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Transkript

1 Biogen-kieselige Sedimente: Diatomeen, Radiolarien und kieselige Flagelaten des mittleren Eozäns aus dem Südwestpazifik (Deep-Sea Drilling Project site 206C). Bildbreite 0.5 mm. Photo: J. Barron.

2 4.3 Biogen Chemische Sedimente Phosphorite - Häufigstes Mineral: Apatit, Ca 5 [(F,OH,CO 3 )/(PO 4 ) 3 ] - Phosphorite: Unreine Gemenge aus Calcium Phosphaten und detritisch kalkigem Material - Phosphorite sind knollig, streifig oder oolithisch ausgebildet - Größter Teil der Phosphorsäure stammt aus Zersetzung von Phytoplankton und tierischen Hartteilen Bildungsbereiche: - Auftriebsgebiete (v. a. an den Westküsten der Kontinente), Flachwasserbereich - bonebed (Knochenbrekzie) aus phosphatischen Hartteilen von Organismen (Zähne, Knochen, Wirbeltierschuppen) - Guano

3 4.4 Kaustobiolithe (Erdöl, Erdgas, Kohle) Kohle Limnische Kohlen: (intramontane Becken) Moore, verlandende Seen, Flußauen Bsp.: Niederrheinische Bucht im Tertiär (Saarkohle) Paralische Kohlen: Küstensäume (Deltas) Ständiger Wechsel von Transgression und Regression im Grenzbereich Land/Meer führt zur zyklischen Ablagerung von Kohleflözen, ufernahen limnisch fluviatilen und marinen Sedimenten Bsp.: Nordseebecken, Teile der Ruhrkohle

4 Inkohlung Entstehung der Kohle Voraussetzung: Sauerstoffausschluss, Versenkung, Temperaturerhöhung Anreicherung von elementaren organ. Kohlenstoff Ausgangsmaterial: Abgestorbene Pflanzen Torf Übergang von Torf zu Braunkohle Übergang Braunkohle zu Steinkohle Anthrazit (Metamorphose) Verändert nach Press und Siever, 1995

5 Biogene Sedimente: Kohlenstoffhaltige Ablagerungen Grünsandstein Steinkohle Steinkohle Konglomerat Sandstein Torf Braunkohle

6 4.4.2 Erdöl/Erdgas Grundformel der Kohlenwasserstoffe: C n H 2n+2 Ausgangsmaterial: vorwiegend tierisches Material (v. a. Plankton) Erdölmuttergestein - Ablagerung des org. Material als Faulschlamm am Meeresgrund Sapropel (anoxisches Milieu) - Verfestigte Sapropele = Ölschiefer (gekennzeichnet durch ungestörte Lagerung und Weichteil - Fossilerhaltung)

7 Bedingungen für die Erdölentstehung 1. Produktion von organischem Material. 2. Organisches Material darf nicht oxidieren (euxinische/anoxische Fazies). 3. Organisches Material muss von Sediment bedeckt sein. 4. Organisches Material muss aufgeheizt werden (Erdölfenster). 5. Erdöl muss aus dem Muttergestein (Sapropel, bituminöse Kalke) in das poröse Speichergestein (Sandsteine, Riffkalke) migrieren können. 6. Es muss eine Erdölfalle entstehen.

8 Das Erdölfenster

9 Erdölfallen Falte (Sattel) Verwerfung stratigraphisch Salzstock Verändert nach Press und Siever, 1995

10 4.4.3 Gashydrate Methan (gasförmig), das in einer eisähnlichen Struktur gefangen ist Methaneis Leicht brennbare Substanz Bildungsbereich: 2 C, >500 m Wassertiefe Vorkommen: Kontinentaler Schelfbereich, Permafrostgebiete Alaskas und Sibiriens Bilden sich, wenn Porenwasser mit Gas gesättigt ist entstehendes Methaneis verdrängt das Wasser aus dem Porenraum Verfestigung der Sedimente An der Oberfläche nicht stabil Gas entweicht zischend Sedimentbrocken mit festen Gashydraten (weiße Lagen) durchsetzt. Bildquelle: Arbeitsgruppe Gashydrate am GEOMAR Kiel mit freundlicher Erlaubnis von Dr. Gerd Bohrmann

11 Was macht Gashydrate so interessant? Bedeutende Kohlenwasserstofflagerstätten, die nach heutigen Abschätzungen den Umfang und Brennwert der klassischen fossilen Lagerstätten (Kohle, Erdöl, Erdgas) übersteigt. Methan ist in der Atmosphäre ein sehr wirksames Treibhausgas (wirksamer als Kohlendioxyd), d.h. die Konzentration von Methan in der Atmosphäre beeinflusst das Verhältnis von ins All abgestrahlter und durch die Atmosphäre festgehaltener Wärmestrahlung und damit das globale Klima. Kalthydrate haben eine zementierende Wirkung auf das Sediment.

