geologi

Jordens geologiske udvikling kan beskrives i en række kredsløb styret af de fysiske og kemiske processer, der udspiller sig ved jordoverfladen og i Jordens indre. Forløbet af de geologiske processer er især knyttet til tilstedeværelsen af vand og til den temperatur og det tryk, som processerne foregår under. Ved tolkningen af det geologiske dannelsesmiljø anvendes det aktualistiske princip, der bygger på, at ældre bjergartskomplekser er dannet gennem processer svarende til dem, der foregår i dag. Geologiske processer ved Jordens overflade drives af energi fra Solen, og de varierer således med det lokale klima, mens processer i de dybere dele bestemmes af de høje temperaturer og tryk inde i Jorden. Forståelsen af processer og dynamik i de geologiske kredsløb er tæt knyttet til pladetektonikken, hvor en særlig stor aktivitet er koncentreret omkring grænserne mellem de enkelte plader.

Bjergarter klassificeres ud fra deres mineralogiske sammensætning og tekstur, der igen afhænger af det geologiske miljø, som bjergarten er dannet under. På denne baggrund skelnes overordnet mellem suprakrustale bjergarter (sedimenter og vulkanske bjergarter) dannet nær Jordens overflade og infrakrustale bjergarter (metamorfe bjergarter og magmabjergarter) dannet i de dybere dele af Jordens skorpe og i kappen.

En geologisk undersøgelse har sin rod i feltobservationer, hvor de forskellige bjergarter og deres indbyrdes relationer beskrives. Observationerne sammenstilles i et geologisk kort, og der udtages eventuelt prøver til nærmere analyse i laboratoriet. Ved kortlægning af dybereliggende lag anvendes boringer og geofysiske metoder til at analysere bjergarternes udbredelse. I beskrivelsen af en geologisk problemkreds integreres feltobservationer og eventuelle laboratorieanalyser til en helhed.

Skorpen er den eneste af Jordens "skaller", der kan undersøges direkte; afhængigt af dens sammensætning skelner man mellem kontinentalskorpe og oceanbundsskorpe. Kontinentalskorpe er overvejende opbygget af granitiske bjergarter og deres omdannelsesprodukter; den er normalt 25-45 kilometer tyk, stigende til omkring 70 kilometer under de yngre bjergkæder. Kontinentalskorpen omfatter næsten alle landområder samt de omgivende lavvandede shelfområder ud til kontinentalskrænten mod oceanerne. Oceanbundsskorpe er 5-10 kilometer tyk, og den er helt domineret af magmabjergarter med basaltisk sammensætning. Oceanbundsskorpen er tyndest langs de midtoceaniske rygge, og tykkelsen stiger jævnt med afstanden fra ryggen. Op til 1 kilometer finkornede sedimenter bestående af ler og skeletrester af pelagiske mikroorganismer overlejrer den basaltiske skorpe.

Lithosfæren er opdelt i en række indbyrdes bevægelige plader, og dynamikken i jordskorpen er bestemt af disse pladers kontinuerte bevægelser. Jordskorpen er således hele tiden udsat for såvel strækning som sammenskydning; disse bevægelser betinger en kraftig koncentration af Jordens vulkaner og jordskælv langs pladernes rande.

Antallet af plader på Jordens overflade er ikke konstant inden for en geologisk tidshorisont. Således kan et kontinent brydes i stykker under strækning af lithosfæren; ved denne proces opstår dybtgående sprække- og forkastningszoner, der fører til dannelsen af nye aflejringsbassiner. Hvor brudzonerne skærer helt igennem den kontinentale skorpe, skabes der forbindelse til den underliggende kappe, således at sprækkerne kan fungere som kanaler for opstigende magma; der opstår herved et vulkanområde domineret af skjoldvulkaner (se vulkaner) eller plateaubasalter på overfladen. Fortsat strækning vil medføre en udtynding af skorpen, hvor mere og mere basaltisk magma vil størkne i brudzonen. Efter et endeligt brud vil den nydannede oceanbundsskorpe adskille to mindre kontinenter, der nu ligger på hver sin lithosfæreplade, adskilt af en midtoceanryg i spredningszonen.

