Sedimentologie BP6 Literatur •Schäfer, A. 2005. Klastische Sedimente: Fazies und Sequenzstratigraphie •Sebastian, U. 2010. Gesteinskunde •Reading, H. (Ed.) 1996. Sedimentary Environments: Processes, Facies and Stratigraphy •Nichols G. •Nichols, G 2009. 2009 Sedimentology and Stratigraphy. Stratigraphy Blackwell Science 1 Vorlesungslayout 1. Einleitung 2. Textur von Sedimenten 3. Klassifikation von Sedimenten 4. Transportprozesse und Sedimentstrukturen 5. Umwelt und Fazies 6. Kontinente: Quelle für Sedimente und Ablagerungsraum 6.1 Gletscher und Eiskappen 6.2 Aride kontinentale Environments 6.3 Flüsse und Flussablagerungen 6.4 Seen 7. Marine Ablagerungsräume g g 7.1 Deltas und Estuare 7.2 Küsten 7.3 Schelfmeere 7.4 Ozeane 8. Diagenese Sedimentologie und Stratigraphie Sedimentologie Bildung von Sedimenten und Sedimentgesteinen Rekonstruktion von Ablagerungsbedingungen Analyse von submikroskopisch kleine Körnern und Partikeln bis zur Füllung ganzer sedimentärer Becken Stratigraphie Zeitliche et c eu und d räumliche äu c e Beziehungen e e u ge von o Sed Sedimenten e te - Sequenzstratigraphie - 2 Sedimentologische Dimensionen Raum Zeit Räumliche Skalen der Heterogenität von Sedimenten Quelle: Selly, 2000, Applied Sedimentology 3 Sedimentologie – Prozesse und Produkte Quellen von sedimentären Material •Erosion Erosion •Vulkanausbrüche •Organismen •Chemische Ausfällung Transportprozesse •Größe, Form & Verteilung von Partikeln •Sedimentstrukturen Bildung sedimentärer Körper Transport von Partikeln - Typ und Geschwindigkeit des transportierenden Mediums (Wasser, Wind, Eis) Biologische und chemische Produktion – Temperatur, Chemie, biologischer Charakter der Umgebung Ablagerungsbedingungen und Fazies Ablagerungsbedingungen Vorherrschende physikalische und chemische Prozesse auf dem Land oder im Meer und die unter diesen Bedingungen lebenden Organismen Sedimentäre Fazies Alle Merkmale eines Sediments, die die Ablagerungsbedingungen reflektieren (Lithologie, Textur, Sedimentstrukturen, Fossilinhalt) Beispiel: fluviatile Systeme 4 Ablagerungsbedingungen g g g g Klima Wasserangebot, Energie Beispiel: Flussrinne Erosion – Ablagerung Bodenbildung Bléone, Haute Provence, SE Frankreich Sedimentäre Fazies Schräggeschichtete Sandsteine: Rinnenkörper Feinklastika: Sedimente der Überflutungsebene Berrias-Valangin, Portugal 5 Zeitliche Änderungen von Ablagerungsbedingungen und Fazies Dynamische Erdoberfäche Plattentektonik – Aufrechterhalten von stofflichen Kreisläufen Gebirgsbildung – Erosion – Transport – Sedimentation – Einebnung – Auffüllen mariner Ablagerunsräume – Neuschaffung von Ablagerungsraum Beispiele •Gebiete mit alluvialer Sedimentation werden durch das Meer geflutet •Tropisches Flachmeer wird herausgehoben und durch Wüstensande bedeckt •Voranschreitender Gletscher verwandelt eine Sumpflandschaft in eine glazigene Moränenlandschaft Änderungen entstehen durch tektonische und/oder klimatische Prozesse Sedimente sind Archive für geologische Zeit Sedimente