Geological Star Trek Review – “Encounter at Farpoint”

“Encounter at Farpoint” is the pilot episode and series premiere of the American science-fiction television series Star Trek: The Next Generation (TNG), which premiered on September 28, 1987. In Star Trek: The Original Series, almost 43 minerals are mentioned and also in TNG minerals play a role. Various adventures of the new USS Enterprise-D happen as the spaceship is checking on mining colonies or retrieving minerals and ore.

Captain Jean-Luc Picard kept a small transparent crystal on the desk in his ready room aboard the Enterprise. He often played with the crystal when he had to make an important decision, like seen in the episode “Conspiracy”, “Where Silence Has Lease”, “Suddenly Human”, “A Matter of Time”, “The Masterpiece Society” and more. His first officer, William T. Riker, also did so on occasion (“Gambit, Part I”).

Jean-Luc Picard’s favourite crystal.

In the year 2364, the newest flagship of the United Federation of Planets, Starfleet’s USS Enterprise, travels to the planet Deneb IV for its maiden voyage. Deneb IV (or Alpha Cygni IV) is a Class M planet according to the classification system adopted in the Star Trek universe. The classification system is based on size (gas giants or small, rocky worlds), composition (rock-metal core or gas), geological activity (inactive- active), atmosphere (from oxygen-rich to toxic) and comprises fourteen planet types. For example, planets suitable for humanoid lifeforms, small, rocky worlds with some geological activity and an oxygen-rich atmosphere, are classified as M after Minshara, the native name of Vulcan, homeworld of Commander Spock. Deneb IV is also tectonically active as the mention of geothermal energy suggests.

The natives of Deneb IV, the Bandi people, offer a highly advanced base on the planet’s surface- Farpoint Station – to be used by Starfleet. As the crew of the Enterprise visits the station, they soon discover that the entire building is actually an alien lifeform, able to convert the geothermal energy in matter and structures of the station.

The transformation of energy into solid matter plays a role in the replicator units and holodecks of the Enterprise, but most important is the property of Radan to control energy. In the Star Trek universe this mineral is not only a rare and valued gemstone, but it is used in its purest and crystalline form – dilithium -in matter-antimatter reactors powering spaceships as its (supposedly) cubic crystal structure can somehow control the flow of antimatter. This science-fiction property of the crystalline dilithium may be not so far-fetched. Some real crystals, such as calcite, can filter or distort certain wavelengths of light, a form of energy.

References:

  • De FOURESTIER, J. (2005): The Mineralogy of Star Trek. Axis, Vol.1(3): 1-24
  • De FOURESTIER, J. (2016): The mineralogy of Star Trek: the next series. Axis, Vol.12(1): 1-24
  • NOOR, M.A.F. (2018): Live Long and Evolve – What Star Trek Can Teach Us about Evolution. Princeton University Press: 208
  • STEVENSON, D.S. (2018): Granite Skyscrapers – How Rocks Shaped Earth And Other Worlds. Springer: 386

How to Identify Feldspar in the Field

Feldspars are by far the most common minerals, constituting nearly 60% of all terrestrial rocks. They are important in both magmatic (formed by crystallization from molten magma) and metamorphic rocks (formed by alteration of older rocks by heat and pressure over time). It’s only in sedimentary rocks that feldspars are relatively rare, as the crystals easily break (having a perfect cleavage) and tend to decay and erode in contact with water.

Feldspar is a name that comprises a series of aluminosilicate minerals with three end members: orthoclase (potassium feldspar K[AlSi3O8]), albite (sodium feldspar Na[AlSi3O8]) and anorthite (calcium feldspar CaAl2Si2O8). Albite and anorthite form a completely miscible series called plagioclase. Albite and orthoclase can form a complete miscible series at higher temperatures.

As there is miscibility between the various members of the feldspar group, exact feldspar identification in the field, without chemical analysis, can be difficult (to impossible).

Orthoclase is a common constituent of most granites and other felsic igneous rocks and often forms huge crystals and masses in pegmatite. Euhedral crystals are commonly elongate with a tabular appearance, colorless to white in appearance; however, traces of iron-oxides can cause greenish, greyish-yellow or reddish-pink coloration. Orthoclase often displays Carlsbad twinning and light is reflected differently by the crystal faces of the two intergrown crystals. Luster is vitreous to pearly.

