Sedimente und Sedimentgesteine: Entstehung und Klassifizierung

Denudation und Sedimentbildung

Denudation ist ein geologisches Phänomen, bei dem externe Faktoren (Wind, Wasser, Eis) Gesteine nahe der Erdoberfläche zerstören und verändern. Erosion führt zur Bildung von Absetzbecken. Die dabei entstehenden Materialien werden Sedimente genannt und sind die Bausteine sedimentärer Gesteine.

Zusammensetzung von Sedimenten

Sedimente bestehen aus bereits vorhandenen Gesteinsfragmenten unterschiedlicher Größe, losen Mineralien, Kristallen von Stoffen, die in Wasser gelöst waren und ausfielen (Niederschlag), sowie Überresten von Tieren und Pflanzen.

Detritische Sedimente

Detritische Sedimente bestehen aus Fragmenten anderer Gesteine.

Biochemische Sedimente

Biochemische Sedimente bestehen aus Überresten von Tieren und Pflanzen oder Kristallen löslicher Salze.

Sedimenttransport

Partikel, die durch Erosion entstanden sind, werden durch verschiedene Transportmittel in der Natur befördert: Wasser, Wind und Eis.

• Transport durch Wasser:
  • Ziehen (Fragmente werden geschoben und gezogen)
  • Springen (Stücke kollidieren wiederholt mit dem Untergrund)
  • Suspension (Partikel reisen innerhalb des Wasserkörpers)
  • Lösung (wasserlösliche Partikel werden transportiert)
• Transport durch Wind: Ziehen, Suspension und Springen.
• Transport durch Eis: Partikel werden an der Oberfläche oder im Inneren des Eises transportiert.

Diagenese: Verfestigung von Sedimenten

Diagenese umfasst eine Gruppe von Umwandlungen, die Sedimente in den Ablagerungsbecken erfahren. Sie umfasst zwei Hauptprozesse:

Verdichtung

Verlust des Volumens der Sedimente, wodurch die Größe der Poren zwischen den Fragmenten reduziert wird. Die Verdichtung ist eine Folge des Gewichts, das von den darüber liegenden Sedimentschichten ausgeübt wird.

Zementierung

Vereinigung der Sedimentfragmente durch Bindemittel. Die wichtigsten Zemente sind: Kalkstein (Kalzit), Silizium (Quarz) und andere Mineralien.

Tonmatrix

Eine Tonmatrix entsteht, wenn die Sedimentpartikel durch eine Masse mikroskopischer Tonminerale schwach miteinander verbunden sind.

Gefüge, Matrix und Zement

Gefüge (Plot): Die Gruppe von Partikeln, die den größten Teil des Gesteins ausmachen.

Matrix: Besteht hauptsächlich aus feineren Partikeln, die sich in den Poren des Gefüges abgelagert haben.

Zement: Material, das in den Poren des Gefüges kristallisiert und die Partikel bindet.

Klassifizierung von Sedimentgesteinen

Detritische Gesteine

Gebildet aus Fragmenten anderer Gesteine und Mineralien, die durch Erosion abgetragen, transportiert und in einem Absetzbecken abgelagert wurden. Sie werden nach der Größe der Fragmente klassifiziert:

• Rudite: Fragmente größer als 2 mm. Werden als Brekzien bezeichnet, wenn die Klasten scharfkantig sind, und als Konglomerate, wenn sie abgerundet sind.
• Arenite (Sandsteine): Fragmentgröße zwischen 2 mm und 0,06 mm. Wichtige Varietäten sind Orthoquarzite (überwiegend Quarz mit Silikat-Zement) und Grauwacken (Mischung aus Quarz, Feldspat und Gesteinsfragmenten mit Tonmatrix).
• Silt- und Tonsteine (Schiefer): Bestehen aus Mineralien mikroskopischer Größe (Silt und Ton).

