Sedimentologie: Prozesse, Gesteine und Lagerstätten

Sedimenttypen: Klastische und Chemische Sedimente

Klastische (Terrigene) Sedimente

Klastische Sedimente werden aus Mineralien oder Gesteinen gebildet. Diese Fragmente, auch Klasten oder Körner genannt, bilden sedimentäre Gesteine. Charakteristische Merkmale für die Sedimentbildung sind die Korngröße, Kornform und die Sortierung der Körner.

Chemische Sedimente

Chemische Sedimente entstehen aus Materialien, die gelöst, transportiert und durch chemische Fällung oder biochemische Prozesse abgelagert wurden. Diese Sedimentgesteine resultieren aus chemischer Fällung.

Sedimentationsprozesse

Mechanische oder Physikalische Sedimentation

Tritt ein, wenn Materialien im festen Zustand abgelagert werden.

Chemische oder Biochemische Sedimentation

Materialien werden gelöst und transportiert, wobei ihre chemische Fällung erfolgt oder Lebewesen an der biochemischen Ausfällung beteiligt sind.

Arten der Verwitterung

Mechanische oder Physikalische Verwitterung

Führt zur Zerstörung von Gesteinen in kleinere Stücke, ohne Veränderung ihrer chemischen Zusammensetzung. Sie tritt typischerweise in Wüsten- und Kaltklimazonen auf. Es gibt drei Arten mechanischer Verwitterung:

• Dekompression

  Bruch des Gesteins durch Druckentlastung, verursacht durch Erosion und Abtragung überlagernden Materials.

• Gelifraktion (Frostsprengung)

  Wiederholte Fragmentierung durch Keilwirkung, wenn Wasser in Rissen gefriert und sich dabei ausdehnt (auch als Kryoklastie bekannt).

• Temperaturwechsel

  Starke Temperaturschwankungen zwischen Tag und Nacht, besonders in Wüsten, führen zu Ausdehnung und Schrumpfung des Gesteins, was zu Schwächung und Bruch führt.

Chemische Verwitterung

Eine wesentliche Veränderung der chemischen Zusammensetzung von Gesteinen, begünstigt durch Temperatur und Feuchtigkeit. Die wichtigsten Umwandlungen sind:

• Auflösung

  Wasser löst bestimmte Mineralien wie Steinsalz, Sylvin, Gips, Kalk und insbesondere Karbonate. Letztere werden durch CO₂ (Kohlendioxid) im Regenwasser leicht gelöst, was zur Bildung der sogenannten Karstlandschaften führt, die typisch für Kalksteinregionen sind.

• Oxidation

  Die Verbindung von Sauerstoff mit Metallen wie Eisen, das in den meisten Gesteinen vorkommt.

• Hydrolyse

  Besteht in der Zerstörung der Kristallgitter von Mineralien durch Wasserbestandteile. Silikate, insbesondere Feldspäte, werden durch diesen Prozess in Tonminerale umgewandelt.

• Hydratation

  Wasseraufnahme von Mineralien aus Gesteinen. Bei Tonmineralen führt dies zur Bildung von quellfähigem Ton.

Biologische Verwitterung

Verwitterung, die durch lebende Organismen verursacht wird. Sie kann zwei Typen umfassen:

• Physikalische biologische Verwitterung

  Z.B. die Wirkung von Pflanzenwurzeln, die in Gesteinsspalten eindringen, oder die Verwitterung durch grabende Tiere.

• Biochemische Verwitterung

  Einige Lebewesen sondern Säuren ab, die Gesteine chemisch verändern, z.B. Flechten, Pilze, Bakterien und einige Muscheln.

Bodenzusammensetzung

Anorganischer Teil

Dieser besteht aus einem festen Anteil (Gesteine), einer flüssigen Fraktion (Mineralsalze und Wasser) und einem gasförmigen Anteil (Kohlendioxid und Sauerstoff).

Organischer Teil

Wird durch Lebewesen gebildet und deren Überreste, die im Zersetzungsprozess durch Humifizierung Huminsäuren bilden, aus denen der Bodenhumus entsteht.

Prozesse der Bodenbildung und Reifung

• Physikalische und chemische Verwitterung des Muttergesteins.
• Biologische Verwitterung und Ansiedlung von Lebewesen im Boden.
• Prozesse der Humifizierung und Mineralisierung.
• Translokation von Stoffen: Transport, Trennung, Mischung und Konzentration von Mineralien im Boden durch die Einwirkung von Wasser und Lebewesen. Dieser Prozess umfasst Auslaugung und die Ausfällung oder Anreicherung von Salzen.

Bodenhorizonte

• Horizont O (Organischer Horizont)

  Dieser besteht aus Blättern, Ästen und anderen organischen Abfällen im Verfall.

