Petrographie

Die Petrographie (von altgriechisch pétros (πέτρος) „Stein“ und gráphein „schreiben“) ist die beschreibende Wissenschaft von den Gesteinen. Sie liefert mit detaillierten Objektbeschreibungen eine empirische Grundlage, ohne die das wissenschaftliche Verständnis von Gesteinen nicht möglich wäre. Im Anschluss an eine makroskopisch orientierte Frühphase (bis ca. 1866)[1] begann durch die intensive Nutzung des Polarisationsmikroskops[2] eine rasante Erfolgsgeschichte der Petrographie.[3][4] Es etablierte sich „das Mikroskop als Grundlage aller Petrographie“.[5] Entscheidend für die damit reformierte, bis heute gültige Selbstdefinition der Petrographie waren im deutschsprachigen Raum vor allem die Petrographen Zirkel und Rosenbusch. Zum Polarisationsmikroskop kamen lange danach weitere moderne Untersuchungsmethoden hinzu (z. B. die Mikrosonde; siehe unten).

In ihrer Frühphase tauchte als Alternativbezeichnung für „Petrographie“ kurz das Wort „Lithologie“ (von lithos (λίθος) „Stein, Gestein“ und lógos „Wort, Vernunft“) auf.[6] Dieses Synonym hat sich nicht durchgesetzt. Der Ausdruck „Lithologie“ wird im Bereich Petrographie schon sehr lange nicht mehr verwendet.[7]

Die Petrographie ist keine Teildisziplin der Petrologie.[8] Beide sind als separate wissenschaftliche Sparten innerhalb des klassischen universitären Fachs "Mineralogie" weitgehend eigenständig, mit klar unterschiedenen Themen, Fragen und Erkenntniszielen.[9]

Es geht in der Petrographie um eine möglichst interpretations- und deutungsarme neutrale Sichtung und Dokumentation empirischer Sachverhalte: um die Bestimmung des Mineralbestands von Gesteinen sowie die genaue Charakterisierung der Gesteinsgefüge, vor allem im lichtmikroskopischen Vergrößerungsbereich. Hinzu kommt die Aufgabe, die beschriebenen Gesteine adäquat zu benennen und zu kategorisieren. Die Petrographie bemüht sich also um ein sinnvolles Ordnen der verschiedenen Gesteine, schon bevor deren physikalisch-chemische Entstehungsmechanismen im Detail geklärt sind. Die grobe Zuordnung eines Gesteins zu den drei großen Gruppen „magmatische Gesteine“, „metamorphe Gesteine“ oder „Sedimentgesteine“ ist in den meisten Fällen allerdings schon aufgrund des bloßen petrographischen Befunds problemlos möglich.

Das Ziel der Petrologie ist dagegen die physikalisch-chemische Entschlüsselung der Entstehungswege von Gesteinen, d. h. die exakte Erforschung petrogenetischer Prozesse.[10][11] Letzteres kann man erst sinnvoll angehen, wenn die Petrographie ihre Arbeit zumindest in Grundzügen getan hat, d. h. wenn klar ist, wie ein Gestein beschaffen ist (Zusammensetzung und Gefüge), dessen Genese man physikalisch-chemisch detailliert klären möchte.

Die Tatsache, dass Petrographie und Petrologie sich getrennt voneinander entwickelt haben und sich jeweils als etwas eigenes definierten, hat ihren Grund nicht nur in den ganz unterschiedlichen Fragestellungen. Sie hat auch eine wissenschaftsgeschichtliche Ursache. 1866 erschien der voluminöse zweibändige Klassiker von Ferdinand Zirkel „Lehrbuch der Petrographie“. Diese befand sich als beschreibende Wissenschaft also bereits 1866 in einem präsentablen Zustand.[12] Im gleichen Jahr war an eine adäquate physikalisch-chemische Erklärung von petrogenetischen Prozessen – dem Thema der künftigen Petrologie – nicht einmal ansatzweise zu denken. Petrologie ist eine Anwendung physikalisch-chemischen, speziell thermodynamischen Denkens auf natürliche Systeme.[10][11] Ein zentraler Aspekt ist hier die physikalisch-chemische Phasenlehre. Letztere war 1866 noch lange nicht entwickelt.[13][14] Die Petrologie ist als Wissenschaftssparte daher wesentlich jünger als die Petrographie.