Ved en sammenskydning af to plader vil den tungeste pladerand blive skudt ned under den lettere under dannelse af en dybgrav, og samtidig udvikles en bjergkæde langs den lette pladerand. Da kontinentalskorpe har en lavere massefylde end oceanbundsskorpe, vil kontinentalskorpe altid forblive ved overfladen i en sådan kollisionszone. Ved sammenskydningen foldes lag fra begge plader, og der kan forekomme en overskydning af store skorpefragmenter ind over kontinentet. Når den tunge oceanpladerand presses ned i kappen, foregår der en gradvis opsmeltning af bjergarterne, og under den videre udvikling vil magma stige op gennem skorpen. Ved overfladen kan denne proces resultere i en eksplosiv vulkanisme og opbygning af karakteristiske keglevulkaner.

Geologi er bygget op omkring en række klassiske discipliner. Stratigrafi beskæftiger sig med aldersrelationer imellem bjergarter og geologiske hændelsesforløb. Mineralogi behandler de komponenter, mineraler, der udgør bjergarternes bestanddele, mens petrografi beskriver bjergarternes mineralogiske sammensætning og tekstur. Denne beskrivelse danner baggrund for en tolkning af bjergarternes dannelsesforhold, der behandles under petrologi. Under strukturgeologi og tektonik beskrives og analyseres deformationsstrukturer, fx udformet i skorpen under pladernes bevægelse. Den petrologiske analyse af bjergarterne og de tilhørende processer opdeles i to overordnede emnekredse: Den eksogene geologi beskriver de sedimentære bjergarter og udviklingen ved jordoverfladen under fagområderne sedimentologi og dynamisk stratigrafi, der især beskæftiger sig med aflejringsbassiners udvikling. Hertil knytter sig palæontologi, der beskriver forekomsten af fossiler (forsteninger) og analyserer livets udviklingshistorie. Den endogene geologi omhandler de metamorfe bjergarter og magmabjergarterne sammen med udviklingen i den dybe skorpe og øvre kappe.

Stratigrafiens aldersrelationer er udtrykt i den geologiske tidsskala, hvis tidsangivelser grundlæggende er baseret på relative aldersbestemmelser ved hjælp af fossiler. En egentlig datering af mineraler og bjergarter foregår ved hjælp af en række fysisk-kemiske metoder.

Mineralogiens beskrivelse og identifikation af mineraler sker gennem en analyse af deres fysiske egenskaber, krystalform, optiske karakterer og kemiske sammensætning. Med hovedvægt på deres kemiske sammensætning og struktur kan alle verdens ca. 4000 kendte mineraler opdeles i ni hovedgrupper.

Strukturgeologi og tektonik beskæftiger sig med deformationsstrukturer og -processer. De væsentligste strukturelementer er forkastninger og folder, der begge kan forekomme i meget forskellige geologiske regimer. I forbindelse med lithosfærepladernes bevægelse vil belastningen i den øvre, relativt kolde og stive del af skorpen føre til brud langs forkastninger, mens jordskorpens varmere, nedre del vil deformeres plastisk; under en sammenpresning vil denne del af skorpen derfor være domineret af folder. I Danmark er folder og forkastninger forårsaget af istidens gletsjere desuden meget almindelige i de helt overfladenære lag.

Eksogene proceskredse og aflejringer. Nedbrydning, transport og aflejring beskriver de fundamentale geologiske processer knyttet til Jordens overflade. Processerne er bestemt af stedets klima og de tilstedeværende bjergarter. Nedbrydningen er en kombination af (mekanisk) erosion og (kemisk) forvitring, der hænger nøje sammen med jordbundsudviklingen og plantedækket, mens transport og aflejring især er bestemt af områdets relief og hydrologiske forhold. Balancen mellem nedbrydning og aflejring er bestemt af havniveauet og grundvandsspejlet. Grundlæggende sker der en nedbrydning af bjergarter over grundvandsniveau og en opbygning af nye bjergartskomplekser ved sedimentation i søer og i havet.