1-6 cm large orthoclase (K-feldspar) in the Terlaner ryhodacitic porphyry (a subvolcanic rock). The crystal displays characteristic Carlsbad twinning and secondary reddish coloration by iron-oxides.

Plagioclase is the most important feldspar in basaltic magmatic rocks. On fresh surfaces colorless to whitish, on eroded surfaces often colored greenish-yellowish by traces of decomposing sericite, chlorite and epidote (however, reddish coloration by iron-oxides also possible). Virtually identical to orthoclase when fresh, shows less well developed twinning (polysynthetic twinning with lamellar crystals intergrowth, visibile only on microscopic scale) and generally forms smaller crystals. In granitoid rocks, plagioclase is composed mostly of albite (70 to 50%), in basaltic rocks (like diorite, gabbros and basalt), with an abundance of calcium, anorthite prevails with 60 to 90%.

Auer Formation, former pyroclastic flows deposits, with a matrix of sanidine (potassium feldspar) crystals, reddish-pink plagioclase crystals and quartz.

Feldspar has a relatively high mineral hardness of 6 after Mohs and can barely be scratched with the blade of a pocket knife or geological hammer. In metamorphic rocks, like orthogneiss (metamorphic granitoid rocks), it can form characteristic porphyroclasts, harder mineral grains surrounded by a groundmass of finer grained crystals, referred to colloquially as “Augen” (=eyes).

Reiner Orthogneis, Altkristallin, Rein in Taufers.

Weathered alkali-feldspar (orthoclase-albite series) will decay to white, crumbly argillaceous minerals, like kaolinite. Plagioclase decays to argillaceous minerals or fine-grained aggregates of colourless to grey sericite (mica variety).

Literature:

  • AVANZINI et al. (2007): Erläuterungen zur Geologischen Karte von Italien Im Maßstab 1:50.000 Blatt 026 Eppan. APAT/Autonome Provinz Bozen Amt für Geologie und Baustoffprüfung
  • MARETSCH, W.; SCHERTL, H.-P. & MEDENBACH, O. (2016): Gesteine – Systematik, Bestimmung, Entstehung. Schweizerbart Verlag: 368
  • MEYER, J. (2017): Gesteine der Schweiz – Der Feldführer. Haupt Verlag: 444
  • MEYER, J. (2017): Gesteine einfach bestimmen – Der Bestimmungsschlüssel. Haupt Verlag: 140

Wie kommt der Dolomit in die Dolomiten?

„Aber auch noch für anderes, Größeres sind die Dolomiten ein Wahrzeichen, so schön, wie man es nicht leicht wieder findet: für geologische Vergangenheit. In besonderer Klarheit liegt hier der geologische Bau zutage. Auch dem Fernerstehenden vermag das Bild eine Welt in Erinnerung zu bringen, von der man im gewöhnlichen Leben keine Ahnung hat, die Gedanken zurückzuführen in Zeiten und Verhältnisse, die jenseits aller Vorstellung des Alltags liegen.”

Bau und Bild der Südtiroler Dolomiten, von R.v. Klebelsberg, Zeitschrift des Deutschen und Österreichischen Alpenvereins Bd. 57 (1926)

Die Landschaft der Dolomiten wird durch eine Mineral- bzw. Gesteinsart geprägt, die die “Bleichen Berge” auch ihren Namen verdanken: Dolomit. Die charakteristischen Steilwände einige der bekanntesten Gipfel in den Dolomiten werden von der Hauptdolomit-Formation gebildet – 1876 in die Alpenstratigrafie eingeführt. Es handelt sich dabei um eine bis zu 1.000 Meter mächtige zyklische Abfolge von Dolomitgesteinbänke, die im Flachwasserbereich einer ausgedehnten Karbonatplattform des ehemaligen Tethys-Meer abgelagert wurden.

Hauptdolomit am Heiligkreuzkofel.