Im Gang der Erkenntnis ist die Petrographie der Petrologie also zunächst vorgeschaltet. In der Folge kommt es dann aber vor, dass die Petrographie Fragen von der Petrologie gestellt bekommt. Im Zuge von Theorie-Entwürfen zur Gesteinsentstehung können sich sehr spezielle Detailfragen bezüglich des Gesteinsgefüges ergeben. Das gilt speziell dann, wenn ein theoretisch denkbarer Gesteinsbildungsmechanismus A ein anderes Gefügebild im Gestein zur Folge hätte als ein denkbarer Alternativmechanismus B. In solch einem Fall kann das beobachtbare Gefügebild zum Entscheidungskriterium zwischen zwei oder mehreren diskutierten Gesteinsbildungsmechanismen (petrogenetischen Theorie-Entwürfen) werden. Man geht dann mit einer präzisen Frage von der Petrologie zurück zur Petrographie, um den zuvor vorhandenen allgemeinen petrographischen Gefüge-Befund unter dem betreffenden neuen Aspekt zu präzisieren. Rückfragen der Petrologie an die Petrographie können sich auch aus anderen Gründen ergeben.[15] Solch mögliche Rückfragen ändern aber nichts an der logisch klaren Trennung zwischen Petrologie und Petrographie. Es gibt keinen Grund, beide zu vermischen oder als Einheit aufzufassen.

Die Hauptfragen der Petrographie lauten:

  • Wie sind die verschiedenen Gesteine genau zusammengesetzt? (Mineralbestand des jeweiligen Gesteins, Zusammensetzung eines eventuell vorhandenen Glasanteils)
  • Wie kann man vorgehen, wenn bei der Feststellung des Mineralbestands unüberwindliche Probleme auftauchen? (Thema „Normberechnungen“)
  • Wie sehen die jeweiligen Gesteine genau aus, vor allem im mikroskopischen Vergrößerungsbereich? (Wachstums- und Verwachsungsformen der Kristalle im Gestein, Gefügemerkmale verschiedenster Art)
  • Wie lassen sich Gesteine sinnvoll benennen und klassifizieren?
  • Welche Terminologie ist zur Beschreibung von Gesteinsgefügen sinnvoll?

Arbeitsschritte und Untersuchungsmethoden

Der Petrograph geht im Prinzip in folgenden Schritten vor:[16]

1.: Feldarbeit: Ähnlich wie beim kartierenden Geologen werden zunächst möglichst alle Material- und Gefügeeigenschaften registriert und dokumentiert, die man mit bloßem Auge und Lupe am Gestein im Gelände feststellen kann. Das Resultat ist, da nur makroskopisch gewonnen, vorläufig. Dann werden geeignete Proben (Handstücke) genommen. Erscheint die genaue Richtung von Gefügeelementen (z. B. Schieferung) im Einzelfall bedeutsam, so werden Proben orientiert entnommen. Hierzu ermittelt man mit dem Geologenkompass Daten zur Orientierung von Gefügeelementen im Raum. Zur späteren Zuordnung dieser Richtungs-Daten zum Handstück werden an diesem Markierungen angebracht.

2.: Die Hauptarbeit folgt im Labor: Herstellung und polarisationsmikroskopische Untersuchung von Gesteinsdünnschliffen (engl.: thin sections). Zum Polarisationsmikroskop gibt es ergänzende Vorrichtungen für Spezialuntersuchungen, z. B. zum Studium von unverletzt erhaltenen Flüssigkeitseinschlüssen in Mineralkörnern. Es gibt auch Hilfsvorrichtungen fürs Mikroskop, die die quantitative Bestimmung des Mineralbestands im Dünnschliff erleichtern (mechanische bzw. optische Mineralkorn-Auszählverfahren an Dünnschliffen).[17] Man erhält so Daten zum objektiven Mineralbestand im Gestein, den man „modalen Mineralbestand“ oder kurz „Modus“ nennt. In ähnlicher Weise lassen sich mittels systematischer Auszählverfahren auch Gefügemerkmale in ihrer Häufigkeit im Dünnschliff erfassen.[18]

