Geologi: Læren om jordens opprinnelse, oppbygging og forandring

Begrepet geologi stammer fra de greske ordene geo som betyr jord og logi som betyr lære. Læren har utviklet seg gjennom interessen for å utforske jordens oppbygning og fysiske utvikling. Studiene av dagens bergarter gir nøkkelen til å forstå fortidens utvikling av jordskorpa. Spesielt har planters forhistorie blitt viet stor oppmerksomhet, men også de økonomisk interessene for metaller, kull og olje. Geologi er en del av geovitenskapen, og vitenskapelig geologi oppsto først ved overgangen til 1800-tallet. Geologi leverer også viktig delkunnskap til fysisk geografi. Det sentrale i geologien er studiet av hvordan jordens indre krefter (jordskjelv, vulkanisme) bygger jordskorpen opp, og hvordan jordens ytre krefter (vann, is, vind) bryter jordskorpen ned.

Skotten Charles Lyell (1830) grunnla stratigrafien som postulerer at de geologiske prosessene har avsatt biologiske rester og bergarter lagvis gjennom svært lang tid. Senere i samme århundre ble studiet av fossiler satt inn i en evolusjonær sammenheng hvor de og bergartene gjensidig daterer hverandre, og oppdagingene til Lyell og andre geologer inspirerte Charles Darwin sterkt. Dette brakte geologien i berøring med paleontologien, læren om tidligere tiders dyreliv. Geologien og paleontologien har vakt erkjennelsen om at de geologiske kreftene danner og omdanner de fysiske betingelsene som livet på jorda tilpasser seg. I etterkrigstiden ga landevinninger innen uorganisk kjemi geologene redskaper til å bestemme bergarters alder og sammensetning mer nøyaktig. Den kanskje største landevinningen innenfor geologien var likevel platetektonikken på 1960-tallet.

Geologifaget studerer hvordan indre og ytre geologiske krefter og elementpåvirkning på Jorda, hva man tidligere ofte kalte «det geologiske maskineriet», flytter og endrer på jord og steinmasser eller «det geologiske byggematerialet». De ytre geologiske kreftene er varmeenergien fra solen, som skaper vind, nedbør, is og elver som i sin tur fører til bergartsdannelse. Både vind og vann kan stå for graving (erosjon), transport av fine partikler, og avsetning av disse på et nytt sted (sedimentering). I det alt vesentlige vil disse kreftene svært sakte grave eller slite bort stadig mer av fjell og jordsmonn og avsette dette som sedimenter, som i sin tur påvirkes av vekt, trykk og varme slik at de blir kittet sammen (såkalt diagenese) til sedimentære bergarter. Eksempelvis blir sandkorn gjerne til sandstein, finere slam og leire kan bli til skifer. I sjøer og hav kan også dyreliv, plankton og skjell synke til bunns og presses sammen til kalkstein, gjerne lagvis sammen med sandstein eller skifer ettersom avsetningen av dyreliv øker og minsker. I nordlige strøk vil frostsprengning hjelpe til med å bryte opp fjellet i mindre blokker, som etter hvert utsettes for ytterligere ytre krefter og transporteres bort. Og endelig kan isbreer skyve foran seg store masser og avsette morener eller eskere av stein og grus. Materialforflytningen følger som regel tyngdekraften og avsetter sedimentene lavere enn utgangspunktet, for eksempel i et elveleie eller helt ute i havet. Selv de høyeste fjellmasser vil til slutt slites helt ned og bli til et nesten flatt «peneplan». For at et slikt peneplan igjen skal kunne heve seg eller bli åsted for fjelldannelse, må det utsettes for indre geologiske krefter. Himalaya og Alpene er eksempel på fjelldannelse gjennom platekollisjon, mens Langfjella som i dag preger Norge ble dannet ved landhevning basert på andre indre krefter, og Yellowstone-området er hevet av et vulkansk magmakammer.

De indre geologiske kreftene er varmeutviklingen og massebevegelsene i Jordas indre, som skaper platebevegelser, jordskjelv og vulkanisme. Platebevegelser vil føre til kollisjoner hvor en plate bøyes ned (synklinal), mens den motstående platen bøyes opp (antiklinal). Kollisjon mellom to plater gir oftest en fjellkjededannelse (orogenese), og dersom jordskorpen bøyes ned under havbunnsskorpen vil havbunns-bergarter foldes opp og danne en fjellkjede på land, som under den kaledonske fjellkjedefoldingen. Fjellfjededannelse vil oftest ledsages av foldinger av bergartene, hvor de kan foldes så mye at to horisontale lag bytter plass og det eldre lag havner over det yngre. Forholdet mellom jordskjelv og vulkanisme er komplisert, vulkanisme vil ofte følges av mindre jordskjelv, men de største jordskjelvene oppstår ved større plateforskyvninger, som skaper sprekker og forkastninger. Jordas indre varme og magnetisme skaper bevegelser i den flytende magmaen, som kjøles ned og størkner hvis den flyter opp mot overflaten. Størkning ved 600-1200 °C med blanding av mineraler skaper magmatiske bergarter (også kalt eruptive bergarter) eller størkningsbergarter, som kan finne sin form enten i dypet før de når overflaten (dypbergarter) eller oppe i dagen etter at de forlater den vulkanske kilden (dagbergarter). Eksempel på dypbergarter er kvartsitt og granitt, eksempel på dagbergarter er porfyr, tuff og basalt. EN vanlig bergart som størkner i havskorpen, er gabbro. Hvis en dypbergart trenger seg oppover i sprekker i jordskorpen og størkner der, skapes en intrusiv gangbergart.

