In der letzten Ausgabe von Wat On Earth habe ich mich mit der Klassifizierung von Eruptivgestein (oder feuergeformtem Gestein) beschäftigt. In dieser Ausgabe möchte ich das Thema der Sedimentgesteine erkunden. Dies ist die zweite große Gesteinsfamilie, die für den Menschen von Interesse ist, weil sie in der Vergangenheit viele Werkzeuge lieferte und uns heute die meisten Gesteinsressourcen zur Verfügung stellt sowie viele unserer Energiemineralien und bestimmte wichtige Mineralien von großer wirtschaftlicher Bedeutung liefert (oder beherbergt). Sedimentgesteine sind auch deshalb von Bedeutung, weil sie die fossilen Aufzeichnungen des Lebens auf dem Planeten Erde beherbergen.
Wie der Name schon sagt, sind Sedimentgesteine aus bereits vorhandenen Sedimenten entstanden. In zwei Ausgaben von WAT ON EARTH habe ich den Gesteinszyklus beschrieben: wie Gesteine durch Verwitterung und Erosion aus noch älteren Gesteinen abgebaut werden. Die freigesetzten Körner werden durch verschiedene Mechanismen an einen Ort getragen oder transportiert, wo sie sich in Abfolgen von Sedimenten ansammeln. Es gibt viele Zwischenstationen, aber letztendlich landen die meisten Sedimente in einer marinen Ablagerungsumgebung. Sedimentgesteine können daher aus Körnern verschiedener Größen, Formen und Zusammensetzungen bestehen, die miteinander verkittet oder verdichtet und rekristallisiert wurden. Dies sind die klastischen Sedimentgesteine. Andere Sedimentgesteine können sich aus Ablagerungen bilden, die durch chemische Lösungen (chemische Ausfällungen) entstanden sind, oder aus Ablagerungen, die sich aus den Überresten toter Organismen (sowohl Tiere als auch Pflanzen) zusammensetzen. Die letztgenannte Gruppe bildet Sedimentgesteine, die weitgehend biologischen Ursprungs sind. Die nach der Ablagerung stattfindende Umwandlung von Sediment in Sedimentgestein wird als Diagenese bezeichnet, und das Endergebnis ist in der Regel eine Lithifikation, bei der das ehemals unverfestigte Sediment in Gestein umgewandelt wird. Zwei Prozesse sind üblich: Verdichtung (bei der die Sedimente komprimiert werden und Wasser aus den Porenräumen zwischen den Körnern verdrängt wird) und Zementierung. Bei der Zementierung werden bestimmte Mineralien (z. B. Kalzit, Eisenoxide und Kieselsäure) vom versickernden Grundwasser in die Porenräume getragen. Hier fallen sie aus und zementieren schließlich die Körner zusammen.
Wie in der letzten Ausgabe von Wat On Earth ist die mittlere Seite dieser Ausgabe einer Illustration vieler dieser verschiedenen Gesteinsarten gewidmet. Auf der gegenüberliegenden Seite sind einige Merkmale von Sedimentgestein abgebildet.