Es mag überraschen, dass die Genese dieses Gesteins noch heute nicht völlig geklärt ist. Der italienische Bergbauingenieur Giovanni Arduino, einer der ersten Gelehrten der Dolomit chemisch untersuchte, vermutete in 1779, dass Dolomit durch die Umwandlung von normalem Kalkgestein durch Magma entstanden ist. Eine Hypothese, die bis zum 19. Jahrhundert sehr beliebt war. Tatsächlich finden sich in den Dolomiten zahlreiche vulkanische Ablagerungen und Intrusionen – allerdings nicht immer in Kontakt mit Dolomitgestein.

Geologischer Schnitt durch die Tiroler Alpen. Die Sedimentschichten werden hier durch magmatische Basalt- und Porphyrintrusionen verkippt und verstellt. Zeichnung der amerikanischen Illustratorin Orra White Hitchcock (1796-1863) nach dem deutschen Geologen Leopold von Buch (1774-1853).

Eine ähnliche Arbeitshypothese vermutet eine chemische Reaktion zwischen Kalkformationen und Magnesium-gesättigte Lösungen, was zur Bildung von sekundären Dolomitgestein führt.

Viele Dolomitformationen in den Dolomiten (wie der Hauptdolomit) weisen fossile Verkarstungserscheinungen auf. Anscheinend tauchten sie nach ihrer Ablagerung als Kalkgestein eine Zeitlang über den Meeresspiegel auf. Es kam zu einer Mischung zwischen Süß- und Magnesiumhaltigen Grundwasser. Das chemische Ungleichgewicht führte dann zum Dolomitisierungsprozess. Diese Hypothese könnte auch erklären, warum einige Gipfel, wie die Marmolada und Latemar, noch aus den ursprünglich abgelagerten Kalkgestein bestehen. Anscheinend kam es hier nie zum Dolomitisierungsprozess, vielleicht weil wasserundurchlässige Gesteine das Eindringen von Niederschlag- und Grundwasser verhinderten.

Satteldolomit – Dolomit-Kristalle die durch Magnesium-gesättigte Lösungen gebildet werden.

Der amerikanische Geologe James Dwight Dana (1813-1895) bemerkte während einer Forschungsreise in den Südpazifik, dass Dolomit in trocken gefallenen Korallenstöcke gefunden werden kann. Eine wichtige Beobachtung, die zeigte, dass Dolomit unter normalen Temperaturen und direkt aus Meerwasser ausgefällt werden kann. Der russische Mikrobiologe Georgi A. Nadson veröffentlichte 1903 eine Studie über die Ausfällung von primären Dolomit aus Meerwasser durch Bakterien.

Grundsätzlich gibt es drei Arten der Karbonatfällung aus Meerwasser – abiotisch, biologisch kontrolliert und biologisch induziert. Abiotische Fällung erfolgt nach rein chemischen Prozessen. Organismen, die aus dem Meerwasser aktiv Karbonat fällen, waren und sind v.a. Kalkalgen, Schwämme, Korallen und Mollusken. Biologisch induziert Karbonatfällung nimmt eine Art Zwischenstellung ein. Hier verursachen Mikroorganismen Veränderungen in der Wasserchemie, was dann zur Ausfällung von Karbonat aus dem Meerwasser führt. Ablagerungen in Poren ist ein Beispiel für abiotische Karbonatproduktion, die Skelette von Korallen und Algen ein Beispiel für biologische Karbonatproduktion. Mikrobenmatten, wie sie oft in Gezeitenzonen gefunden werden, führen mittels biologisch induzierter Karbonatausfällung zur Ablagerung von Karbonatkrusten.

Kalkooide die durch abiotische Ausfällung von Karbonat um einen Kristallisationskeim entstehen.

Die Hauptdolomit-Formation wird nicht nur aus Meter-mächtigen Bänken aufgebaut, sondern zeigt auch eine unregelmäßige, fein laminierte Schichtung. Vergleiche mit modernen, ähnlichen Ablagerungsbereichen – z. B. die Karbonatplattform der Bahamas – lassen darauf schließen, dass es sich um fossile Bakterienmatten handelt.

Lamination der Hauptdolomit-Formation.

