gebrochen

Mit der Kola-Bohrung verfolgte die Sowjetunion neben einem wissenschaftlichen noch ein anderes Interesse:

Sie wollten die USA übertrumpfen, die mit ihrer Bohrung „Berta Rogers“ immerhin 9.583 Meter Tiefe erreicht hatte. Im US-Bundesstaat Oklahoma liegt dieses Bohrloch, das von 1974 an als das tiefste der Welt galt. Doch der Rekord währte nur fünf Jahre. Am 6. Juni 1979 hatte die UdSSR den Tiefenrekord der Amerikaner mit der Kola-Bohrung geknackt. Trotz aller Rekorde: Bei einem Erdradius von 6371 Kilometern sind beide Löcher gerade mal ein kleiner Piekser an der Erdoberfläche.

Nicht mehr als ein Nadelstich

Das tiefste Bohrloch Deutschlands und eines der tiefsten weltweit

Über Jahre hat sich der Bohrmeißel mühsam in die harte Erdkruste gehämmert und gedreht. Immer wieder ist er dabei steckengeblieben. Jetzt verkündete der Pressesprecher des Tiefbohrprogramms in Windischeschenbach das Aus für das wissenschaftliche Projekt: Am 12. Oktober 1994 musste das Bohrgerät samt Messtechnik in einer Tiefe exakt 9101 Metern und bei einer Temperatur von 265 Grad Celsius abgeschaltet werden. Grund: Die Kassen des Forschungsprojekts sind leer. Das Bohrprogramm sei insgesamt sehr erfolgreich, eine Fortsetzung aber zu kostspielig.

Die Bohrung am Standort Windischeschenbach nahe bei Weiden in der Oberpfalz war 1987 gestartet worden, um die Erdkruste und die in ihr ablaufenden Prozesse näher zu erforschen. Ursprünglich wollten die Geologen bis in 14 Kilometer Tiefe bohren. Nach ihren Berechnungen hätten bis dahin die elektronischen Geräte den hohen Temperaturen von geschätzt 300 Grad Celsius Stand gehalten.

Bohrturm des kontinentalen Tiefbohrprojektes
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Kola-Bohrung
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Das tiefste Loch der Welt

Kola, eine skandinavische Halbinsel am eisigen Nordwestrand Russlands. Hier, wohin sich kaum eine Menschenseele verirrt, ist die Erdkruste über drei Milliarden Jahre alt. Dermaßen alte Kruste ist selten, und so startete 1970 eine wissenschaftliche Bohrung. Forscher wollten Gesteinsproben aus dem Erdinneren an die Oberfläche befördern. Doch in gut 12 Kilometern Tiefe bei einer Temperatur von fast 200 Grad Celsius wurden die Bohrgeräte weich und die Elektronik versagte. Das russische Tiefbohrprogramm musste 1989 eingestellt werden. Doch mit seinen 12262 Metern ist es bis heute das tiefste Bohrloch auf der Welt. Über 45 000 Gesteinsproben wurden in dieser Zeit der Erdkruste entnommen. Ihre Erforschung wird Jahrzehnte dauern.

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.

Straßenpflaster aus Granit
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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.

La Palma ist eine Insel, die ganz aus Vulkaniten aufgebaut ist
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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.

Wegen vulkanischer Gaseinschlüsse ist Tuffstein oft durchlöchert
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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.

Säulenbasalt in Portugal
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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.

Abbau von Marmor in der Toskana
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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.

Quarzit ist härter als der Sandstein, aus dem er gebildet wurde
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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.

Fußböden sind oft aus hartem Marmor
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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.

Hitze und Druck im Erdinneren wandeln das Gestein immer wieder um
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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.

Schroffe Felswände in den Dolomiten
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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.

Die einzelnen Sedimentschichten erscheinen wie Streifen im Fels
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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.

Am Meeresboden setzen sich Sand und Reste von Lebewesen ab
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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.

Fossilien sind versteinerte Lebewesen
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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.

Felsküste im Streifen-Look
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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.

Selbst aus schroffen Gebirgen können irgendwann sanfte Hügellandschaften werden
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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.

Wenn Wasser in die Ritzen eindringt, verwittert das Gestein
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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.

Steinsalz ist wasserlöslich
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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.

Am Kölner Dom nagt saurer Regen
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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.

Auch Wurzeln zerkleinern Gestein
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Was ist Gestein?

