SEDIMENTE UND SEDIMENTGESTEINE Praktische Bedeutung

SEDIMENTE UND SEDIMENTGESTEINE
Praktische Bedeutung
•
Sedimente stellen die wichtigsten Reservoire für
fossile
Energieträger
(Kohlenwasserstoffe, Kohle) und Wasser dar.
•
Wichtige Erzlagerstätten metallischer Rohstoffe (Fe, Mn, Buntmetalle etc.) treten in
(Meta)-Sedimenten auf.
•
Wichtige Industrieminerale (z.B. Karbonate, Salz, Gips) und Baumaterialien (z.B. Kies,
Sand, Ton) sind sedimentären Ursprungs.
•
Sedimente sind die wichtigsten Gesteine für die Technische Geologie und
Ingenieurgeologie, weil sie an der Erdoberfläche die häufigsten Gesteine sind (ca. 3/4
der Erdoberfläche sind von Sedimenten und Sedimentgesteinen bedeckt).
Abb. 1. Sedimentgesteine überdecken einen Großteil der festen Erdoberfläche und des
Meeresbodens, doch besteht die Kruste überwiegend aus magmatischen und metamorphen
Gesteinen (aus Press & Siever, 1995)
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SEDIMENTÄRE PROZESSE
Ausgangsgesteine (magmatische, metamorphe, sedimentäre G.)
Verwitterung
mechanisch:
Körner (Klasten)
chemisch:
gelöste Spezies
Transport
Wasser
Eis
Wind
Klasten erfahren:
Korngrößen-Reduktion
Korn-Rundung
Korn-Sortierung
Ablagerung
→ Sediment (weich, unkonsolidiert)
Mechanisch
Chemisch
Biochemisch
Diagenese
→ Sedimentgestein (hart, konsolidiert)
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SEDIMENTABLAGERUNGSRÄUME
Abb.2. Sedimentäre Ablagerungsräume
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GRUPPEN VON SEDIMENTGESTEINEN
•
•
Sedimentgesteine werden, entsprechend der sedimentären Prozesse durch die sie
entstehen, in 4 Hauptgruppen unterteilt.
Die Grenzen zwischen diesen Gruppen sind fließend; Gesteine können zu mehr als
einer Gruppe zu stellen sein.
KLASTISCHE GESTEINE: durch mechanische Ablagerung von Gesteinsfragmenten
(Klasten) entstanden:
(1) SILIZIKLASTISCHE SEDIMENTGESTEINE
• Konglomerate, Brekzien
• Sandsteine
• Silt-, Tonsteine (Mudrocks)
(2) VULKANOKLASTISCHE SEDIMENTGESTEINE
• Αscheablagerungen (Tuffe)
•
Vulkanische Brekkzien etc.
NICHT-KLASTISCHE GESTEINE
(3) BIOGENE, BIOCHEMISCHE UND ORGANISCHE SEDIMENTGESTEINE
• Kalkstein (and Dolomitstein)
• SiO2 -reiche Sedimentgesteine (engl. Cherts)
• Phosphatgesteine
• Kohle und Ölschiefer
(4) CHEMISCHE SEDIMENTGESTEINE
• Evaporite
• Fe-reiche Sedimente (engl. Iron stones; Banded Iron Formations, BIF’s)
DIAGENESE
Nach der Ablagerung werden Lockersedimente in verfestigte, kohärente
Sedimentgesteine umgewandelt. Diese Kombination von physikalischen, chemischen und
biologischen Prozessen wird als Diagenese bezeichnet:
• Kompaktion durch Versenkung
• Zementation durch Ausfällung von Mineralen aus dem Porenwasser
• Rekristallisation von Mineralen durch erhöhte Temperatur und Änderung des
Porenwasser-Chemismus
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KLASSIFIKATION VON SEDIMENTEN UND S. GESTEINEN
Siliziklastische Sedimente und Sedimentgesteine
Biochemische and chemische Sedimente und Sedimentgesteine
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GEFÜGE VON SEDIMENTGESTEINEN
Klastische Gefüge dominieren in siliziklastischen und vulkanoklastischen Gesteinen. Das
Verhältnis von Klasten:Matrix kann dabei aber zwischen 0 und 1 variieren (siehe
Diskussion der sedimentären Prozesse).