Bakterien und Algen spielten vermutlich eine wichtige Rolle in der Bildung des Hauptdolomits. In modernen Ablagerungsräumen ist Dolomit trotz mikrobieller Aktivität auf einige wenige, salzige Lagunen beschränkt. Während der Ablagerung des Hauptdolomits in der Tethys vor über 200 Millionen Jahre, herrschten anscheinend besondere Bedingungen, die zunächst die Ausfällung von Kristallen aus Magnesiumhaltigen Aragonit (Ca[CO3]+Mg) aus dem Meerwasser begünstigten. Durch die Aktivität von Mikroorganismen reicherte sich Magnesium im Karbonatschlamm an und der Mg-Aragonit wandelte sich schließlich in reines Calcium-Magnesium-Carbonat – CaMg[CO3]2 oder Dolomit – um.

Ein Großteil des Dolomits in den Dolomiten wird heutzutage als eine Mischung von sekundär gebildeten Dolomitgestein und primären Dolomit erklärt, wobei der primäre Dolomit durch biologisch induzierte und abiotischer Ausfällung entstanden ist.

Literatur:

The Origin of ‘Geology’

Curiously enough the first time the word geology appears in written form, is in the last will of an Italian naturalist in 1603.

“La giologia”, the first use of the word geology in Ulisse Aldrovandi’s last will.

In the 17th century, noblemen began collecting natural objects in their cabinets and private museums. The displayed natural oddities and specimens were mostly acquired by chance from lucky discoverers. It was only later that naturalists started to go in the field, even if such an activity was considered more a necessity to gather more specimens than a means to explore the natural world.

Swiss professor of philosophy Horace-Bénédict de Saussure (1740-1799) was one of the first to propose that naturalists should not only collect specimens, but also take observations and exact measurements in the field. Naturalists or natural philosophers were names given to well-educated people interested and dedicated to the slowly emerging fields of “natural history” and “natural philosophy.” Natural philosophy was interested in all observable phenomena in nature, from the physiological reaction of the body on the summit of Mount Blanc (climbed by de Saussure in 1787) to the rocks composing the mountain. Natural philosophy itself later became divided into three sub-disciplines: zoology (the collection of animals), botany (the collection of plants) and mineralogy (the collection of minerals and rocks, including fossils). The collection of rocks, minerals and fossils only slowly evolved in a science studying rocks, minerals and fossils.

In Germany, leading in mining technologies at the time, “geognosie” (translated maybe as knowledge about the earth) evolved from geography. Mapping the distribution of rocks on the surface, geognosts projected the rock formations also into the underground. This science was referred to as “mineralogical geography” or “géographie souterraine.” May the Italian name “anatomia della terra” – anatomy of the earth – best describe the goals of this new science. Geognosie was a practical science, less interested in formulating theories. You may say geognosie would describe of which rocks a mountain is made of, but it couldn’t explain how a mountain formed.

In 1778, French naturalist Georges-Louis Leclerc de Buffon argued in his Nature’s Epochs the need to create a geotheory to understand the evolution and structure of earth. In that same year, the term geology was introduced (hesitantly) in the literature by Swiss naturalist Jean-Andre de Luc in his Letters on Mountains:

“I mean here by cosmology only the knowledge of the earth, and not that of the universe. In this sense, “geology” would have been the correct word, but I dare not adopt it, because it is not in common use.”

Despite de Luc’s concerns, geology became synonymous with the proposed theory of earth, as a part of cosmology dedicated to the description and explanation of earth and its relationship with animals, plants and humans.

“In now addressing my brother -geologists – and under this term I would comprehend all who take an interest in the progress of a science whose problems are inseparably interwoven with the whole study of nature – I have been influenced by the conviction that it is good for us, as workers in the same field, occasionally to pause and question ourselves as to the ultimate bearing of our investigations.”

David Page (1863): The Philosophy of Geology.

However, the word geology itself has much older roots. In his last will written in 1603, the Italian Renaissance naturalist Ulisse Aldrovandi (1522-1605) introduced the term “giologia” to refer to the study of “fossilia” – the unearthed things. The new science “giologia,” so Aldrovandi’s hope, would study the origin of rocks, minerals, petrified organisms (Aldrovandi recognized some fossils as once living things) and the layers of earth.