bilden den stratigraphischen Record Geologische Zeitskala – zeitlicher Rahmen für Events der Erdgeschichte 6 Textur von Sedimenten - Korngröße K öß - Sortierung - Kornform Korngröße In Deutschland (Europa) Einteilung nach DIN 4022 und DIN EN ISO 14688 Quelle: Sebastian 2008 7 Korngröße Einteilung nach Udden-Wentworth Verbreitete Anwendung im englischsprachigem Raum phi (φ) scale conversion (Lewis and McConchie, 1994) φ = –log2 (Korndurchmesser in mm) Quelle: Nichols, 2009, Sedimentology and Stratigraphy Messung der Korngröße Quelle: Sebastian (2008) 8 Messung der Korngröße - Feinfraktion Stoke‘sches Gesetz D V C D – Partikeldurchmesser V – Sinkgeschwindigkeit C – dichteabhängige Konstante Quelle: Sebastian (2008) 1. Sedimentationsanalyse 2. Sedigraph 3. Laser-Granulometer Messung der Korngröße - Sandfraktion Siebanalyse nach DIN 18123 Darstellung als Summenkurve auf logarithmischer Skala Quelle: Sebastian (2008) 9 Weitere Darstellung der Korngröße Häufigkeitskurve Statistische Parameter Mode Korndurchmesser im Max der Häufigkeitskurve g Median Hälfte der Korngrößenverteilung (50% Siebdurchgang) Mittelwert Arithmetisches Mittel aller Partikel Beispiele für Siebkurven Quelle: Sebastian (2008) 10 Quelle: Sebastian (2008) Sortierung Sortierung von Körngrößen ist die Beschreibung der Korngrößenverteilung mathematisch: 1 sigma (σ) Standardabweichung Verbale Nomenklatur (nach Folk 1974) Sehr gut – Gut – Mittelgut – Mittel – Schlecht – Sehr schlecht Extrem schlecht – – <0 0.35 35 σ 0.35 bis 0.5 σ 0.5 bis 0.7 σ 0.7 bis 1.0 σ 1.0 bis 2.0 σ 2.0 bis 4.0 σ > 4.0 σ Mittelgut sortiert Sehr gut sortiert Gut sortiert Mittel sortiert Schlecht sortiert Quelle: Boggs, 2009, Petrology of Sedimentary Rocks 11 Kornform 3 Hierarchien Form Generelle 3D-Morphologie Rundungsgrad Maß der Kantenrundung Textur der Oberfläche Mikrorelief Quelle: Boggs, 2009, Petrology of Sedimentary Rocks Klassifikation nach der Form flach kubisch länglich 3 dimensionale Charakterisierung (lange, kurze und intermediäre Achse) Klassifikation von Geröllformen nach Zingg (1935) und DIN EN ISO 14688 Quelle: Boggs, 2009, Petrology of Sedimentary Rocks 12 Rundungsgrad gut gerundet gerundet angerundet kantengerundet kantig scharfkantig Nomenklatur nach DIN EN ISO 14688 Quelle: Nichols, 2009, Sedimentology and Stratigraphy Texturelle Reife Zusammenfassende Aussage zu Korngröße, Sortierung und Rundungsgrad Maß für Erosion, Transportweg und Ablagerungsgeschichte Quelle: Nichols, 2009, Sedimentology and Stratigraphy 13 Signifikanz von Texturdaten Ökonomische Bedeutung g Korngröße und Sortierung beeinflussen Porosität und Permeabilität Reservoireigenschaften: Grundwasser, Kohlenwasserstoffe, Gasspeicherung, Geothermie Geotechnische Eigenschaften: Baugrundstabilität (Rutschungen), Bauzuschlagstoffe Rekonstruktion des Ablagerungsmilieus Interpretation von Energiezuständen während der Ablagerung (Meeresspiegelschwankungen, Tektonik, Land-Meer Interaktionen) Klassifikation von Sedimentgesteinen • Terrigene