• Horizont A (Oberboden / Auswaschungshorizont)

  Er ist reich an Humus, arm an Mineralien und Tonmineralen, die durch infiltrierendes Wasser ausgewaschen und in tiefere Schichten transportiert werden. Er ist dunkel gefärbt durch den hohen Humusgehalt.

• Horizont B (Unterboden / Anreicherungshorizont)

  Hier reichern sich die aus Horizont A ausgewaschenen Salze an. Er enthält keinen Humus; seine Farbe ist unklar, wenn Calciumcarbonat ausgefällt wird, oder rot, wenn Eisen- und Aluminiumoxide ausgefällt werden.

• Horizont C (Muttergestein)

  Er enthält große und kleine Fragmente des Muttergesteins sowie Sand und Ton.

• Horizont R (Festgestein)

  Dies ist das unveränderte oder unverwitterte Festgestein.

Wüstenbildung und Desertifikation

Wüstenbildung (Natürlicher Prozess)

Der natürliche Prozess der Verschlechterung der Bodenqualität, der zum Verlust der Bodenfruchtbarkeit führt.

Desertifikation (Anthropogen verstärkt)

Dies ist ein natürlicher Prozess, der jedoch durch menschliche Aktivitäten wie Abholzung, Ackerbau an Hängen, Brände und Bodenverschmutzung verstärkt oder beschleunigt wird.

Konzept sedimentärer Umgebungen

Die Größe des Bereichs, in dem sich Sedimente ansammeln. Die Druck- und Temperaturbedingungen sind hier im Vergleich zu metamorphen und magmatischen Umgebungen niedriger. Sedimentäre Umgebungen können kontinental, küstennah oder marin sein.

Kontinentale Sedimentationsräume

Fluviale (Fluss-) Umgebungen

Fluviale Sedimentation tritt in Flussauen und -kanälen auf. Die Sedimente sind detritisch; Konglomerate und Sandsteine bilden sich in Flusskanälen, während Schiefer in den Auen entsteht.

Schwemmkegel (Alluvialfächer)

Bilden sich am Ende von Sturzbächen. Hier findet detritische Sedimentation statt, die Konglomerate, Tone, Sandsteine und Schiefer bildet.

Lakustrine (See-) Umgebungen

An den Rändern des Sees findet detritische Sedimentation statt, deren Korngröße mit zunehmender Entfernung vom Ufer abnimmt. Im zentralen Bereich überwiegt chemische Sedimentation. In einigen lakustrinen Umgebungen können sich Kohlen bilden.

Äolische (Wüsten-) Umgebungen

Hier tritt windbedingte (äolische) und detritische Sedimentation auf.

Glaziale (Gletscher-) Umgebungen

Bezogen auf Gletscher. Sie bilden schlecht sortierte Ablagerungen, die als Moränen bezeichnet werden. Es handelt sich um grobkörnige detritische Gesteine.

Übergangs- oder Küsten-Sedimentationsräume

Flussdeltas

In Deltas tritt detritische Sedimentation auf, die Sandsteine und Silt bildet. Manchmal sammeln sich Pflanzenreste an und bilden Kohle; in versumpften Gebieten kann sich Plankton ansammeln und massive Ölvorkommen bilden.

Strandbereiche

Hier bildet sich detritische Sedimentation, bestehend aus Sandsteinen und Konglomeraten.

Barriereinseln

Hier treten Schutt- und Trümmerablagerungen in einer Barriere parallel zur Küste auf. Detritischer Schlick und Karbonatsedimente finden sich in der Zwischenzone zwischen der Barriere und der Küste.

Marine Sedimentationsräume

Festlandsockel (Schelf)

In ihnen wird viel Sediment abgelagert. Es gibt zwei Arten: detritische Sedimente auf dem Schelf näher an der Küste und Karbonatplattform-Sedimente oder chemische Ausfällungen in abgelegeneren Gebieten.

Kontinentalhang

Der Hang weist eine steile Neigung auf, wodurch Trübeströme entstehen, die detritische Ablagerungen mit wechselnden Schichten aus Sand und Schiefer bilden.

Tiefseebecken

Die Sedimentation ist hier wenig intensiv. Die Sedimente bestehen hauptsächlich aus chemischen Ausfällungen kieselsaurer Zusammensetzung und auch in erster Linie feinkörnigem Detritus.

Merkmale einer Sedimentschicht

• Dach (Obergrenze)

  Die obere Grenze der Schicht.

• Sohle oder Basis (Untergrenze)

  Die untere Grenze der Schicht.

• Mächtigkeit

  Dies ist die Dicke der Schicht.