Sedimentologi omfatter beskrivelsen af klastiske, kemiske og biogene sedimenter. Fysiske erosionsprodukter i form af sten, grus, sand og ler mv. transporteres i vand, med vinden eller indlejret i en gletsjer, indtil de aflejres under opbygningen af et nyt bjergartskompleks af klastiske sedimenter, fx konglomerat, sandsten, lersten eller skifer. Hvor nedbrydningen omfatter en kemisk forvitring af overfladens bjergarter, transporteres de kemiske komponenter opløst i vand, indtil de udfældes under dannelse af kemiske sedimenter, fx stensalt, gips eller kalksten. Biogene sedimenter er domineret af skeletter eller skeletfragmenter, som det fx ses i skrivekridt og i koralkalken fra Fakse.

Dynamisk stratigrafi sammenfatter beskrivelsen af de sedimentære (og vulkanske) aflejringer i overordnede udviklingsforløb inden for det enkelte sedimentationsbassin. I sekvensstratigrafi beskrives den dynamiske sammenhæng mellem erosion og aflejring i forhold til ændringer i det relative havniveau (se havniveauændringer).

Palæontologi omfatter beskrivelse af forsteninger og analyse af fortidens plante- og dyreliv. Normalt er bløddele ikke bevaret, og fossile organismers systematik er derfor primært baseret på skeletmorfologi. Indholdet af fossiler op gennem den geologiske lagsøjle danner grundlaget for vort kendskab til den biologiske evolution. Fossiler kendes tilbage fra Tidlig Prækambrium (ca. 3,5 milliarder år før nu).

Endogene proceskredse og bjergarter. Processerne i Jordens skorpe er præget af stigende temperatur- og trykforhold med tiltagende dybde. Mineraler afsat ved Jordens overflade bliver ustabile, og der sker en omkrystallisation, når de gennem bassinindsynkning og bjergkædedannelse udsættes for de højere temperatur- og trykforhold. Under visse betingelser kan dette føre til opsmeltning af bjergarterne. Omvendt vil et magma, der trænger op i skorpen fra den underliggende kappe, blive afkølet og gennemgå en størkningsproces under udkrystallisation af nydannede mineraler.

Metamorfose beskriver den videregående omkrystallisation, som bjergarterne gennemgår i skorpen. Variation i tryk, temperatur og vandindhold fører til skiftende stabilitetsforhold karakteriseret af forskellige mineralselskaber. Regionalmetamorfose er knyttet til bjergkædedannelse; karakteristiske regionalmetamorfe bjergarter er glimmerskifer, marmor, gnejs og amfibolit. Kontaktmetamorfose betegner den omkrystallisation, der er knyttet til opvarmning af bjergarterne omkring en magmaintrusion.

Magmapetrologi analyserer udviklingen og størkningsforløbet i tilknytning til et magma. Der skelnes mellem plutoniske bjergarter (dybbjergarter) størknet på større dybde i skorpen og vulkanske bjergarter (dagbjergarter), der er størknet på overfladen. Størkningen er langsom i dybtliggende magmalegemer, hvor der dannes en mellem- til grovkornet dybbjergart (fx gabbro, granit). I tilførselsgangene til overfladen vil magmaet afkøles hurtigere, og der dannes mellem- til finkornede gange (fx basalt- eller diabasgange). Ved overfladen sker der en trykaflastning og afgasning, der fører til, at vulkanismen ofte indledes med udsendelse af gasser og aske. Den efterfølgende lava vil afkøles hurtigt og størkne, ofte under opbygning af en vulkan.

En række geologiske fagområder er sammensat af enkeltdiscipliner bygget op omkring en tidsperiode, en proceskreds eller en arbejdsmetode, eller udviklet på grund af den økonomiske betydning og samfundsrelevans. Nedenfor gives en række eksempler:

Glacialgeologi beskriver den geologiske udvikling, der er knyttet til iskappen og gletsjeraktivitet i et nediset område. Betegnelsen anvendes ofte synonymt med Kvartærgeologi, der specielt behandler udviklingen i Kvartærperioden, hvor større dele af Jorden var dækket af iskapper.