Nicht-detritische Gesteine

Diese Gesteine entstehen durch chemische Ausfällung oder die Ansammlung von Überresten von Organismen. Die Hauptgruppen dieses Ursprungs sind:

Karbonatgesteine

Können durch Kristallisation von Karbonaten in Sedimentbecken, durch Wasserorganismen oder durch Ansammlung von organischem Material gebildet werden. Sie bestehen hauptsächlich aus Calcit (CaCO₃) und Dolomit (CaMg(CO₃)₂). Wenn der prozentuale Anteil von Calcit oder Dolomit größer als 90 % ist, werden sie als Kalkstein bzw. Dolomit bezeichnet. Bei geringerem Anteil spricht man von dolomitischem Kalkstein oder kalkhaltigem Dolomit. Gleichgewichtsreaktion: CaCO₃ + CO₂ + H₂O ⇌ Ca(HCO₃)₂.

Karbonatgesteine chemischen Ursprungs

• Travertin: Kalkstein, der Stalaktiten und Stalagmiten bildet.
• Oolithischer und Pisolitischer Kalkstein: Entsteht, wenn Calcit um Sandkörner kristallisiert und kleine Kügelchen bildet.
• Mikritischer Kalkstein: Besteht aus mikroskopischen Calcit-Kristallen.
• Mergel: Eine Mischung aus Kalkstein und Ton.
• Dolomit: Gesteine, die Kalkstein ähneln, aber teilweise oder vollständig aus dem Mineral Dolomit bestehen (durch Umwandlung von Calcit).

Karbonatgesteine organischen Ursprungs

• Riffkalkstein: Ansammlung von riffbildenden Korallen und anderen Organismen.
• Muschelkalk: Besteht aus Schalen von Weichtieren.
• Foraminiferenkalkstein: Ansammlung von Schalen von Foraminiferen.

Silikatgesteine

Sedimentgesteine, die hauptsächlich aus Siliziumdioxid (Quarz) bestehen und nicht primär aus Organismen mit Skeletten stammen.

Evaporite

Gebildet durch die Verdunstung von Wasser, meist in ariden Becken. Die Ablagerung beginnt oft mit Karbonaten. Die wichtigsten Evaporite sind Gips, Anhydrit und Steinsalz.

Kohlen

Dunkle Gesteine, die durch die Anhäufung und Umwandlung pflanzlicher Überreste entstehen (fossile Brennstoffe).

Entstehung von Kohle

Im Laufe der Zeit durchläuft die Schicht aus organischem Material eine Reihe von Veränderungen, da sie durch darüber abgelagerte Sedimentschichten komprimiert wird. Eine sauerstofffreie Umgebung ermöglicht die Existenz anaerober Mikroorganismen, die die organische Substanz langsam umwandeln und mit Kohlenstoff anreichern.

Kohlearten (Torf, Braunkohle, Steinkohle, Anthrazit)

Die Art der Kohle hängt vom Grad der Inkohlung ab. Ältere Kohle hat einen höheren Kohlenstoffgehalt, ist dichter, kompakter und hat einen höheren Heizwert.

• Torf: Geringster Inkohlungsgrad (ca. 55 % Kohlenstoff, 5000-6000 kcal/kg).
• Braunkohle: Mittlerer Inkohlungsgrad (ca. 70 % Kohlenstoff, 6000-7000 kcal/kg).
• Steinkohle: Hoher Inkohlungsgrad (ca. 80 % Kohlenstoff, ca. 8000 kcal/kg).
• Anthrazit: Höchster Inkohlungsgrad (ca. 90 % Kohlenstoff, über 8000 kcal/kg).

Erdöl

Erdöl ist ein Gemisch aus flüssigen, gasförmigen und festen Kohlenwasserstoffen, meist von dunkler Farbe.

Entstehung von Erdöl

Es entsteht durch die Umwandlung von organischem Material (hauptsächlich Plankton und Algen), das sich in Sedimenten in geschlossenen Meeresbecken angesammelt und unter hohem Druck und erhöhter Temperatur begraben wurde. Dieses organische Material bildet zusammen mit feinkörnigem Sediment (Schlick) eine kohlenstoffreiche Masse, Sapropel genannt.

Erdölfallen

Das entstandene Erdöl wandert aus dem Muttergestein in poröse Speichergesteine (z. B. Sandstein, Kalkstein), die es aufnehmen, bis es auf eine undurchlässige Schicht (Falle) trifft. Strukturen, die Erdölfallen bilden können, sind: Antiklinalen, Salzstöcke (Diapire), seitliche Auskeilungen poröser Schichten oder Verwerfungen, die Speichergesteine gegen undurchlässige Schichten abgrenzen.