Geologische Wanderung: Das Knuttental bei Rein

“Welches Vergnügen, welche Wonne gewährt es doch dem Geiste, die ungheuren Bergmassen zu bewundern und das Haupt bis in den Wolken zu erheben! … Welches Verrgnügen kann wohl in dieser Welt so hoch, so wertvoll, so vollkommen sein wie das Bergsteigen?”

Conrad Gesner, 1541.

“Das Tauernfenster ist das Schreckgespenst der Antinappisten. Aller derer, die das Tauernfenster als Phantasie der Nappisten betrachten, im Sinne der Ultranappisten … Ultranappisten ist vor allem P. Termier, der Entdecker des Tauernfensters. Ultranappisten ist also auch E. Suess … Ultranappisten sind alle, die das Tauernfenster im Sinne P. Termiers sehen.”

Wiener Professor L. Kober “Bau und Entstehung der Alpen” 1955.

Das Knuttental verläuft von Rein, auf 1.600 Metern Seehöhe gelegen, nach Nordosten bis zum Klammljoch auf 2.300 Metern Höhe. Südlich von Rein erheben sich die vergletscherten Berge des weiß-grauen Rieserferner-Tonalit, ein magmatisches Gestein das vor dreißig Millionen Jahre in das Ostalpine Kristallin eingedrungen ist. Das Dorf Rein selbst steht auf metamorphen Gesteinen des Altkristallins. Der lokale Orthogneis, in den deutlich größere Feldspat-Ovale (“Augen”) auftreten, wird als Rein/Sand in Taufers Gneis zusammengefasst.

Reiner Orthogneis, Altkristallin, Rein in Taufers.
Blick von der Durraalm über dunkle Grate aus Glimmerschiefer und Paragneise zum Rieserferner Tonalit mit dem Schneebiger Nock.

Bei einer Wanderung von Rein aus ins Knuttental durchquert man zunächst Paragneise und Glimmerschiefer des Altkristallins, um bei der Knuttenalm (1.911 Meter) in die Matreier Zone zu gelangen. Die Matreier Zone ist ein schmaler Gesteinsstreifen am Südrand des Tauernfensters, mit einer Abfolge von hellen und dunklen Phylliten, Kalkglimmerschiefern, Quarziten, Kalke und Dolomite. Genau genommen ist die Matreier Zone eine Mélange aus ostalpinen Schuppen (meist Permotrias-Sedimente wie Marmor, Gips und Quarzit), penninischen mesozoischen Sedimenten (Kalkglimmerschiefer und kalkfreier Schiefer), sowie Linsen ozeanischer Kruste (Grünschiefer, Serpentinit), im strukturell höchsten Teil des Tauernfensters. In der Kreidezeit entwickelte sich eine Subduktionszone am südlichen Rand des Penninischen Ozeans. Aufgrund der akriven Tektonik brachen immer wieder Schollen vom Kontinentalabhang (Ostalpin), die einsedimentierten. Zeitgleich wurden Teile subduzierter ozeanischer Kruste aufgeschuppt.

Geologische Karte (Kartenblatt Welsberg) des Knuttentales. pgn: Paragneis und Glimmerschiefer; mf: Glimmerschiefer und Phyllite (Durreck-Kristallin) Td: Dolomit- und Kalksteinmarmor (Trias) der Matreier Zone; Cs: Kalkglimmerschiefer der Glockner Decke (Tauernfenster).
Blick zur Knuttenalm mit Bündnerschiefer (Kalk-, Ton-, Glimmer- oder Kalkglimmerschiefern) der Glockner Decke im Hintergrund.
Stark zerscherter Dolomit- und Kalksteinmarmor (Trias) der Matreier Zone, direkt bei der Knuttenalm.
Deutscher Kranzenzian (Gentianella germanica). Er besiedelt Magerrasen, Flachmoore, Wiesen, Matten, Triften und Schafweiden in Höhenlagen bis zu 2.600 Metern. Er gedeiht am besten auf lehmigen, kalkreichen Böden. Im Knuttental fördert die wechselhafte Geologie auch eine diverse Flora.

Literatur:

  • KRAINER, K. (2015): Nationalpark Hohe Tauern Geologie. Carinthia Verlag: 200