An manchen Stellen lugt es unter einer dünnen Pflanzendecke hervor, anderswo ragt es als steile Felswand in die Höhe: das nackte Gestein. Es ist das Baumaterial, aus dem Erdkruste und Erdmantel bestehen. Gestein ist jedoch keine einheitliche Masse. Ähnlich einem Kuchenteig – nur viel härter – ist es eine Mischung aus verschiedenen Zutaten: den Mineralen.

Wo keine Pflanzendecke ist, wird das Gestein sichtbar
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Gestein besteht also aus unterschiedlichen Mineralen. Je nach Zusammensetzung fügen sich die Minerale zu bestimmten Gesteinsarten zusammen. Granit zum Beispiel ist ein Gestein, das aus den Mineralen Feldspat, Quarz und Glimmer besteht. Dass Granit aus verschiedenen Mineralen aufgebaut ist, zeigt sich schon daran, dass er gesprenkelt ist: Er enthält hellere und dunklere Teile, die ihre unterschiedliche Farbe drei verschiedenen Mineralen verdanken. Die dunkleren Stellen stammen vom Mineral Glimmer. Weißlich bis grau erscheint häufig das Quarzmineral. Das dritte Mineral, der Feldspat, kann alle möglichen Farben annehmen, sogar rosa. Anders als das harte Granitgestein besteht der weichere Sandstein fast vollständig aus Quarz. Aus diesem Grund sieht Sandstein einheitlicher aus als der gesprenkelte Granit.

Pflaster aus Granitblöcken
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Fast alle Minerale ordnen sich nach einem bestimmten Gittermuster zu gleichmäßigen Formen, den Kristallen. So wächst das Mineral Steinsalz zum Beispiel zu einem Würfel. Durch die regelmäßige Anordnung ergeben sich aber auch andere Formen mit glatten Flächen, wie sie bei einem Bergkristall gut zu erkennen sind. Dieser besteht aus besonders reinem und daher durchsichtigem Quarz. Ist in den Quarz dagegen Flüssigkeit eingeschlossen, färbt er sich milchig trüb. Dann sprechen Geologen von einem Milchquarz.

Felsen aus Sandstein
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Das Mineralsalz wächst zu würfelförmigen Salzkristallen
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Die äußerste Hülle der Erde

Wie ein Ei von der Eierschale ist auch die Erde von einer harten Hülle umgeben. Diese äußerste Schicht umgibt den Erdmantel und wird Erdkruste genannt. Vergleicht man die Erde mit einem Pfirsich, ist die Erdkruste – relativ gesehen – so dick wie seine Haut. Unter Kontinenten reicht sie durchschnittlich 40 Kilometer in die Tiefe, unter den Ozeanen sogar nur etwa sieben Kilometer.

Die Erdkruste ist im Verhältnis zur Erde so dick wie die Pfirsichhaut zum Pfirsich
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Darunter liegt der äußere Teil des Erdmantels, der bis in etwa 100 Kilometer Tiefe reicht. Er ist ebenfalls fest, besteht aber aus schwererem Gestein. Die Erdkruste und dieser äußerste Teil des Mantels zusammen werden auch „Lithosphäre“ genannt. Diese feste Gesteinsschicht ist in verschieden große Platten zerbrochen, die ganz langsam auf dem heißen, zäh fließenden Erdmantel umher treiben.

Island liegt auf dem mittelatlantischen Rücken, wo die Lithosphärenplatten auseinanderklaffen
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Wo die Gesteinsschmelze aus dem heißen Erdmantel nach oben dringt, kann die Erdkruste aufbrechen. Dann strömt Lava heraus, die zu neuer Erdkruste wird. Hauptsächlich geschieht das dort, wo die Platten der Lithosphäre aneinander grenzen, wie an den mittelozeanischen Rücken.

Die Alpen – Hochgebirge am Plattenrand
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In Island zum Beispiel sind diese Plattengrenzen gut zu erkennen: Risse und Furchen ziehen sich hier durch die Erdkruste, wo eurasische und nordamerikanische Platte voneinander wegdriften. Im Mittelmeerraum liegt ebenfalls eine Plattengrenze. Weil hier die Afrikanische gegen die Eurasische Platte drückt, gibt es in Italien viele Vulkane und immer wieder Erdbeben.

Die Liparischen Inseln – eine Vulkankette in Italien
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Die Kruste wird vom Boden bedeckt. Der Boden der Landmassen bildet sich aus verwittertem Gestein und Überresten von Tieren und Pflanzen. Der Meeresboden dagegen entwickelt sich aus Ablagerungen wie Ton und abgesunkenen Resten von Meeresorganismen. An den Küsten besteht der Meeresboden zusätzlich aus abgelagertem Geröll, das vom Festland abgetragen und ins Meer geschwemmt wurde.