Bergarter oppe i dagen kan også synke ned i dypet gjennom fjellfolding, jordskorpebøyning eller vekten av sedimenter - trykk og varme (200-800 °C) nede i dypet kan da omdanne dem til nye, såkalt metamorfe bergarter. Eksempelvis kan sandstein bli til kvartsitt eller flint, leirskifer kan krystalliseres til fyllitt eller glimmerskifer, mens kalkstein kan omdannes til marmor. Påvirkningen og kreftene i dypet kan være så sterke at den dannes blandingsbergarter - migmatitt, og dypt nede kan man se dannelse av krystallinske skifere, eller tydelig lagdelt gneis.

De prosesser som oppsummeres ovenfor, studeres gjerne særskilt hvor den enkelte geolog spesialiserer seg om et eller noen få av de geologiske fenomenene. Geologien deles opp i en rekke fagfelt, som kan inndeles kronologisk etter når de ble oppdaget omtrent slik, og i parentes hva fagfeltene studerer eller avdekker:

• petrologi (bergartslære) og petrografi (bergarters utbredelse)
• strukturgeologi (bergarters vertikale utbredelse)
• mineralogi (mineralenes egenskaper)
• paleontologi (forhistorisk liv)
• stratigrafi (bergartenes lagdeling)
• geomorfologi (landformenes dannelse og utvikling)
• hydrogeologi og hydrologi (studier av elver og grunnvann)
• vulkangeologi og vulkanologi
• kosmologi inklusive studiet av meteoritter
• kvartærgeologi (nyeste perioders geologi)
• sedimentologi (elver og breers partikkelavsetning)
• platetektonikk og platedrift (jordplatebevegelser)
• meteorologi (vær og vind)
• petroleumsgeologi (dannelse og forekomst av olje og gass)
• glasiologi (bre- og skredlære)

Geologer bruker sin kunnskap ved arealplanlegging, samfunns- og transportplanlegging, lokalisering av demninger og andre større anlegg, ved leting og gruvedrift på kull, mineraler og edelstener, og ikke minst ved leting og utvinning av olje og gass. Videre kan geologien (stratigrafi) anvendes til å aldersbestemme vertikale lag, for eksempel ved biologers funn av fossiler eller biologisk materiale, ved arkeologers funn av kulturelle levninger, eller som støtte for kriminalteknisk undersøkelse. Geologien leverer delkunnskap til fysisk geografi.

I Oldtidens Hellas syslet tenkere med noen grunnleggende geologiske teorier om jordens opprinnelse - Aristoteles så hvor langsomme geologiske endringer var. Hans etterfølger ved Lyceum, filosofen Theofrastos (372-287 f.Kr.), gjorde seg mest bemerket med sitt arbeid peri lithon («Om steiner»), som forble det klassiske læreverket helt til Opplysningstiden. Han beskrev mange mineraler, ertser, ulike typer marmor og kalkstein, og forsøkte å gruppere mineraler utfra hardhet. I romertiden lagde Plinius den eldre en oversikt over mange mineraler og metaller og beskrev rav som et fossil fra furutrær. Han var også inne på krystallografi ved å oppdage den oktaedriske strukturen i diamanter. Abu Rayhan Biruni (973-1048 e. Kr.) var en av de tidligste muslimske geologer, og ga de første beskrivelsene av de geologiske forholdene i India. I Kina formulerte renessansemannen Shen Kuo (1031-1095) en hypotese om landdannelse eller geomorfologi: Etter observasjon av fossile skjeletter i et geologisk stratum i et fjell flere hundre mil fra havet, antydet han at landet var dannet ved landheving, erosjon og avsetning (sedimentasjon) av silt fra elver. Han fant marine fossiler funnet i Taihangfjellene som ligger flere hundre mil fra Stillehavet, og fossilt bambus i et tørt og ugjestmildt område i Shaanxi som satte han på tanken om klimaendring.