3.: Ergänzende Informationen zum modalen Mineralbestand liefern Methoden, die nicht spezifisch petrographisch sind, sondern in allen Materialwissenschaften genutzt werden. Das ist neben der gewöhnlichen chemischen Analyse des Gesamtgesteins (Ermittlung der „chemischen Pauschalzusammensetzung“) insbesondere die Röntgendiffraktometrie. Gelegentlich werden auch andere, z. B. magnetische Gesteins-Eigenschaften gemessen.[19]

4.: Die klassische Polarisationsmikroskopie wird heute häufig durch die Elektronenstrahl-Mikrosonde ergänzt. Diese liefert chemische Informationen mit direktem Bezug zum Gesteinsgefüge (mikrochemische Petrographie). Zu stärkeren Vergrößerungen hin schließen sich elektronenmikroskopische Untersuchungen an.

5.: Im Bereich Erze (im Dünnschliff undurchsichtig) nutzt man statt der Durchlicht-Polarisationsmikroskopie die Erzmikroskopie, eine Methode im Auflicht-Verfahren.[20]

Normberechnungen

Bei einigen Gesteinen ist die Materie nicht vollständig kristallisiert, sondern ganz bzw. teilweise glasig erstarrt. Sie lassen sich daher nicht ohne weiteres mit gut kristallisierten Gesteinen vergleichen: Bei letzteren ist ein „modaler Mineralbestand“ als Charakteristikum des ganzen Gesteins quantitativ ermittelbar, bei ersteren nicht. Das gleiche Problem tritt bei Gesteinen mit extrem feinkristallinen, insbesondere „kryptokristallinen“ Bereichen auf. Will man den Vergleich dennoch anstellen, so kann man versuchen, aus der chemischen Pauschalzusammensetzung[21] des Gesteins eine Mineralzusammensetzung zu errechnen, die das Gestein mutmaßlich hätte, wenn es in der Natur die Zeit gehabt hätte, durchweg erkennbar große Kristalle auszubilden. Einen solch fiktiven Mineralbestand nennt man „normativen Mineralbestand“.[22] Die Petrographie hat sich, neben ihren sonstigen Zielen, auch zur Aufgabe gemacht, normative Mineralbestände zu errechnen. Es konkurrieren unterschiedliche Normberechnungsverfahren miteinander. Zu nennen sind vor allem die CIPW-Norm und die Rittmann-Norm.[23] Normberechnungen sind meist so kompliziert, dass man heute Computerprogramme dafür einsetzt.[24] Nicht selten führen unterschiedliche Normberechnungsverfahren beim gleichen Gestein zu unterschiedlichen „normativen Mineralbeständen“. Das hat folgenden Grund:

Bei Normberechnungen fließen – unvermeidbar – bestimmte theoretische Annahmen mit ein. Bei verschiedenen Normberechnungsverfahren sind das unterschiedliche hypothetische Vorgaben. Hier wagt sich die ansonsten möglichst streng empirisch agierende Petrographie ein wenig ins Virtuelle. Grund für diesen nicht selbstverständlichen Schritt ist das Ziel, die unterschiedlichsten Gesteine nach möglichst einheitlich-systematischen Gesichtspunkten zueinander in Beziehung zu setzen, das heißt zu sortieren und zu kategorisieren. Hierzu sind vergleichbare Datensätze erforderlich, notfalls also auch „normative Mineralbestände“.

Fachsprachliches und Nomenklaturfragen

Durch ihre Zielsetzung „Gesteins-Systematik“ sind in der Petrographie Nomenklaturfragen von Bedeutung: Die Themen Gesteins-Beschreibung und Gesteins-Benennung werden verknüpft.[25][26][27]