12 Beispiel für einen bottom-simulating reflector (BSR) in einer seismischen Aufzeichnung. Der BSR wird durch das Stabilitätsfeld der Gashydrate bestimmt: oberhalb des BSR wird das aufsteigende Gas in festen Gashydraten gebunden, die als Knollen, Lagen oder Zement das Sediment verfestigen. Abbildung des U.S. Geological Survey (USGS), Woods Hole Field Center, Gas Hydrate Studies.

13 5. Sedimentbohrungen und geophysikalische Analytik Das ODP-Schiff JOIDES 143 m lang, 21 m breit Das Bohrsystem kann 9,150 m Bohrgestänge von einem Bohrkran aus handhaben. Mit Kernlogging-Labor:

14 Scientific party im Kernlabor: Leg 202 Frank Lamy, Germany Min-Te Chen (Taiwan) Helga Kleiven, Norwy Jerry McManus (USA)

15 ODP-Legs

16 Kolbenfalllot

17 Niederreither Piston-Corer Vibra-Corer

18 Bohrplattform mit- Dreibeinmast

19 Sedimentechographie Motionsensor Schallgeber und Empfänger

20 Hochauflösende Sedimentechograhie Sedimentoberfläche 500 m 10 m

21 Jungquartäre Sedimentschichten mit Diskordanzen und Neotektonik

22 6. Beispiel für Ablagerungsräume 6.2 Marine Sedimente

23 Ablagerungen in der Tiefsee-Sedimente feinkörnige Sedimente (< mm Durchmesser) Material: Ton, vulkanisches Glas, Quarz Sedimentationsrate sehr gering: ca. 1mm/1000 Jahre. ca. 10% der Sedimente durch Windtransport

24 Tiefsee-Sedimente Roter Tiefseeton (oxidierend) + O 2 Fe 2+ Fe 3+ Sedimente mit viel Kieselsäureschalen oder Kieselsäureskeletten Diatomeen, Radiolarien

25 Ablagerung im flachmarinen Bereich: Klastisch Chemische Sedimente Sedimentäre Eisenlagerstätte vom Hamersley Range in West-Australien. Die hellen Lagen bestehen aus Kieselschiefer, die dunklen bläulich-rötlichen Lagen bestehen aus aus eisenreichen Silikaten, Oxiden und Karbonaten mit einem Eisenanteil von 25 Gew.%

26 6.2 Küsten-Wattenmeer Wattenmeer = der von den Gezeiten beeinflusste Meeresteil an Flachküsten als Sedimentationsraum von Sand und Schlick.

27 Watttypen: geologische Einteilung in Sand-, Misch- und Schlickwatt Sandwatt Mischwatt Schlickwatt küstenfern, bewegtes Wasser schwerer grober Sand 25% Wasser Sand und feinere Sedimente (Ton, organische Bestandteile) 25-50% Wasser küstennah, ruhiges Wasser Tonpartikel, organ. Bestandteile 50 70% Wasser

28 6. Beispiele für Ablagerungsräume 6.3 Laksutrine Seen Sedimentkern mit vulkanischen Aschenlagen und 14 C-Alter in cal Jahren B.P Tiefe cm

29 Beispiel für Variationen im terrigenen und biogene Sedimenteintrag in lakustrinen Seesedimenten cm Sedimentkerntiefe

30 Lakustrine Sedimentkern Hoher terrigener Anteil f (Niederschlag, Wind) Hoher organischer Anteil f (terrestrische und aquatische Pflanzen, Temperatur, Nährstoffe) cm

31 Beispiele für Ablagerungsräume Lakustrine Seen Holzmaar-See (Eifel) Warven: Jahreszeitliche Wechsel, mit Diatomeen- Lagen (Sommer) und dunklen klastischorganischen Lagen (Winter). Dünnschliffbild, Breite 2,8 cm

