Der Planet Erde kann in drei grundlegende Schichten unterteilt werden. Die erste davon, die innerste, ist der Kern. Die nächste ist der Erdmantel, der die mittlere Schicht darstellt und in seinem oberen Teil bereits als Lithosphäre, die äußere Hülle der Erde, bezeichnet wird. Die letzte, äußerste Schicht, ist die Erdkruste. Sie ist zwischen 10 und 70 km dick und macht nur 1,4 % des Volumens und 0,3 % der Masse des Planeten aus. Trotzdem ist sie die physikalisch und chemisch vielfältigste Geosphäre. Aus der Verbindung von geografischen und chemischen Wissenschaften entstand die Geologie, ein Wissenschaftszweig, der die Struktur, die Eigenschaften und die Entwicklungsgeschichte der Planeten untersucht. Dank der Entwicklung dieser Wissenschaft ist es unter anderem möglich, die elementare Zusammensetzung der Erdkruste zu bestimmen.
Die Formung der Erde
Infolge der kontinuierlichen plattentektonischen Bewegungen können Gesteinsbildungsprozesse bis zu Millionen von Jahren dauern. Aufgrund der verschiedenen Gesteinsbewegungen, die im Laufe der Geschichte stattgefunden haben, haben sich viele Schichten von der Oberfläche in die Tiefe verlagert und später entstandenen Gesteinen Platz gemacht oder sind umgekehrt aus der Tiefe an die Oberfläche des Planeten geschoben worden. Auf diese Weise können Geologen nicht nur die Gesteine untersuchen, die die Oberflächenschicht bilden, sondern auch solche, die früher entstanden sind und sich in Tiefen von bis zu mehreren Kilometern befanden. Da die tieferen Schichten aufgrund der dort herrschenden Bedingungen, d.h. hoher Druck und Temperaturen von bis zu 6.000 oC im Kern, nicht zugänglich sind, wurden alle Informationen über sie mit indirekten Methoden durch Phänomene wie seismische Wellen, Erdbeben und Vulkanausbrüche gewonnen. Dank des relativ leichten Zugangs zur Geosphäre in einer Tiefe von etwa 16 km ist es hingegen möglich, die durchschnittliche chemische Zusammensetzung der Lithosphäre und damit der Erdkruste zu bestimmen.
Die Erdkruste
Diese äußerste Schicht der Erde ist auch die vielfältigste und uns am besten bekannte. Sie ist die Geosphäre mit der niedrigsten Temperatur, der geringsten Dicke und Masse. Auf der Innenseite grenzt die Erdkruste durch die Mohorovičić-Diskontinuität an den Erdmantel, während sie auf der Außenseite in direktem Kontakt mit der Atmosphäre oder Hydrosphäre steht. Die chemische Zusammensetzung der Erdkruste umfasst qualitativ 93 Elemente, von denen jedoch nur 8 bis zu 99,5 % der Masse ausmachen. Es wird angenommen, dass der Massenanteil von Sauerstoff 46,6 %, von Silizium 27,72 %, von Aluminium 8,13 %, von Eisen 5,00 %, von Kalzium 3,63 %, von Natrium 2,83 %, von Kalium 2,60 % und von Magnesium 2,08 % beträgt. Im Vergleich dazu wird der Gehalt an Wasserstoff auf 0,14 %, an Schwefel auf 0,05 %, an Kohlenstoff auf 0,03 % und an Kupfer auf 0,01 % geschätzt. In der Zusammensetzung finden wir auch Chlor, Rubidium, Fluor, Strontium, Barium, Nickel, Lithium, Stickstoff und viele andere. Die Vielfalt dieser Geosphäre ist auf das Vorhandensein zahlreicher Strukturen wie magmatische, metamorphe und sedimentäre Gesteine in vielen Konfigurationen zurückzuführen. Aufgrund der bereits erwähnten geologischen Prozesse sind die entstandenen Gesteine nicht durch eine einheitliche chemische Zusammensetzung gekennzeichnet. Sie ist sowohl horizontal als auch vertikal heterogen. Außerdem kommt ein Element nur sehr selten in seiner ursprünglichen Form vor, meist bilden sie Ansammlungen von verschiedenen Atomen in Form von Mineralen. Nur wenige von ihnen, wie Gold, Silber, Kupfer, Schwefel, Diamant und Graphit, können als einzelnes Element auftreten. Im Gegensatz dazu gibt es viel mehr multielementare Minerale, von denen derzeit ungefähr 3 000 bekannt sind, davon gelten Silikate als die häufigsten.
