Einführung in die Geologie Übersicht
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Einführung in die Geologie Teil 9: Sedimente und Sedimentgesteine Prof. Dr. Rolf Bracke Hochschule Bochum International Geothermal Centre Lennershofstraße 140 44801 Bochum Übersicht • Sedimente und Sedimentgesteine im Kreislauf der Gesteine Kreislauf der Gesteine Quelle: Allgemeine Geologie; Verlag: Spektrum Sedimentäre Stadien des Gesteinskreislaufes • Verwitterung und Erosion • Transport und Sedimentation • Versenkung und Diagenese Quelle: Allgemeine Geologie; Verlag: Spektrum Verwitterung und Erosion • Physikalische Verwitterung führt zur Zerkleinerung der Gesteine • Chemische Verwitterung wandelt Minerale und Gesteine in veränderte Festkörper • Entstehende Bruchstücke, Abbauprodukte und Neubildungen werden durch Erosion abtransportiert Klastische Sedimente • Mechanisch transportierte feste Gesteinsbruchstücke • Entstehen durch physikalische Verwitterung bereits vorhandener Gesteine Quelle: Physical Geology; Verlag: Plummer / Mc Geary Quelle: Physical Geology; Verlag: Plummer / Mc Geary Chemische und chemisch-biogene Sedimente • In Lösung gegangene Verwitterungsprodukte sind als Ionen oder Moleküle im Wasser der Böden, Flüsse und Seen oder Meere gelöst • Chemische und biochemische Reaktionen führen zu Ausfällungen und bilden chemische und chemisch-biogene Sedimente Sedimenttransport und Ablagerung • Strömendes Wasser, Wind und Gletscher transportieren die Sedimentbestandteile abwärts • Wenn Sedimentbestandteile den Ozean erreichen und auf den Meeresboden absinken ist das Ende des Transportes erreicht Quelle: Physical Geology; Verlag: Plummer / Mc Geary Strömungsgeschwindigkeiten, Korngröße und Sortierung • Starke Strömung ( > 50 cm/s) – Geröll und große Mengen Detritus werden transportiert • Mäßig starke Strömung (20-50 cm/s) – Transportieren im Wesentlichen Sand und feine Kiese • Schwache Strömung ( < 20 cm/s) – Verfrachten lediglich Silt und Ton Sortierung • Änderungen der Geschwindigkeit führen zur Sortierung der unterschiedlichen Körnungen gute Sortierung schlechte Sortierung Quelle: Allgemeine Geologie; Verlag: Spektrum Sedimentationsräume • Klassifikation von Sedimentationsvorgängen • Ablagerungsraum ist in bestimmte geographische Bereiche eingeteilt, der durch umweltbedingte und geologische Prozesse gekennzeichnet ist – z.B.: Art und Menge des beteiligten Wassers – Topographie – biologische Aktivität Beispiel Sedimentationsraum: Strand Quelle: Allgemeine Geologie; Verlag: Spektrum Sedimentationsbildungsräume Quelle: Allgemeine Geologie; Verlag: Spektrum Bildungsräume klastischer Sedimente Quelle: Allgemeine Geologie; Verlag: Spektrum Bildungsräume chemischer und chemisch-biogener Sedimente Quelle: Allgemeine Geologie; Verlag: Spektrum Sedimentstrukturen • Alle Schichtungsformen die zum Zeitpunkt der Sedimentation entstanden sind, werden unter dem Begriff Sedimentstrukturen zusammengefasst • Dazu zählen: – Schichtung z.B. Schrägschichtung, Gradierte Schichtung, Rippelmarken – Lagerung Schrägschichtung Quelle: Allgemeine Geologie; Verlag: Spektrum Rippelmarken Quelle: Allgemeine Geologie; Verlag: Spektrum Sedimentation und Versenkung • Verlangsamt sich die Strömung, kommt es zur Ablagerung der mitgeführten Komponenten • In Ozeanen kommt es zusätzlich zur Sedimentation von chemischen oder biogenen Fällungsprodukten • Sedimentationsschichten lagern sich übereinander ab • Ältere Schichten werden zusammengepresst und gelangen innerhalb der Erdkruste in größere Tiefe Quelle: Physical Geology; Verlag: Plummer / Mc Geary Diagenese Quelle: Allgemeine Geologie; Verlag: Spektrum Diagenese Quelle: Allgemeine Geologie; Verlag: Spektrum Klassifikation der klastischen Sedimente • Klastische Sedimente bilden 3/4 aller Sedimente der Erdkruste • vorwiegend mechanisch sedimentierte detritische Körner bzw. Klasten silikatischer Zusammensetzung