Nomenklaturfragen tauchen aber nicht nur beim jeweiligen Gestein als einem Ganzen auf, sondern auch bei Teilaspekten von Gesteinen, vor allem beim Gefüge. Gesteine werden von Laien in ihrer Alltagssicht oft als eher gleichgültig-unansprechend, d. h. als kaum nennenswert verschieden empfunden. In Wahrheit jedoch halten sie, was ihre mikroskopischen Gefügebilder und ihre sehr unterschiedlichen Kristallentwicklungen betrifft, eine spektakuläre Mikro-Welt bereit, eine Welt vielfältigster Formen, mit hoher (auch ästhetischer) mikroskopischer Attraktivität. Diese Vielfalt lässt sich bereits an der schieren Menge der Gefüge-Fachbegriffe erahnen, die sich in der Petrographie im Laufe ihrer über 160-jährigen Geschichte etabliert haben. Adjektive zur Charakterisierung von Gesteinsgefügen sind zum Beispiel:

glomerophyrisch, hyaloophitisch, pilotaxitisch, perthitisch, trachytisch, myrmekitisch, panallotriomorph-körnig, doleritisch, holokristallin, hypidiomorph, blastisch, aphyrisch, hyalopilitisch, variolitisch, poikilitisch, xenomorph, kryptoperthitisch, blastokataklastisch, symplektitisch, poikiloblastisch, miarolitisch, arboreszierend etc. Man spricht von porphyrischem Gefüge, ophitischem Gefüge, subophitischem Gefüge, intersertalem Gefüge, Spinifex-Gefüge, von Kammtextur und so weiter. Details zu den exakten Bedeutungen solcher Gefüge-Begriffe sind der Fachliteratur zu entnehmen.

Vereinzelt findet man erste Zugänge zum wissenschaftlich anspruchsvollen und ästhetisch attraktiven Thema „Petrographie“ bereits in populärwissenschaftlichen Werken.[28]

Siehe auch

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Literatur

  • Ferdinand Zirkel: Lehrbuch der Petrographie. 2 Bände. Verlag Engelmann, Leipzig 1866, Bd. 1: XXIV + 607 S., Bd. 2: XII + 635 S.
  • Ferdinand Zirkel: Die mikroskopische Beschaffenheit der Mineralien und Gesteine. Verlag Engelmann, Leipzig 1873, VIII + 502 S., mit 205 Holzschnitten.
  • Harry Rosenbusch: Mikroskopische Physiographie der petrographisch wichtigen Mineralien: ein Hülfsbuch bei mikroskopischen Gesteinsstudien. Verlag Schweizerbart, 2., gänzlich umgearbeitete Auflage, Stuttgart 1885, XIV + 664 S.
  • Ernest Eugene Wahlstrom: Petrographic mineralogy. Verlag Wiley, New York 1955, VII + 408 S.
  • Albert Victor Carozzi: Microscopic sedimentary petrography. Verlag Wiley, New York 1960, VIII + 485 S.
  • Felix Ronner: Systematische Klassifikation der Massengesteine. Springer-Verlag, Wien 1963, XV + 380 S., mit 85 Abbildungen; Bibliographischer Nachweis
  • Howel Williams, Francis J. Turner, Charles M. Gilbert: Petrography: An introduction to the study of rocks in thin sections. Freeman and Company, Second edition, New York 1982, 626 S.
  • Anthony E. Adams, William Scott MacKenzie, C. Guilford, Manfred Schöttle (Übersetzer): Atlas der Sedimentgesteine in Dünnschliffen. Verlag Enke, Stuttgart 1986, 103 S., mit 217 farbigen Abbildungen; ISBN 3-432-95611-8; Bibliographischer Nachweis
  • William Scott MacKenzie, C. H. Donaldson, C. Guilford, Gerd Hintermaier-Erhard (Übersetzer): Atlas der magmatischen Gesteine in Dünnschliffen. Verlag Enke, Stuttgart 1989, IX + 147 S., mit 292 Abbildungen; ISBN 3-432-97361-6; Bibliographischer Nachweis
  • Wolfhard Wimmenauer: Petrographie der magmatischen und metamorphen Gesteine. Verlag Enke, 1. durchgesehener Nachdruck der 1. Auflage, mit Nachträgen (S. 373), Stuttgart 1990, X + 382 S.; ISBN 3-432-94671-6.
  • B. W. D. Yardley, William Scott MacKenzie, C. Guilford, Leander Franz (Übersetzer), Bernhard Bühn (Übersetzer): Atlas metamorpher Gesteine und ihrer Gefüge in Dünnschliffen. Verlag Enke, Stuttgart 1992, 120 S., mit zahlreichen Abbildungen; ISBN 3-432-25011-8; Bibliographischer Nachweis