Die meisten klastischen und nicht-klastischen Sedimentgesteine zeigen sedimentären
Lagenbau (Schichtung); diese ist fast immer im Aufschluß, häufig auch im Handstück
erkennbar.
Wichtige Sedimentstrukturen
a) Schichtung (engl. bedding)
Horizontalschichtung (horizontal bedding)
Kreuz-, Schrägschichtung (cross bedding)
Rippelschichtung (ripple bedding)
Gradierte Schichtung (graded bedding)
Wachstumsschichtung (growth bedding)
b) Synsedimentäre Deformationen
Schlamm- und Trübeströme (debris flow)
Sedimentäre Faltung (sedimentary folding)
Belastungsmarken (load casts)
c) Chemische Strukturen
Lösungserscheinungen (z.B. Styloliten, "bird eye structures")
Diagenetische Zementation
d) Organogene Strukturen
Fossilien (Abdrücke, Steinkerne von Lebewesen, Pflanzenreste)
Wachstumsschichtung (z.B. bei Stromatolithen)
Lebens- und Freßspuren (z.B. von Würmern, Bohrmuscheln etc.)
Abb. 3. Entstehung von horizontaler Schichtung in Sedmenten
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SILIZIKLASTISCHE SEDIMENTE (1)
• Herkunft der Klasten: Magmatische, metamorphe oder sedimentäre Gesteine in der
Erosionszone.
• Transport: Wind, Gletscher, Flußsysteme, Wellen, Gezeitenströme, Schlammströme etc.
Sedimentmaterial wird entweder in Suspension oder als Bodenfracht transportiert:
Suspension: Kriterium für Partikel im Fluid ist, daß Aufwärtsbewegung eines Partikels in
turbulenter Strömung größer sein muß als die Sinkgeschwindigkeit (w):
w=
Δρd2 g / 18µ
Δρ =
Differenz der Dichte zwischen Klast und Fluid (ρklast - ρfluid)
d =
Partikel-Durchmesser
g =
Erdbeschleunigung
µ =
dynamische Viskosität des Fluids
(Stokesches Gesetz)
Turbulente Strömung dominiert vs. laminarer Strömung wenn: Wasser tief ist, die
Fleißgeschwindigkeit hoch ist, und die Viskosität niedrig ist.
Bodenfracht wird durch Springen, Rollen oder Gleiten der Komponenten transportiert.
Abb. 4 . Arten des Sedimentransports bei klastischen Sedimenten
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SILIZIKLASTISCHE SEDIMENTE (2)
• Fließgeschwindigkeit: Transportmedien ändern ihre Geschwindigkeit entsprechend
des Neigungswinkels (Flußbett, Strandprofil etc.) oder der Stärke der Strömung (z.B.
Meeresströmung, Windgeschwindigkeit).
• Sortierung: Reduktion der Geschwindigkeit oder Änderung des Strömungsverhaltens
(turbulent zu laminar) des Mediums resultiert in selektiver Ablagerung der größeren
und dichtern Partikel. Die Folge ist eine Sortierung der Sedimente hinsichtlich der
Korngröße der Klasten und ihrer Dichte als Funktion von:
(1) horizontaler Entfernung vom Erosionsgebiet:
Kies (nahe) → Sand → Schlamm (weit entfernt)
(2) vertikale Entfernung von der Basis der Schicht (gradierte Schichtung):
Kies, grober Sand (unten) → Silt → Ton (oben)
Abb. 5.
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DIAGENESE VON SEDIMENTGESTEINEN
Abb. 6. Schema diagenetischer Prozesse
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KARBONATISCHE SEDIMENGESTEINE
Gesteine aus vorwiegend Karbonatmineralen werden als Karbonatgesteine bezeichnet.