einschl. Quarz. • Primäre Klassifikation: Unterteilung nach ihrer Korngröße – unverfestigt: Kies, Sand, Schluff, Ton – verfestigt: Konglomerate, Sandstein, Schluffstein, Tonstein • Weitere Unterteilung Innerhalb der einzelnen Korngefügeeinheiten nach mineralogischer Zusammensetzung bzw. dem die Körner verkittenden Bindemittel – z.B. quarzreiche, feldspatreiche, kieselige oder mergelige Sandsteine bzw. kalkige oder bituminöse Schiefertone. Klassifikation der klastischen Sedimente Klassifikation entsprechend der Korngröße Quelle: Gesteinsbestimmung im Gelände; Verlag Spektrum Grobklastische Sedimente Konglomerat, Brekzie, Kies, Steine, Blöcke Unverfestigte Grobklastika • Kiesfraktion (2 - 63 mm): nicht bindige Kiese, Gerölle, Schotter • Steine und Blöcke (> 63 mm): Vollständige gerundete oder kantige Gesteinsfragmente Diagenetisch verfestigte Grobklastika (> 2 mm) • Konglomerate – bestehen aus mehr als 50% gut gerundeten bis kantengerundeten Mineral- oder Gesteinsbruchstücken – monomikt oder polymikt (eine oder mehrere Gesteins- oder Mineralarten) • Brekzien – aus vorwiegend scharfkantigen-eckigen Gesteinsbruchstücken – entstehen i.d.R. nicht weit entfernt vom Liefergebiet Grobklastische Sedimente Beispiele Grobkies (Strandgeröll) Konglomerat Brekzie Quelle: Allgemeine Geologie; Verlag: Spektrum; Gesteinsbestimmung im Gelände; Verlag Spektrum Mittelkörnige klastische Sedimente Sand und Sandsteine • Sand: unverfestigte, nicht bindige Sedimente (0,063 – 2 mm) • Sandstein: diagenetisch mit Bindemittel oder Zement (häufig Quarz oder Calcit) verfestigte Sande • Korngröße: spiegelt Stärke der Transportströmung und Größe der im Ausgangsgestein erodierten Kristalle wider. • Kornformen – gerundet durch Abrieb bei z.B. langen Transportwegen. – wenig und nicht gerundet bei kurzen Transportwegen • Mineralische Zusammensetzung: abhängig vom Ausgangsgestein, chemische Verwitterung im Zielgebiet und Umlagerungs-/Transportvorgänge (Abtrennung, Sortierung) • Hohe Porositäten: Grundwasservorkommen, Erdöl-/ Erdgaslagerstätten und Einsatz (hydrothermaler) Geothermie Mittelkörnige klastische Sedimente Sandsteintypen Unterscheidung nach Mineralogischer Zusammensetzung Mittelkörnige klastische Sedimente Beispiele Rotsandstein (geschichtet) Rotsandstein (mit Hämatitüberzug) Grünsandstein (mit Glaukonitpellets) Grauwacke Quelle: Gesteinsbestimmung im Gelände; Verlag Spektrum Feinklastische Sedimente (Schluff, Ton, Schluffstein, Tonstein, Schieferton) Unverfestigte Feinklastika • Schluffe (0,002 – 0,063 mm) oder Tone (0,002 – 0,063 mm) • bindige Sedimente mit geringer Porosität • Transport erfolgt bereits durch sehr schwache Strömungen • Ablagerung, wo ein langsames Absinken möglich ist Diagenetisch verfestigte Feinklastika • Schluffstein (auch Siltstein genannt) • Tonstein (mit oder ohne schichtparallelen Ablösungsflächen) – Schieferton: stärker verfestigter, schichtiger Tonstein, – Schwarzschiefer: reich an feinverteilten organischen Komponenten und Pyrit – Ölschiefer: Schwarzschiefer mit bituminösen Komponenten Feinklastische Sedimente Beispiele Schluffstein (Rotliegend) Schieferton Massiger Tonstein Quelle: Allgemeine Geologie; Verlag: Spektrum; Gesteinsbestimmung im Gelände; Verlag Spektrum Klassifikation der chemischen und chemisch-biogenen Sedimente • Vorwiegend marine Sedimente aus Küstenbereich, Kontinentalschelf und Tiefsee • Klassifikation nach chemischer Zusammensetzung – abhängig von den chemischen Elementen, die im Meerwasser (im Falle von marinen Sedimenten) in ionischer Form gelöst waren • Überwiegend karbonatische Sedimente wie Kalkstein und Dolomit, die durch Akkumulation von biogen oder anorganisch gefällten Carbonat-Mineralen entstanden sind. Klassifikation der chemischen und chemisch-biogenen Sedimente Carbonatsedimente Kalksteine • • • • • • • • Gesteinsbildendes Mineral ist i.W. aus Calcit (CaCO3) Anorganische Bildung aus