Anmerkungen und Einzelnachweise

  1. ↑ Felix Ronner: Systematische Klassifikation der Massengesteine. Springer-Verlag, Wien 1963; hier: S. 181–186.
  2. ↑ Der Zeitpunkt, an dem das Mikroskop (bald danach dann das Polarisationsmikroskop) zum relevanten und einige Jahre später allgemein dominierenden Hilfsmittel in der Petrographie wurde, lässt sich ziemlich genau angeben. Als historische „Initialzündung“ gilt die Arbeit: Ferdinand Zirkel: Mikroskopische Gesteinsstudien. In: Sitzungsberichte der Kaiserlichen Akademie der Wissenschaften, mathematisch-naturwissenschaftliche Classe. Band 47, Wien 1863, S. 226–270, mit Abbildungen auf 3 Tafeln. In dieser Arbeit wird die Herstellung von Gesteins-Dünnschliffen in Grundzügen erläutert.
  3. ↑ Felix Ronner: Systematische Klassifikation der Massengesteine. Springer-Verlag, Wien 1963; hier: S. 228–237.
  4. ↑ Ferdinand Zirkel: Lehrbuch der Petrographie. Zweite, gänzlich neu verfasste Auflage, 1. Band, Verlag Engelmann, Leipzig 1893, 845 S.; hier: Vorwort: S. III.
  5. ↑ Felix Ronner: Systematische Klassifikation der Massengesteine. Springer-Verlag, Wien 1963; hier: S. 235–237.
  6. ↑ Johann Reinhard Blum: Handbuch der Lithologie oder Gesteinlehre. Verlag Enke, Erlangen 1860, 356 S.; hier: S. 1. (Digitalisat)
  7. ↑ Dies schließt nicht aus, dass die Worte "lithologisch" oder "Lithologie" außerhalb der Petrographie an anderen Stellen im weiten Feld allgemein-geologischer, regionalgeologischer, paläontologischer, ingenieurgeologischer oder geographischer Aktivitäten gelegentlich verwendet werden, z. B. im Zusammenhang mit einer großräumigen Charakteristik ehemaliger Sedimentationsräume (Paläoökologie).
  8. ↑ Wimmenauer beginnt sein Petrographie-Standardwerk mit dem Satz: „Petrographie - und nicht Petrologie - der magmatischen und metamorphen Gesteine ist das Thema des hier vorgelegten Buches“. Man konzentriert sich in der Petrographie „auf eine überwiegend beschreibende Darstellung“; Wolfhard Wimmenauer: Petrographie der magmatischen und metamorphen Gesteine. Verlag Enke, Stuttgart 1990, hier: Vorwort: Seite V.
  9. ↑ Das Universitäts-Fach "Mineralogie" hat zahlreiche Untersparten, unter anderem Petrologie, Technische Mineralogie und Kristallographie. Hinzu kommen die Sparten Petrographie, die sich mit Gesteinsgefügen, sowie "Spezielle Mineralogie", die sich mit Einzelmineralen befasst. Das Gesamtfach "Mineralogie" wird gelegentlich mit seiner kleinen Untersparte "Spezielle Mineralogie" verwechselt.
  10. ↑ a b Wimmenauer: Petrographie der magmatischen und metamorphen Gesteine. 1990; hier: S. 1.
  11. ↑ a b Thomas F. W. Barth: Theoretical petrology. Verlag Wiley, 2. Auflage, New York 1962, XI + 416 S.
  12. ↑ Die Ausgabe von 1866 (Erstausgabe) wird noch dominiert vom makroskopischen Erfahrungsschatz der älteren Petrographie. In der 2. Auflage (1893) wurde die in den Folgejahren rasant ansteigende Zahl an polarisationsmikroskopischen Gesteinsuntersuchungen zum dominierenden Gesichtspunkt der Petrographie. Das Werk wurde von Zirkel daher vollkommen umgeschrieben.