32 Jährliche Bildungen: Warven

33 7. Diagenese von Sedimenten

34 Verkieselung (Silifizierung) Beispiel: Quarzgang aus Calcedon

35 Verkieselung Beispiel: Versteinertes Holz Versteinerter Baum des Blue Forest im Eden Valley

36 Hydrothermale Cu-, Ag-, Au-Vererzung von klastischen mesozoischen Sedimenten Das größte Loch der Welt (1100 m tief!): Chuquicamata-Kufererzlagerstätte in Chile

37 Sedimente und hydrothermale Lagerstätten in flach-marinen Backarc-Becken

38 Die Phi-Skala j > (-1) -1 (-6) mm: < 1/256 1/256 1/16 1/ Ton Silt Sand Kies, Steine Tonstein Siltstein Sandstein Konglomerate Pelite Psammite Psephite j = -log 2 D D = Durchmesser [mm] j=8 bedeutet: D=2-8 = 1/2 8 = 1/256

39 A: Seesedimente können klastische, biogene und chemische Sedimentkomponenten enthalten. B: Tone und Kalke gehören zu den klastischen Sedimenten. C: Radiolarite und Diatomeen gehören zu den Kalkalgen. D: Biogene Kalke werden von Organismen im anoxischen Mileu gebildet. O. Bei der Diagnese von Sedimenten kann es zur Kalzitisierung, Zeolithisierung und Amphibolitisierung kommmen. P. In CO 2 -haltigen Gewässern herrscht ein günstiges Milieu für eine Kalkausscheidung. Q. Die rundlichen Ooide entstehen durch mechanischen Abrieb in Fliessgewässern. R. Je höher der Anteil an organischem Kohlenstoff in Sedimenten ist, um so geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass es zur Bioturbation an der Sedimentoberfläche kommt. A. Das Wachstum von Grünalgen begünstigt die Entstehung von Kalksintern. B. Bei der Eindampfung von Meerwasser entstehen Evaporite, wobei zuerst Gips, dann Kalzit, dann Steinsalz und zuletzt Edelsalze ausgeschieden werden. C. Die CCD beschreibt den Tiefenbereich in Ozeanen, unterhalb dessen Kalksablagerungen langfristig in Sedimenten erhalten bleiben. D. Phosphorite entstehen bei hohem Eintrag von Waschmitteln in Gewässer.

40 F: Wenn die biogene Produktivität steigt, nimmt die terrigene Sedimentationsrate zu. G: Sandsteine können äolisch, limnisch oder mariner Herkunft sein. H: Unter Turbiditen versteht die Anhäufung von Kalkschalen paläozoischer Lebewesen. I: Tiefseesediment haben oft einen 50%-tigen Anteil an äolischer Sedimentkomponenten. M: Gashydrate entstehen bei hohen Drücken (großer Wassertiefe) und in relativ warmen Wasser. Sie stabilisieren Sedimente an Steilhängen. O: Das Vorkommen von Eisensulfiden in Sedimenten weist auf anoxische Bedingungen während der Sedimentation hin. R: Reste von Rotalgen sind für die rote Farbe des Tiefseetons verantwortlich. N: Unter hydrothermalen Bedingungen können die Elemente Pb, Fe, Mn in Sedimenten angereichert werden. H: Sedimente haben einen hohen Porenwasseranteil, jedoch kein Kristallin gebundenes Wasser. I: Meeresströmungen haben einen Einfluss auf die kontinentalen Abtragungsbedingungen. S: Andalusit und Smektit sind typischen Minerale in roten Tiefseetonen. T: Die Abtragungsraten sind vom Niederschlag, Vergletscherungsumfang, der Vegetationsdecke und dem Relief abhängig.

41 Berechung der Absinkgeschwindigkeit von Kristallen in einer Magmenkammer In einer Magmenkammer mit basaltischem Magma (Dichte 3,0 g/cm 3, Viskosität von 14 [kg/(m*s)]) sinken die früh ausgeschiedenen Kristalle (vereinfachte kugelförmige Gestalt) wieder ab. Wieviel Meter (v p in m/s) sinken die häufig gleichzeitig gebildeten Minerale Olivin [r =5 mm] und Magnetit [r = 0.1 mm] in einem Jahr ab? Beachten sie die üblicherweise sehr unterschiedliche Größen und unterschiedliche Dichten und überlegen sie, welche Parameter die Absinkgeschwindigkeit besonders stark beinflussen? v p 2* r 2 * g *( 9* p f ) Stokes sche Gleichung p Dichte Partikel Dichte Fluid f Viskosität Forsterit = 3.2 [g/cm 3 ] Magnetit = 5.2 [g/cm 3 ] Erdbeschleunigung = g = 9.81 [m/s 2 ]