• Lithologie

  Art des Sedimentgesteins, das die Schicht enthält.

• Einfallen (Neigung)

  Der Winkel, der zwischen der Schicht und der horizontalen Ebene gebildet wird, wenn die Ebene senkrecht steht.

• Streichen (Richtung)

  Die Richtung, in die die Schicht geneigt ist, bezogen auf die Nord-Süd-Richtung.

• Sedimentäre Strukturen

  Dies sind Merkmale auf der Oberfläche einer Schicht, die durch geologische Prozesse während der Sedimentation gebildet werden, z.B.:

  • Rippelmarken oder Wellen: Gebildet durch Wind oder Wasser, z.B. im Wüstensand.
  • Spuren von Tieren.
  • Strömungsmarken.
  • Trocknungsrisse.

Stratigraphie

Definition der Stratigraphie

Ist der Zweig der Geologie, der sich mit der Untersuchung von Schichten befasst. Sie basiert auf zwei Prinzipien:

• Prinzip der Schichtenüberlagerung: Die jüngsten Schichten liegen oben und die ältesten unten, es sei denn, die Schichten wurden tektonisch umgelagert.
• Prinzip der Kontinuität: Eine Schicht hat in ihrer gesamten Ausdehnung das gleiche Alter.

Stratigraphische Serie

Ist eine geordnete Abfolge von Schichten; die Darstellung einer stratigraphischen Serie ist die Schichtfolge.

Altersbestimmung von Schichten: Die Rolle der Fossilien

Konzept der Fossilien

Fossilien sind Spuren oder Überreste von Lebewesen, die in der Vergangenheit gelebt haben. Die Paläontologie ist die Wissenschaft, die sich mit ihrer Erforschung befasst.

Nutzen von Fossilien

Sie werden zur Datierung und Korrelation von Sedimentgesteinen verwendet. Die nützlichsten Fossilien sind als Leitfossilien bekannt.

Diagenese

Konzept der Diagenese

Die Gesamtheit der Umwandlungen, die in Sedimenten während und nach ihrer Ablagerung und Verfestigung auftreten, was zur Umwandlung des Sediments in Gestein führt.

Arten der Diagenese

• Kompaktion oder physikalische Diagenese

  Besteht in der Volumenreduzierung von Sedimenten durch Verdichtung der Partikel und Verdrängung des Porenwassers.

• Chemische Diagenese (Zementation)

  Ist die Verfestigung der Sedimente durch ein Zementationsmittel, das in den meisten Fällen Calciumcarbonat ist.

Typen von Sedimentgesteinen

Detritische Sedimentgesteine

Bilden sich aus Fragmenten und werden nach der Größe der Fragmente klassifiziert.

• Rudite (Grobklastika)

  Umfassen Brekzien (mit eckigen Fragmenten) und Konglomerate (mit gerundeten Fragmenten).

• Arenite (Sandsteine)

  Umfassen Sandsteine. Sie werden klassifiziert in:

  • Quarzarenite, Orthoquarzite oder kieselsaurer Sandstein: Hauptsächlich aus Quarz.
  • Arkosen: Gebildet aus Quarz, Orthoklas und Glimmer.
  • Kalkarenite: Fragmente bestehen aus Calciumcarbonat.

• Lutite (Feinklastika)

  Extrem kleine Korngröße. Dazu gehören:

  • Siltsteine: Mit einer Korngröße zwischen 1/16 und 1/256 mm, gebildet aus Schluffkörnern.
  • Tonsteine (Argillite): Korngröße kleiner als 1/256 mm, gebildet aus Tonpartikeln.
  • Schiefer (Sedimentär): Entstehen aus Siltsteinen oder Tonsteinen, sind aber sehr kompakt und stehen an der Grenze zur Metamorphose.

Wirtschaftlich wichtige Ablagerungen

Lagerstätten durch Verwitterung

Verwitterung kann bestimmte Minerale und Metalle von wirtschaftlichem Interesse anreichern; dieser Prozess wird als sekundäre Anreicherung bezeichnet. Die Verwitterung des Muttergesteins eliminiert unbrauchbare Minerale, und wenn keine Erosion stattfindet, können sich an der Oberfläche reiche Lagerstätten unedler Metalle wie Laterit und Bauxit bilden.

Seifenlagerstätten (Placer-Lagerstätten)

Seifenlagerstätten sind Ansammlungen sekundärer Minerale, typischerweise an Stränden, in Altwassern von Flüssen und Bächen. Sie entstehen durch die Ablagerung von Mineralien, die aus primären Vorkommen freigesetzt und mobilisiert wurden. Diese Minerale sind hart und widerstandsfähig gegen Verwitterung, wie z.B. Gold, Platin, Diamanten.