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) 620.073 Einführung in die Mineralogie und Petrographie J.G. Raith/ L.W. Diamond 1/
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) 620.073 Einführung in die Mineralogie und Petrographie J.G. Raith/ L.W. Diamond 2/
SEDIMENTABLAGERUNGSRÄUME Abb.2. Sedimentäre Ablagerungsräume 620.073 Einführung in die Mineralogie und Petrographie J.G. Raith/ L.W. Diamond 3/
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 (Klasten) entstanden: GESTEINE: durch mechanische Ablagerung von Gesteinsfragmenten (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) SiO 2 -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 620.073 Einführung in die Mineralogie und Petrographie J.G. Raith/ L.W. Diamond 4/
KLASSIFIKATION VON SEDIMENTEN UND S. GESTEINEN Siliziklastische Sedimente und Sedimentgesteine Biochemische and chemische Sedimente und Sedimentgesteine 620.073 Einführung in die Mineralogie und Petrographie J.G. Raith/ L.W. Diamond 5/
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 620.073 Einführung in die Mineralogie und Petrographie J.G. Raith/ L.W. Diamond 6/
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 = Δρd 2 g / 18µ (Stokesches Gesetz) Δρ = Differenz der Dichte zwischen Klast und Fluid (ρ klast - ρ fluid ) d = Partikel-Durchmesser g = Erdbeschleunigung µ = dynamische Viskosität des Fluids 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 620.073 Einführung in die Mineralogie und Petrographie J.G. Raith/ L.W. Diamond 7/
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. 620.073 Einführung in die Mineralogie und Petrographie J.G. Raith/ L.W. Diamond 8/
DIAGENESE VON SEDIMENTGESTEINEN Abb. 6. Schema diagenetischer Prozesse 620.073 Einführung in die Mineralogie und Petrographie J.G. Raith/ L.W. Diamond 9/
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 CaCO 3 in Meerwasser: Meerwasser ist thermodynamisch gesättigt bezüglich Calcit (das trigonale CaCO 3 Polymorph) and untersättigt bezüglich Aragonit (das orthorhombische CaCO 3 Polymorph) Calcit hat retrograde Löslichkeit (weniger löslich mit Zunahme der Temperatur; mehr löslich mit zunehmender Tiefe) Ausfällung von CaCO 3 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 CaCO 3 in Meerwasser: CaCO 3 beginnt sich einige Hunderte m unterhalb der Meeresoberfläche aufzulösen. Plankton bildet aber ständig CaCO 3 Skelette. Zwischen ~4.5 and 5 km Tiefe ist die Nachschubrate von CaCO 3 in Balance mit der Löslichkeit von CaCO 3 ( carbonate compensation depth, CCD; Karbonat-Kompensationstiefe) Es bilden sich keine Karbonatgesteine unterhalb von 5 km! Abb. 7. Abbildung zur Erklärung der CCD-Grenze 620.073 Einführung in die Mineralogie und Petrographie J.G. Raith/ L.W. Diamond 10/
Bildung von Riffen KARBONATISCHE SEDIMENGESTEINE Abb. 8. Modell zur Entstehung von Riffen nach Darwin Abb. 9. Wachstumsstadien von Stromatolithen eine der ältesten Lebensformen auf der Erde 620.073 Einführung in die Mineralogie und Petrographie J.G. Raith/ L.W. Diamond 11/
KARBONATISCHE SEDIMENGESTEINE Karbonatplattformen Abb. 10. Karte und Profil durch die Große Bahamabank (aus Press & Siever, 1978) 620.073 Einführung in die Mineralogie und Petrographie J.G. Raith/ L.W. Diamond 12/
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(CO 3 ) 2 ). Mehrere Mechanismen erniedrigen das Ca/Mg Verhältnis: e.g. Zufluß von Mg-reichem Grundwasser e.g. Ausfällung von Calcit und Gips (CaSO 4.2H 2 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) 620.073 Einführung in die Mineralogie und Petrographie J.G. Raith/ L.W. Diamond 13/
SIO 2 -REICHE SEDIMENTGESTEINE (CHERTS) Kieselsedimente, Hornsteine (engl. chert) = extrem feinkörnige SiO 2 -reiche Sedimente (amorphes SiO 2 kryptokrystalliner Quarz) Entstehung: (1) Gebänderte Kieselsedimente: (i) Primäre Ablagerung (marin, nicht-marin) von Skeletten von Plankton (Radiolarien, Diatomäen, Schwämme) Hauptquelle von SiO 2 -Schlämmen über weite Areale des Meeresbodens und in Seen unterhalb der CCD-Grenze aber oberhalb der Auflösungstiefe von amorphem SiO 2 (~6 km). Bänderung durch jahreszeitliche Variation in der Nährstoffversorgung des Planktons. (ii) Primäre chemische Ausfällung von SiO 2 aus hydrothermalen Fluiden am Meeresboden (geringere Mengen; z.b. an mittelozeanischen Rücken) (2) Nodulare Kieselsedimente (Hornsteinknollen): diagenetische (sekundäre) Bildung von SiO 2 -Mineralen im Porenwasser ; bilden Knollen in Kalksteinen Abb. 12. Mikrofossilien (Radiolarien, Foraminifern) mit SiO 2 - und Karbonatskeletten aus rezenten marinen Tiefseeschlämmen. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme 620.073 Einführung in die Mineralogie und Petrographie J.G. Raith/ L.W. Diamond 14/
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 ++ --, SO 4 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) 620.073 Einführung in die Mineralogie und Petrographie J.G. Raith/ L.W. Diamond 15/
ANDERE WICHTIGE SEDIMENTE UND S. GESTEINE Fe-reiche Sedimente: mehr als 15 Gew.% Fe in Form von Eisenoxiden (Hämatit) und Fe- Hydroxiden (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. 620.073 Einführung in die Mineralogie und Petrographie J.G. Raith/ L.W. Diamond 16/