klastische Sedimente • Karbonate • Evaporite • Vulkanoklastika • Andere (Kohlen, Phosphate, Eisensteine, Kieselgesteine) 14 Klassifikation von Sedimentgesteinen Quelle: Nichols, 1999 Terrigene klastische Sedimente 15 Kies, Steine, Blöcke und Konglomerate Begriffe Konglomerat: verfestigt Brekzie: kantige bis scharfkantige Komponenten Komposition monomikt: Klasten aus einer Lithologie Ostsee bei Strande polymikt: Klasten aus verschiedenen Lithologien oligomikt: zwei bis drei Klastentypen Provenance Steinheimer Becken Textur von Konglomeraten Komponenten und Matrix Gefüge •Komponentengestützt •Matrixgestützt Aussagen zur Entstehung Dobřiš, Neoproterozoikum 16 rel. SL > - 5m Cenoman, Dresden-Coschütz Einsetzen der Diamiktitsedimentation drop stone 17 Sand und Sandstein Wüstensand, Algerien Strand, Bornholm Buntsandstein Vorstrand, Turon, Elbtal Sand und Sandstein Sand: Korngröße von 63 µm bis 2 mm Sandstein: verfestigtes Sedimentgestein mit Körnern dieser Größe S dkö Sandkörner Verwitterung und Erosion von Ausgangsgesteinen Detritische Mineralkörner Gesteinsfragmente Neubildung während Transport und Ablagerung biogen chemisch 18 Detritische Mineralkörner Quarz häufigstes Mineral Feldspat Nur in Sand und Sandsteinen mit kurzen Transportwegen Glimmer Biotit, Muskovit Schwerminerale (ρ >2.85 g/cm3) Zirkon, Turmalin, Rutil, Apatit, Granat Sonstige Olivin, Pyroxen, Amphibol Fe-Oxides Gesteinsfragmente Analyse in Dünnschliffen Magmatite g – kurze Transportwege p g •Basalt – z. B. Strände in Nähe von Vulkanen •Rhyolith – Inselbogen und Riftvulkanismus Metamorphite – kurze Transportwege •Orientierte Mineralaggregate (Schieferung) Sedimente – Uplift, Uplift Verwitterung und Erosion Sandkörner Pelite Karbonate Kieselschiefer 19 Biogene Partikel Schalenfragmente Bone Beds (Knochen und Zähne) Autigene Minerale Glaukonit (K,Na)(Fe3+,Al,Mg)2(Si,Al)4O10(OH)2 Arnager Grünsand, Bornholm 20 Ton, Schluff und Tonstein < 2 µm (< 4 µm englischsprachiger Raum) Schluff: 2 bis 63 µm Tonstein, Schluffstein Ton: Schluff und Schluffstein Zusammensetzung:: Quarz – häufigstes Mineral Untergeordnet Feldspat, M k it Calcite, Muskovit, C l it F Fe-Oxide O id Gesteinsfragmente – glaziale Erosion Transport:: Löss Landschaft nahe Hunyuan, Shanxi Province, China Suspension Ablagerung - in Strömungen mit niedriger Strömungsgeschwindigkeit - Wasser mit geringer Wellenaktivität - Windverfrachet: Löss 21 Tonminerale Strukturell – Phyllosilikate; Stofflich - Aluminosilikate Zweischichtsilikate Dreischichtsilikate (Smektit-Gruppe) Kaolinit Bildung in Böden, warmes humides Klima, saurer pH Starke Bleichung Montmorillonit Quellfähig, Bildung in Böden bei moderaten Temperaturen, neutrale bis alkaliner pH Illit Häufigstes Tonmineral in Böden temperierter Gebiete Geringe Bleichung, verwandt mit Muskovit Chlorit Böden mit moderater Bleichung und saurem pH Arides Klima Quelle: Nichols, 1999 Biogene, chemische und vulkanogene Sedimente 22 Karbonate, Kalksteine Aragonite High-Mg Calcite Calcite White