Legen Georg Agricola (1494–1555) skrev den første avhandlingen om gruve-drift og metallutvinning, De re metallica libri XII i 1556, med vedlegget Buch von den Lebewesen unter Tage. Han beskrev vindenergi, vannkraft, smelteovner, transport av erts, ekstraksjon av natrium, svovel og aluminium. Danske Niels Stensen (1638–1686) er kreditert med tre hovedprinsipper i stratigrafien – superposisjonsprinsippet, prinsippet om opprinnelig horisontalitet og prinsippet om lateral kontinuitet – teorier som tidligere møtte motstand fra kirken.

På 1600-tallet var geologien sterkt preget av teologi. Den norske presten Michel Pedersøn Escholt i 1657 verket Geologia Norvegica om jordskjelvets teoretiske og teologiske fundamenter, og omtalte blant annet grotter og hulrom, jordgasser og vulkaner. Og i 1696 publiserte briten William Whiston A New Theory of the Earth som «beviste» at Syndefloden hadde forekommet og dannet jordens bergartslag. Også tyskeren Abraham Werner viste til Syndefloden og foreslo at bergartslag, også basalt og granitt, ble utskilt fra havet i en teori kalt neptunisme.

Vulkanstudier, plutonisme og neptunisme

På 1700-tallet tegnet Jean-Étienne Guettard og Nicolas Desmarest franske geologiske kart og gjorde de første beskrivelser av vulkansk materiale i denne delen av Frankrike. William Smith (1769–1839) tegnet i Storbritannia noen av de første geologiske kartene og kartla bergartslag ved å studere fossilinnholdet. Ved siden av ham regnes James Hutton ofte som den første moderne geolog. I 1785 ga han ut Theory of the Earth via Royal Society of Edinburgh. Han mente jorden måtte være eldre enn tidligere antatt fordi fjellerosjon og sediment-avsetning tar tid. Hutton gikk særlig sterkt ut mot teoriene som bygget på Bibelhistorien om Syndefloden i geologidebatten. Hans plutonisme hevdet at vulkanske prosesser skapte bergartsdannelsen.

Gruveindustrien i det 18. århundre økte forsåelsen for stratigrafi. I 1741 ble det undervist i geologi ved National Museum of Natural History i Frankrike. I Norge stod Beergseminaret på Kongsberg lenge sentralt. Neptunisme og Plutonisme sto mot hverandre som konkurrerende teorier. I 1774 publiserte Abraham Gottlob Werner boken Von den äusserlichen Kennzeichen der Fossilien der han presenterte et system for å identifisere mineraler på grunnlag av visse karakteristika. Og i 1749 publiserte den franske naturalisten Georges-Louis Leclerc sin Histoire Naturelle der han angrep de kristne teoriene til blant annet Whiston. Ved sammenligning med avkjølende kuler konkluderte han at jordens alder ikke var 6,000 år som foreslått utfra Bibelen, men snarere 75 000 år.

Stratigrafi og evolusjonslære

Termen geologi ble introdusert av to naturalister fra Genève, Jean-Andre Deluc og Horace-Benedict de Saussure. Geologi ble også brukt i Encyclopedie i 1751 av Denis Diderot. I 1741 opprettet National Museum of Natural History i Frankrike den første lærerstilling innen geologi.

William Smith, Georges Cuvier og Alexander Broignart var foregangsmenn for fossilbasert stratigrafi. Etter utgivelsen av Cuvier og Broignarts bok Description Geologiques des Environs de Paris i 1811 økte interessen for denne nye læren. I 1833 kartla Adam Sedgwick bergarter som han tidfestet til kambrium. Samtidig foretok den banebrytende, skotske geologen Charles Lyell en inndeling av tertiærtiden basert på stratigrafiske studier i Skottland. Roderick Murchison kartla samtidig Wales der han tidfestet øvre deler av Sedgewick's kambrium til nedre deler av silurtiden.

Uniformitarisme-katastrofisme-debatten var grunnleggende for vitenskapen i det 19. århundre. Charles Lyell debatterte dette i Principles of Geology (1802) med nytt materiale fra England, Frankrike, Italia og Spania, og bygde opp under Hutton’s ideer om gradualisme. Lyell konkluderte som doktrine at prosesser foregår med samme hastighet i dag som i fortiden. Doktrinen om uniformitarisme ble med dette alminnelig akseptert. Charles Darwin hadde deltatt sammen med Sedgwick ved enkelte ekskursjoner i Wales. Han leste Lyell’s bok Principles of Geology og fattet stor interesse for uniformitarismen. Da Darwin i 1859 fremsatte sin evolusjonteori i boken The Origin of Species henviste han i stor utstrekning til Lyell.