Resursegeologi eller økonomisk geologi beskæftiger sig med prospektering og udvinding af råstoffer. Det drejer sig om bjergarter til jordforbedring (kalk og mergel), byggematerialer (ler, sand, grus, kalk, marmor, basalt), fyldmateriale ved produktion af bl.a. papir og gummi (kalk), malme til udvinding af metaller samt energiråstoffer (gas, olie, varmt grundvand, kul, uran). Geologiske fagområder i tilknytning hertil er malmgeologi, oliegeologi og kulgeologi. Prospektering efter sjældne grundstoffer er intensiveret i takt med materialeudviklingen til rumfartsindustrien, it-området og til superledere.

Hydrogeologi kortlægger grundvandets udbredelse og dets bevægelser og kemiske sammensætning. Hydrogeologisk information kan sikre rent grundvand og anvise afværgeforanstaltninger ved fare for grundvandsforurening.

Miljøgeologi indgår i arealanvendelsen og landskabsplanlægningen og beskæftiger sig med at sikre samfundets adgang til rent grundvand og råstoffer; faget indgår tillige i forureningsbekæmpelse og anvisning af egnede områder til affaldsdeponering.

Teknisk geologi analyserer bjergarternes bæreevne og øvrige forhold af betydning for fundering og større konstruktionsarbejder, fx bro- og tunnelbyggeri.

Danskeren Niels Stensen eller Nicolaus Steno må betragtes som den moderne geologis grundlægger, idet han i 1669 publicerede nogle af de mest basale stratigrafiske principper, erkendte krystallernes vinkelkonstans samt dokumenterede fossilers biologiske oprindelse. Under indtryk af den fundamentalistiske holdning inden for de kirkelige kredse var de næste trin frem mod vore dages forståelse imidlertid meget forsigtige, specielt med hensyn til tidsaspektet og fossilernes betydning. De meget korte tidsspand indbygget i Det Gamle Testamentes skabelsesberetninger var helt uforenelige med de forestillinger, man nødvendigvis måtte få ved fx at sammenligne de årlige aflejringer af sand i en sø med de kilometertykke aflejringer af sandsten, man allerede dengang kendte. Uafhængigt af dette dilemma var den stratigrafiske tidsskala i det store og hele afklaret ved midten af 1800-tallet, baseret udelukkende på relative aldre og korrelation. Tidligt i 1900-tallet betød opdagelsen af de radioaktive grundstoffer, at man endelig fik adgang til et tidskonstant "ur", og i slutningen af 1900-tallet har den radiometriske datering af bjergarter og mineraler nået en meget høj grad af præcision.

Udviklingen inden for de forskellige geologiske discipliner er for det meste foregået ret isoleret fra hinanden. Først med pladetektonikkens gennembrud omkring 1970 opnåede geologien den forståelsesramme, der overbevisende knytter alle fagets facetter sammen.

Geologisk grundforskning samt kandidat- og ph.d.-uddannelse finder sted på de geologiske institutter ved universiteterne i København og Århus. I tilknytning til ingeniøruddannelserne tilbydes geologiske kurser i teknisk geologi (geoteknik, hydrogeologi, olie- og gasudvinding) ved Ingeniørhøjskolen i Horsens og Danmarks Tekniske Universitet i Lyngby, der også udfører forskning på området.

GEUS – De Nationale Geologiske Undersøgelser for Danmark og Grønland er en geologisk forsknings- og rådgivningsinstitution under Klima-,Energi- og Bygningsministeriet, der varetager den geologiske kortlægning af overfladen og undergrunden, geologisk rådgivning samt analyse af grundvandsforekomster og andre geologiske råstoffer (malme, kalk, grus, sand, ler mv.).

Administrationen af råstof- og miljølovene varetages af kommuner og statslige styrelser. Geologiske undersøgelser i tilknytning til anlægsarbejder, forureningskortlægning mv. udføres af en række private konsulent- og ingeniørfirmaer med Geoteknisk Institut i spidsen. Efterforskning og udvinding af olie og gas foretages af en række danske og udenlandske olieselskaber og konsortier, hvor Mærsk Olie og Gas A/S er den største operatør på dansk område. Energistyrelsen under Miljø- og Energiministeriet fører tilsyn med koncessionerne.