Ca(HCO3)2-Lösungen, in denen das Lösungsgleichgewicht durch Entzug des Lösungsmittels (Wasser), Entzug von CO2 oder Temperaturerhöhung verändert wird. Bioklastische Bildung aus Anhäufungen organischer Reste auf dem Meeresboden (u.a. Schreibkreide sowie Fossilkalke wie Muschel-, Crinoiden- und Korallenkalk mit Fossilfragmenten > 50%) Kalkoolithe bestehen aus kalkigen kugelförmigen Partikel, die im bewegten Wasser durch allseitig gleich starke Karbonatanlagerung entstehen Mikrokristalline Kalksteine (feinstkörnig) durch diagenetisch verfestigte Kalkschlämme (Ausfall winziger nadelige CaCO3 –Kristalle im ruhigen Meerwasser) Massenkalk ist frei von erkennbarer Schichtung Plattenkalk ist geschichtet mit dünnen mergeligen oder tonigen Zwischenlagen Süßwasserkalke: Travertin (Thermalwasserquellen), Sinterkalk (Quell- und Bachwasser, Tropfsteinhöhlen), Seekreide (Süßwasserseen) Kalksteine Beispiele Massenkalk Wettersteingebirge Plattenkalk Sinterkalk Crinoidenkalk Kalkoolith Travertin Quelle: Gesteinsbestimmung im Gelände; Verlag Spektrum Carbonatsedimente Dolomite, Mergel Dolomit, CaMg(CO3)2 • i.A. sekundäre diagenetische Bildungen, wo das primäre Fällungsprodukt Calcit nach Ablagerung durch Zufuhr und Einbau von Mg2+ aus dem Meerwasser in Dolomit umgewandelt wird (Metasomatose). • Volumenverminderung bis ca. 10 % durch Dolomitisierung (Verdrängung von Calcit), wobei zusätzliche Hohlräume entstehen können. • direkt aus Meerwasser ausgefällte Dolomite sind sehr selten. • bei spätdiagenetischen Dolomit z.T. zuckerkörniger Glanz Mergel • karbonatisch-klastische Mischgesteine, deren klastischer Anteil sich auf die Tonfraktion beschränkt. • Bezeichung entsprechend Carbonat-Anteil (Mergeliger Kalkstein, Mergelkalk, Kalkmergel, Mergel, Tonmergel, Mergelton, Mergeliger Ton) Dolomite, Mergel Abbildungen Spätdiagenetischer Dolomit (Alpen) Wechsellagerung Kalk-Mergel Quelle: Gesteinsbestimmung im Gelände; Verlag Spektrum Evaporite: Steinsalz und Gips • • Evaporite entstehen, wenn bei zunehmender Verdunstung von Meerwasser oder Wasser abflussloser Seen in ariden Gebieten die gelösten Substanzen (Salzminerale) anorganisch gefällt werden. Erst rund 70% des Meerwassers müssen verdunstet sein, bis sich gesteinsbildende Sulfate (wie Gips oder Anhydrit) und Chloride, (z.B. Steinsalz und Kalisalz) entsprechend ihres Löslichkeitsproduktes auskristallisieren. Quelle: Allgemeine Geologie; Verlag Spektrum Evaporite: Steinsalz und Gips Steinsalz (Flanke eines Beispiele Salzstockes am Toten Meer) Anhydrit (links) und Gips (rechts) Kalkoolith Kalkoolith Mit Gips durchsetzter Salzton Salzkristall Quelle: Gesteinsbestimmung im Gelände; Verlag Spektrum Kieselsedimente • • Anorganisch ausgefällte Kieselsäure findet sich z.B. in Feuersteinen / Hornsteinen. Es handelt sich um schichtweise konzentrierte linsige und/oder knollige Kieseleinlagerungen diagenetischer Entstehung. Die meisten kieseligen Sedimentite wie Kieselgur bzw. Radiolarite bilden sich organogen, d.h. amorph in den Schalen von Kieselsäure abscheidenden Kieselalgen (Diatomeen) bzw. in den Stützskeletten von Einzellern (Radiolarien). Hornstein Quelle: Allgemeine Geologie; Verlag Spektrum Weitere chemische und chemisch-biogene Sedimente • • • Eisenverbindungen: Fe2+ ist nur in reduzierendem Milieu stabil. Es kann als Eisenkarbonat (FeCO3), Eisensulfid (FeS2) und als Eisensilikat gefällt werden. Wird es zu Fe3+ oxydiert, entsteht Limonit (FeOOH). Als Limonit - oder nach Hydroxydentzug als Hämatit liefert es die braune bzw. rote Farbe vieler Sedimentite. In größerer Konzentration können die genannten Eisenverbindungen gesteinsbildend auftreten (z.B. in Eisenoolithen). Phosphorite: Ausfällungen aus phosphatreichen Meerwasser Kohle (aus Pflanzenresten) diagenetische Inkohlungsreihe: Torf - Braunkohle - Steinkohle - Anthrazit Weichbraunkohle Steinkohle Quelle: Gesteinsbestimmung im Gelände; Verlag Spektrum