Moderne geologi

På 1800-tallet ble jordens alder anslått til millioner av år, og ved overgangen til det 20. århundre ble alderen anslått til 2 milliarder år. Radiometrisk datering av mineraler og bergarter ga etter hvert mer nøyaktig datering. Den geologiske tidsskalaen ble dermed videreutviklet og stadig mer nøyaktig. I Norge var Baltazar Mathias Keilhau (1797-1858) pioneren ved Universitetet i Christiania, og foretok geologiske studiereiser i hele landet fra 1830-årene og utga hovedverket Gara Norvegica med geologiske kart over Oslofeltet (1838), Nord-Norge (1844) og Sør-Norge (1850).

Keilhau var den første urbane utforsker av Jotunheimen i 1920, men forfulgte imidlertid et neptunittisk blindspor da han foreslo at granittlagene i Oslo var sedimentære avsetninger. Her traff Theodor Kjerulf (1825-1888) bedre med oppdagelsen av metamorfe strukturer og isavsmeltingens betydning for blokk- og morenedannelse i Norge (1857). Året etter opprettet han Norges geologiske undersøkelse og utga etterhvert en rekke gode geologiske kart.

Teorier om kontinentaldrift ble presentert av Frank Bursley Taylor i 1908 og videreutviklet av Alfred Wegener i 1922, og oppsto på bakgrunn av det lange tidsperspektivet. Kontinentene var ifølge Wegener opprinnelig et sammenhengende landområde som han kalte Pangaea; Wegener mente at Pangaea på et tidspunkt sprakk opp og at kontinentene deretter drev som flåter over havbunnen. Wegner og Arthur Holmes mente at en del atskilte kontinenters kystkonturer, geologi og dyreliv ville passe påfallende godt sammen om de ble lagt inntil hverandre. Denne teorien ga også en forklaring på hvordan fjellkjedene hadde blitt dannet.

Dette ble ikke fullt anerkjent før på slutten av 1960-tallet, da teorien om platetektonikk ble lansert og det samtidig ble oppdaget at havbunn skapes vulkansk langs verdenshavenes midtrygger. Derimot fikk kroaten Andrija Mohorovicic større gjennomslag da han etter å ha studert jordskjelv i 1910 postulerte grensen mellom jordskorpa og mantelen. Så gjorde seismologien raske framskritt da tyskeren Beno Gutenberg i 1913 anslo kjernens radius utfra forplantning av jordskjelvbølger, mens danske Inge Lehmann i 1936 oppdaget at det fantes både en indre og en ytre kjerne.

Geologien i etterkrigstiden

På 1960-tallet skapte forståelsen av platetektonikk det kanskje største gjennombruddet innenfor geologien. Det ble nå mulig å forstå slike fenomener som vulkaners og fjellkjeders plassering, forkeomsten av jordskjelv, hvorfor havet er dypest nær land og hvorfor havbunnsskorpen er yngre, tynnere, og tyngre enn jordskorpen. Forståelsen av platebevegelsene forklarte de geofysiske sideveis bevegelsene av kontinentene og at tung havbunnsskorpe av gabbro, diabas og basalt er yngre enn lettere kontinentalskorpe av granitt, gneis, kalkstein og sandstein. Dette støttet hypotesene om havbunnsspredning og paleomagnetisme. Teorien om havbunnsspredning ble fremsatt av Robert S. Dietz og Harry H. Hess – de mente at ny havbunnsskorpe dannes når havbunner presses fra hverandre langs midthavsrygger. Canadieren John Tuzo Wilson fastslo at Iapetushavet («Atlanteren») hadde åpnet seg, og siden lukket seg i den kaledonske fjellkjedefoldingen. Siden fant man at kontinentene hadde støtt sammen og drevet fra hverandre utallige ganger gjennom jordhistorien. En slik syklus med havbunnsspredning og senere kollisjon kalles gjerne for en wilson-syklus etter nettopp geologen John Tuzo Wilson. Både Appalachene i USA og Kaledonidene i Europa består av felles havbunnsskorpe fra Iapetushavet som dekket kontinentene i kollisjonsfasen under den kaledonske fjellkjedefolding.

Paleomagnetisme er måling av orienteringen til jordens magnetfelt. Den britiske geofysikeren S. Runcorm foreslo konseptet om paleomagnetisme under henvisning til at kontinentene hadde beveget seg relativt til polområdene.

Klassifikasjonen av bergarter er av ny dato, størkningsbergartene ble eksempelvis først klassifisert på en konsistent måte av tyske Albert Streckeisen i 1973, hvor innholdet av fem mineralgrupper avgjør grupperingen i lyse, mørke og svært mørke dypbergarter eller vulkanske bergarter.

• Den 33dje verdenskongressen i geologi
• Geovitenskap
• Europas geologi
• Norges geologi
• Svalbards geologi
• Norges geologiske undersøkelse

• Utdanning.no sin yrkesbeskrivelse av geolog
• Artikler på Forskning.no om geofag
• NRK Skole med geologiklipp fra NRKs arkiver