Cliffs, Dover Riffkalk, Devonian Rudistenkalk, Portugal Low-Mg Calcite Dolomite Violet-Türme, Dolomiten Low-Mg Calcite Spülsaum aus Schalen, Laboe Kalk-Mergel WL, St. Lions Komponenten karbonatischer Gesteine - Biomineralisation Skelettfragmente Mollusken (Muscheln, Gastropoden etc.) Brachiopoden Echinoids Crinoiden Korallen Foraminiferen Algen Rotalgen (inkrustierend) Grünalgen Gelb-Grünalgen (Nannoplankton) Bioherme und Biostrome Korallen Bryozoen Cyanobakterien (Stromatolithen) 23 Komponenten karbonatischer Gesteine - Precipitate Ooide < 2 mm Pisoide >2 mm Onkoide Peloide (fecal pellets) < 1mm Intraklasten 0.5 mm Karbonatschlamm 2 mm Klassifikation von Karbonaten nach Korngröße Rudit Arenit Lutit - > 2 mm 63 µm – 2 mm < 63 µm nach Textur und dem Ursprung der Komponenten (DUNHAM) Information über die Bildung Quelle: Nichols (1999) 24 nach Art der Komponenten und Matrix (FOLK) Informationen über die Diagenese-Geschichte Vulkanoklastika Geotektonisches Setting MOR, Intraozeanisches Plateaus Basaltisch: große Volumina an Lava, Wenig Asche Bartholomé, Galapagos Inselbögen, aktive KR Si-reicher, Si reicher explosiv, explosiv Pyroklastika, Pyroklastika Tephra 25 Vulkanoklastika - Nomenklatur nach Korngröße Unverfestigt Verfestigt Bomben Blöcke Bomben, > 63 mm Agglomerate vulkanische Brekzien Agglomerate, Lapilli 2-63 mm Lapillistein Grobe Asche 0.06-2 mm Grober Tuff Feine Asche < 0.06 mm Feiner Tuff nach Zusammensetzung Mineralkörner, Gesteinsfragmente, Glas und Bimsstein Pyroklastischer Strom Bomben (> 63 mm) Dachsbusch, Eifel Wingertsberg, Eifel 50 cm 26 Grobe und feine Aschen, Bimsstein Wingertsberg, Eifel Evaporite Chemische Ausfällung aus Lösung Ausscheidungsfolge: 1. Karbonate (Calcite, Dolomite) 2 Sulfate (Gips 2. (Gips, Anhydrit) 3. Salze (Halit, K-Salze) Totes Meer, Jordanien Salar de Uyuni, Bolivien 27 Kieselgesteine Feinkörnige Gesteine aus Quarz Opal und Chalcedon Bildung: primär (Radiolarien (Radiolarien, Diatomeen) und diagenetisch (Flint) Stevns Klint, Dänemark Haeckel, Kunstformen der Natur (1904) Phosphate Garschella Fm auf Urgonkalk, Säntis, Schweiz M77-1, 11 °S off Peru Sedimentärer Phosphorite: Karbonat-Hydroxylflourapatit Bildung: flachmariner kontinentaler Schelf 28 Sedimentäre Eisensteine Oxide Hämatit Magnetite Fe2O3 Fe3O4 Hydroxide Goethit Limonit FeO.OH FeO.OH.H2O Karbonate Siderite FeCO3 Sulfide Pyrit FeS2 Silikate Glaukonit Chamosit KMg(FeAl)(SiO3)6.3H2O (Fe5Al)(Si3Al)O10(OH)8 Kohlen und Corg-reiche Ablagerungen Rezente Akkumulation von organischem Material In Böden – Humus In Mooren und Sümpfen, Küstenebene, Deltas – Torf In Seen und im Meer – Sapropel (Algen) Braunkohle Fossile Akkumulation von organischem Material Corg-reiche Sedimente – > 2% organischer Kohlenstoff Kohlen – >2/3 des Materials bestehen aus fester organischer Substanz Ölschiefer – Ton- und Schluffsteine mit hohem Anteil an org. Material (Kerogen und Petroleum - Öl und Gas), Muttergesteine Steinkohle 29
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