Jene die vorwiegend aus Calcit bestehen, werden als Kalksteine, jene mit überwiegend
Dolomit als Dolomitsteine (oder auch nur Dolomit) bezeichnet.
• Löslichkeit von CaCO3 in Meerwasser:
Meerwasser ist thermodynamisch gesättigt bezüglich Calcit (das trigonale CaCO3
Polymorph) and untersättigt bezüglich Aragonit (das orthorhombische CaCO3
Polymorph)
Calcit hat retrograde Löslichkeit (weniger löslich mit Zunahme der Temperatur;
mehr löslich mit zunehmender Tiefe)
• Ausfällung von CaCO3 in Meerwasser:
Calcit kann in warmem flachen Meeren in tropischen Regionen als Calcitschlamm
(→ lithifiziert zu Mikrit) oder als Ooide ausfallen
Viele marine Organismen scheiden Aragonit aus um Skelette bzw. Schalen zu
bilden. Bioenergie ist erforderlich um Aragonit gegenüber Calcit zu stabilisieren.
Nach Absterben fallen die Organismen auf den Meeresgrund.
• Auflösen von CaCO3 in Meerwasser:
CaCO3 beginnt sich einige Hunderte m unterhalb der Meeresoberfläche
aufzulösen. Plankton bildet aber ständig CaCO3 Skelette. Zwischen ~4.5 and 5 km
Tiefe ist die Nachschubrate von CaCO3 in Balance mit der Löslichkeit von CaCO3
( ≡carbonate compensation depth”, CCD; Karbonat-Kompensationstiefe)
→ Es bilden sich keine Karbonatgesteine unterhalb von 5 km!
Abb. 7. Abbildung zur Erklärung der CCD-Grenze
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KARBONATISCHE SEDIMENGESTEINE
• Bildung von Riffen
Abb. 8. Modell zur Entstehung von Riffen nach Darwin
Abb. 9. Wachstumsstadien von Stromatolithen – eine der ältesten Lebensformen auf der Erde
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KARBONATISCHE SEDIMENGESTEINE
• Karbonatplattformen
Abb. 10. Karte und Profil durch die Große Bahamabank (aus Press & Siever, 1978)
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DIAGENESE VON KALKSTEIN
• Verdrängung durch Calcit: Aragonit in Bioklasten (Schalen, etc.) ist thermodynamisch
metastabil → wird verdrängt durch den thermodynamisch stabileren grobkörnigen Calcit.
• Verdrängung durch Dolomit: Calcit (primär oder diagenetisch) ist stabil in
Porenwässern mit hohem Ca/Mg → wenn Porenwasser reicher an Mg wird kommt
es zu Verdrängung des Calcits durch Dolomit (CaMg(CO3 )2 ).
Mehrere Mechanismen erniedrigen das Ca/Mg Verhältnis:
e.g. Zufluß von Mg-reichem Grundwasser
e.g. Ausfällung von Calcit und Gips (CaSO4 .2H2 O) durch Verdampfung von
Meerwasser, etwa in einer Lagunge
→ Rückfliessen von dichteren Mg-reichen Porenwässern durch Kalkstein
Abb. 11. Modelle zur Dolomitisierung (aus Tucker 1991)
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SIO2-REICHE SEDIMENTGESTEINE (CHERTS)
• Kieselsedimente, Hornsteine (engl. chert) = extrem feinkörnige SiO2 -reiche Sedimente
(amorphes SiO2 → kryptokrystalliner Quarz)
• Entstehung:
(1)
Gebänderte Kieselsedimente:
(i) Primäre Ablagerung (marin, nicht-marin) von Skeletten von Plankton
(Radiolarien, Diatomäen, Schwämme) → Hauptquelle von SiO2 -Schlämmen
über weite Areale des Meeresbodens und in Seen unterhalb der CCD-Grenze
aber oberhalb der Auflösungstiefe von amorphem SiO2 (~6 km). Bänderung
durch jahreszeitliche Variation in der Nährstoffversorgung des Planktons.
