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Geologisch stellt die Sierra Morena den Südrand der kastilischen Meseta dar; ihre abgerundeten Formen zeigen, dass sie in lang zurückliegenden geologischen Epochen entstanden sein muss. Seither konnte die Erosion ihre abflachende und glättende Wirkung entfalten. Sie entstand vor etwa 350-250 Millionen Jahren, in der sogenannten herzynisch-variskischen Gebirgsbildungsphase.
Entsprechend ihrer Entstehungszeit ist die Sierra Morena vorwiegend aus präkambrischem und paläozoischem, also in der Erdfrühzeit und im Erdaltertum entstandenen Gesteinen aufgebaut. Dieses Gestein ist zum Teil metamorph; das heißt, es hat sich im Laufe der Erdgeschichte verändert. In der Sierra Morena kommen hauptsächlich Schiefer und Gneis vor. An einigen Stellen finden wir auch Quarzit, das mit seinen schrofferen Formen die Gleichförmigkeit der Sierra Morena durchbricht, so zum Beispiel in der Sierra Madrona und bei Despeñaperros. Wo während der Gebirgsbildung Magma, flüssige Gesteinsschmelze aus dem Erdinneren, in die Erdkruste vordringen konnte, erstarrte es zu Graniten, wie in Los Pedroches, Linares oder Santa Elena.
Nach einer langen Phase geologischer Ruhe stellte die Sierra Morena während der späteren alpidischen Gebirgsbildungsphase (s.u.) ein Widerlager für die sich unter dem Druck der afrikanischen Platte auffaltenden Gesteine dar. Dabei hob sie sich entlang der Guadalquivirflexur, so dass der Guadalquivir sich gegenüber der Sierra Morena absenkte. Der größere Höhenunterschied führte dazu, dass sich seine Nebenflüsse tiefer in das Gestein einschnitten. So ist der Pass von Despeñaperros entstanden, der schon in der Geschichte als Tor nach Andalusien galt und durch den heute sowohl die Eisenbahnlinie Madrid - Sevilla als auch die Nationalstraße N IV führen.
Betische Kordillere
Die Betische Kordillere ist erdgeschichtlich ein junges Gebirge, sie entstand im Erdmittelalter und der Erdneuzeit im Verlauf der alpidischen Gebirgsbildung: der Gebirgsbildungsphase, in der u.a. die Alpen, die Karpaten, der Apennin, der Kaukasus und der Himalaya entstanden - und in Südwesteuropa die Betische Kordillere. Sie setzt sich über Gibraltar hinweg im marokkanischen Rif fort, im Nordosten sind die Balearen eine Verlängerung dieses Gebirgszuges.
Die Betische Kordillere setzt sich überwiegend aus Material zusammen, das im Mesozoikum als Sediment im Tethysmeer entstand. Das Tethysmeer trennte das damalige Europa von Afrika, so wie heute das Mittelmeer. Aufgrund dieser marinen Herkunft ist das Gestein kalk- und fossilienreich. Daneben muss es auch submarinen Vulkanismus gegeben haben, wie am Vorkommen des basischen Vulkangesteins Peridotit in einigen Sektoren, z. B. der Sierra de Estepona, zu erkennen ist.
Die Betische Kordillere dehnt sich von der Bucht von Cádiz bis weit über Andalusien hinaus über 600 km Länge bis in die Region Valencia hinein aus, wobei sie parallel zur südlichen Mittelmeerküste verläuft. Ihr Zentrum ist die Sierra Nevada, mit 3.481 m die höchste Erhebung der Iberischen Halbinsel. Das westlichste größere Bergland, das zur Betischen Kordillere gehört, ist die Sierra von Grazalema. Östlich davon liegt das Bergland von Ronda mit der Sierra de las Nieves, das Bergland von Antequera mit den beeindruckendsten Karsterscheinungen Andalusiens, die Sierra Tejada und die Sierra Almijara. Eine Reihe weiterer Gebirge folgen östlich der Sierra Nevada: die Sierra de Baza, die Sierra María und die Sierras von Cazorla, Seguras & Las Villas.
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