  13. ↑ Der Begriff der Entropie stammt aus dem Jahr 1865 ( Clausius), die grundlegenden Arbeiten von Gibbs mit dem Phasengesetz aus den Jahren 1876–1878 (in deutscher Übersetzung erst 1891). Erst nachdem dieses physikalisch-chemische Begriffsinstrumentarium erarbeitet und in weiteren Kreisen bekannt war, konnte eine Wissenschafts-Sparte zur physikalisch-chemischen Erklärung von Gesteinsbildungsprozessen, die heutige „Petrologie“, überhaupt in Angriff genommen werden. Die beschreibende „Petrographie“ dagegen stand in der Zeit von etwa 1873–1885, was die Resultate polarisationsmikroskopischer Arbeiten betrifft, bereits in voller Blüte. Für die makroskopisch beschreibende Petrographie gilt das gleiche schon 1866 (Zirkels „Lehrbuch der Petrographie“ in der Erstausgabe).
  14. ↑ Ähnliches gilt für viele andere physikalisch-chemische Grundbegriffe und Diskussionsgesichtspunkte, die man benötigt, um die Entstehung von Gesteinen naturgesetzlich adäquat erklären zu können. Fragen zu physikalisch-chemischen Gleichgewichten oder aber Ungleichgewichten gehören zum Beispiel hierher.
  15. ↑ Ein spezielles, für metamorphe Gesteine fundamental wichtiges Beispiel hat Winkler genannt: Helmut G. F. Winkler: Petrogenesis of metamorphic rocks. Springer-Verlag, 5. Auflage, New York, Heidelberg, Berlin 1979, X + 348 S.; hier: S. 28–30.
  16. ↑ Wimmenauer: Petrographie der magmatischen und metamorphen Gesteine. 1990; hier: S. 1–2.
  17. ↑ Wimmenauer: Petrographie der magmatischen und metamorphen Gesteine. 1990; hier: S. 14–20.
  18. ↑ Wimmenauer: Petrographie der magmatischen und metamorphen Gesteine. 1990; hier: S. 20–22.
  19. ↑ Peter Schreiter: Über Erzgehalt und magnetische Suszeptibilität basaltischer Gesteine: Am Beispiel des Nephelinbasanites vom Steinberg bei Ostritz/Lausitz. Hochschulschrift: Universität Leipzig, Math.-naturwiss. Fakultät, Dissertation vom 30. Juli 1965, 172 S. (maschinenschriftlich vervielfältigt); Bibliographischer Nachweis
  20. ↑ Arno Mücke: Anleitung zur Erzmikroskopie, mit einer Einführung in die Erzpetrographie. Verlag Enke, Stuttgart 1989, IX + 187 S., ISBN 3-432-97861-8; Bibliographischer Nachweis
  21. ↑ Die Pauschalzusammensetzung von Gesteinen wird in der Regel in Oxidschreibweise dargestellt: Angegeben werden Gewichtsprozente von chemischen Komponenten wie Na2O, K2O, Al2O3, SiO2, MgO und so weiter.
  22. ↑ Der Begriff „normativer Mineralbestand“ ist der Gegenbegriff zum „modalen Mineralbestand“. Der normative Mineralbestand ist ein fiktiver, bloß errechneter. Der modale Mineralbestand dagegen wird am Gestein beobachtet (empirisch ermittelt).
  23. ↑ Wimmenauer: Petrographie der magmatischen und metamorphen Gesteine. 1990; hier: S. 22–30.
  24. ↑ Wimmenauer: Petrographie der magmatischen und metamorphen Gesteine. 1990; hier: S. 29–30.
  25. ↑ Walter Ehrenreich Tröger: Spezielle Petrographie der Eruptivgesteine. Ein Nomenklatur-Kompendium. Verlag Schweizerbart, unveränderter Nachdruck der Originaltexte von 1935 und 1938, Stuttgart 1969, V + 360 + 49 S.
  26. ↑ Wimmenauer: Petrographie der magmatischen und metamorphen Gesteine. 1990.
  27. ↑ Felix Ronner: Systematische Klassifikation der Massengesteine. Springer-Verlag, Wien 1963.
  28. ↑ Rudolf Jubelt, Peter Schreiter: Gesteinsbestimmungsbuch. VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, 8., durchgesehene Auflage, Leipzig 1987, 198 Seiten; ISBN 3-342-00239-5; Bibliographischer Nachweis