Minerale
Per Definition sind es chemische Verbindungen, die durch natürliche Prozesse entstanden sind und eine spezifische chemische Zusammensetzung und kristalline Struktur aufweisen. Je nach Art können wir sie durch ihre unterschiedlichen chemischen und physikalischen Eigenschaften unterscheiden. Es gibt viele Arten von Mineralen, da eine und dieselbe chemische Verbindung in verschiedenen Kristallformen vorkommen kann. Kalziumkarbonat zum Beispiel bildet drei Minerale mit identischen chemischen Eigenschaften, aber unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften: Kreide, Kalkstein und Marmor. Gemäß der Systematik der Minerale nach Strunz lassen sich Minerale in neun Kategorien einteilen: Native Elemente, Sulfide, Halogenide, Oxide und Hydroxide, Nitrate, Karbonate und Borate, Sulfate, Chromate, Molybdate, Wolframate, Phosphate, Arsenate, Vanadate, Silikate, organische Verbindungen. Mineralien mit den am häufigsten vorkommenden Elementen in ihrer Struktur sind gesteinsbildend.
Gesteine
Der Begriff Gestein bezieht sich auf massive Ansammlungen von Mineralien. Die mineralische Zusammensetzung von Gesteinen kann sehr unterschiedlich sein. Es gibt einmineralische Gesteine, wie Kalzitkalk oder Marmor, die als monomineralische Gesteine bezeichnet werden. Die überwiegende Mehrheit sind jedoch polymineralische Gesteine, die aus mindestens zwei Mineralen bestehen. Häufig vorkommende Gesteine sind z.B. Kalkgestein, das aus Kalkstein besteht, und Granitgestein, in dem Quarz das Hauptmineral ist. Diese am häufigsten vorkommenden Silikate machen drei Viertel der Erdkruste aus (Lesen Sie über Microsilica). Sie kommen in Form von Gesteinen, Sanden, Böden und Tonen vor und bestehen überwiegend aus Kieselerde und Salzen der Kieselsäure.
Beispiele für Erze
Zu einer Gruppe mit den Sulfiden gehören die ihnen ähnlichen Sulfosalze, Arsenide, Antimonide, Bismute, Selenide und Telluride. Sie haben ähnliche physikalische Eigenschaften, darunter eine hohe Dichte und einen starken Metallglanz. Die meisten von ihnen entstehen aus hydrothermalen Lösungen, sie können aber auch aus sulfidischem Magma kristallisieren. Trotz ihres nicht sehr hohen Vorkommens von 0,15 Massenprozent in der Erdkruste sind sie aufgrund ihrer wertvollen Metallerze (Gold, Silber, Platin) von wirtschaftlicher Bedeutung. Zu den Mineralien dieser Gruppe gehören Alabandin MnS, Antimonit Sb2S3, Arsenopyrit FeAsS und Zinnober HgS. In der Kategorie der Halogenide finden sich vor allem Chlor- und Fluorverbindungen, seltener kommen Bromide und Jodide vor. Merkmale der Leichtmetallhalogenide sind ein glasiger Glanz und ein niedriger Brechungsindex. Sie sind am häufigsten in Pegmatiten und hydrothermalen Gängen zu finden. Sie werden bei der Herstellung von Mineraldüngern, chemischen Rohstoffen und Flussmitteln verwendet und teilweise auch direkt verzehrt. Beispiele für Minerale dieser Gruppe sind Halit NaCl, Fluorit Ca2F, Sylvinit KCl und Atacamit Cu2(OH)3Cl. Obwohl das Element Sauerstoff in der Erdkruste am häufigsten vorkommt, machen seine Mineralien nur 4,5 % aus. Dabei handelt es sich fast ausschließlich um Eisenoxide. Andere Verbindungen sind Oxide von Aluminium, Magnesium, Titan und Chrom. Die Minerale dieser Gruppe bilden sich unter magmatischen, hydrothermalen und Verwitterungsbedingungen. Einige von ihnen sind wichtige Industrierohstoffe, andere sind wertvolle Schmucksteine. Dazu gehören Chromit FeCr2O4, Hämatit Fe2O3, Rubin und Saphir Al2O3. Die Sulfate und Chromate bilden eine sehr zahlreiche Gruppe von fast 200 Mineralien. Sie zeichnen sich durch ihre Transparenz und ihren glasigen Glanz aus. Sie bilden sich bei niedrigen Temperaturen und Drücken, unter sauerstoffreichen Bedingungen. Zu dieser Gruppe gehören Gips CaSO4-2H2O, Anhydrit CaSO4 und Celestin SrSO4. In der Natur gibt es etwa 70 Karbonate, von denen das wichtigste Calcit ist, aus dem sedimentäre, metamorphe und magmatische Gesteine entstehen können. Das sind nacheinander Kalkstein, Marmor und Karbonatit. Sie bilden sich in der Regel in hydrothermalen Gängen und Sedimentbecken. Als Eisen-, Mangan- und Zinkerze sind sie aufgrund ihrer Verwendung in der chemischen, metallurgischen und Zementindustrie von Bedeutung. Zu den Karbonatmineralen gehören Aragonit und Calcit CaCO3, Azurit Cu3(CO3)2(OH)2, Dolomit CaMg(CO3)2 und Magnesit MgCO3.