(ii) Primäre chemische Ausfällung von SiO2 aus hydrothermalen Fluiden am
Meeresboden (geringere Mengen; z.B. an mittelozeanischen Rücken)
(2)
Nodulare Kieselsedimente (Hornsteinknollen): diagenetische (sekundäre)
Bildung von SiO2 -Mineralen im Porenwasser ; bilden Knollen in Kalksteinen
Abb. 12. Mikrofossilien (Radiolarien, Foraminifern) mit SiO2- und Karbonatskeletten aus rezenten
marinen Tiefseeschlämmen. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme
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EVAPORITE
•
Bedeutung: Quelle für Steinsalz, Gips und andere Salze
•
Marine Evaporite bilden sich durch Evaporation von Meerwasser in zeitweise
abgeschnürten Meeresbecken in ariden Klimazonen; Mit zunehmender Eindampfung
reichern sich im Meerwasser Na+, Cl-, Mg++, SO4 -- etc. an.
•
Die charakteristische
Ausscheidungsfolge mariner Evaporite (zuerst Karbonate,
dann Gips, dann Halit und zuletzt K- und Mg Salze) wird durch die sequentielle
Sättigung dieser Element in der salzreichen Lösung kontrolliert.
•
Wiederholte Zufuhr von frischem Meerwasser und kontinuierliche Eindampfung ist
für die Entstehung von mächtigen (bis Hunderte m dick) Evaporitfolgen nötig.
Abb. 13. Gips und Steinsalz (Halit) bilden sich wenn das Meerwasser in einem flachen Meeresbecken
verdunstet, das nur eine eingeschränkte Verbindung zum offenen Ozean hat. Durch Verdunstung wird
mehr Wasser an die Atmosphäre abgegeben, als durch den Wasserzufluß ersetzt werden kann. Wenn die
Salinität ansteigt, werden zuerst Karbonate, dann Gips, gefolgt von Steinsalz und anderen Salzen aus der
konzentrierten Lösung ausgeschieden (aus Press & Siever, 1995)
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ANDERE WICHTIGE SEDIMENTE UND S. GESTEINE
Fe-reiche Sedimente: mehr als 15 Gew.% Fe in Form von Eisenoxiden (Hämatit) und FeHydroxiden (Goethit) vorliegend; Fe-Silikate und Fe-Karbonate (Siderit) sind weniger
bedeutsam.
Die meisten gebänderten Eisenerze (banded iron formations, BIF) entstanden früh in
der Erdgeschichte als noch weniger Sauerstoff in der Atmosphäre vorhanden war; Fe
war leichter löslich wurde ins Meer transportiert und dort ausgefällt. Auch Vulkanismus
als Quelle des Fe. BIFs sind die wichtigsten Rohstoffe für die Eisengewinnung!
Organische Sedimentgesteine
Organisches Material ist die Quelle für Kohle, Erdöl und Erdgas.
Kohle ist ein biochemisches Sedimentgestein das durch Diagenese aus pflanzlichem
Material (Torf) entsteht. Sie besteht aus organischen Verbindungen.
Erdöl und Erdgas sind Fluide, die bei der Diagenese von organischem Material
entstehen; tiefe Versenkung wandelt organisches Material, das gemeinsam, mit
anorganischem Material abgelagert wurde, in ein Fluid um, das in andere poröse
Formationen migrieren kann und dort gespeichert werden kann; oft in grobkörnig
siliziklastischen oder karbonatischen Speichergesteinen; Erdöl und Erdgas bestehen aus
diversen Kohlenwasserstoff-Verbindungen.
Abb. 14. Bildung von Kohlenwasserstoffen in einem Muttergestein, Migration von Öl und Gas und
Speicherung in einer Antiklinale. blau: Deckschicht mit geringer Permeabilität.
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