Um die Seite herum im Uhrzeigersinn: oben links – Foto einer Gruppe von Studenten aus Waterloo, die einen Abschnitt von Karbonschichten am Mullaghmore Head in Nordirland untersuchen. Der Abschnitt besteht aus abwechselnden Sandsteinen, Siltsteinen und Schiefer. Die weicheren Schiefer wurden leichter erodiert, während sich die Sandsteine als widerstandsfähige Schichten abzeichnen. Das Diagramm oben rechts veranschaulicht die Position der Sedimentgesteine (2) im Gesteinskreislauf. Man beachte, dass es einen Eintrag aus dem Weltraum gibt, der insbesondere zu den marinen Sedimenten beiträgt. Unmittelbar unter dem Diagramm des Gesteinszyklus befindet sich ein Diagramm, das die Wentworth-Klassifikation in Bezug auf die Korngröße und die Bildung verschiedener klastischer Sedimentgesteine veranschaulicht. Vergleichen Sie dieses Diagramm mit den ersten beiden Spalten (Sedimente und Gesteine), die den Teil „Klastische Gesteine“ der mittleren Tabelle bilden. Das dritte und unterste Diagramm veranschaulicht einige der wichtigsten Sedimentgesteine, die entweder chemischen oder biologischen Ursprungs sind. Die meisten von ihnen sind auch auf der mittleren Seite abgebildet. Das untere Foto zeigt den Delicate Arch im Arches National Monument in Utah. Diese 26 m hohe und 20 m breite Struktur besteht aus Entrada-Sandstein aus dem Oberjura. Die Struktur entstand durch die Erosion von „Flossen“ aus dem lokalen Grundgestein, die durch Wind und Frost abgetragen wurden. Unmittelbar darüber ist ein Blick auf die Niagara-Schlucht zu sehen, wo das Wasser des Eriesees über den Rand des silurischen Lockport-Dolomits am Niagara-Steilhang stürzt. Jedes der Fotos veranschaulicht die Geomorphologie, die mit Sedimentformationen unterschiedlichen Alters verbunden ist.
Mittelfaltseite: Das Verständnis von Sedimentgestein ist relativ einfach, da es sich um Materialien handelt, die wir täglich sehen. Oben sehen Sie einen Panoramablick auf eines der spektakulärsten Sedimentgesteinvorkommen der Welt in den oberen Schichten des Grand Canyon. Praktisch alle Gesteine, die Sie sehen können, sind horizontale Sandsteine, Kalksteine und Schiefer, die im Laufe von etwa 250 Millionen Jahren in den Meeren des Paläozoikums abgelagert wurden. In diesen Meeren lebten auch die riesigen Trilobiten, die in einem anderen Artikel in dieser Ausgabe abgebildet sind.
Unten auf der mittleren Seite habe ich versucht, die meisten der üblichen Gesteinsarten zu illustrieren. Einige wenige sind eher „exotisch“, aber auch sie sind wichtig. Die Tabelle ist in drei Abschnitte unterteilt, die sich auf klastische, chemisch ausgefällte und biologische Sedimentgesteine beziehen. Der linke Block besteht aus einer Doppelspalte. Die erste Spalte zeigt Beispiele für den Sedimenttyp (siehe Diagramm 2 auf der vorigen Seite), die zweite Spalte ihre lithifizierte Entsprechung. Eckige Klasten (Gesteinsfragmente) stammen in der Regel von Frostsprengungen. Die Fragmente haben keinen weiten Weg zurückgelegt und werden in der Regel durch die Schwerkraft bewegt, indem sie von Bergen herunterfallen und sich als Geröllhalden oder Schuttkegel am Fuß von Hängen ansammeln. Ihre Gegenstücke finden sich in der als Brekzie bezeichneten Gesteinsart. Wenn die Erosionskräfte ins Spiel kommen und ein Transport, insbesondere durch Wasser, stattfindet, werden die kantigen Gesteinsbrocken abgeschliffen und bilden abgerundete Felsbrocken oder Gerölle. Dieses Gesteinsäquivalent wird als Konglomerat bezeichnet. Durch den Transport über große Entfernungen wird die Größe der Klasten allmählich von Granulat zu Sandpartikeln reduziert. Das Gesteinsäquivalent ist der Sandstein. Diese sind häufig durch verschiedene Mineralien, Kalzit, Eisenoxide oder Kieselsäure zementiert. Der Sandstein erhält dann eine sekundäre Bezeichnung wie „kalkhaltiger Sandstein“ oder „eisenhaltiger Sandstein“. Ein Sandstein besteht normalerweise aus Kieselsäurekörnern. Wenn diese Körner durch Kieselsäure zementiert sind, spricht man von Quarzit (siehe Abbildung rechts von Sandstein). Eine Gesteinsart, die nicht abgebildet ist, ist die Arkose – ein Sandstein, bei dem mehr als 25 % des Gesteins aus Feldspat bestehen. Solche Gesteine entstehen normalerweise in montanen, relativ trockenen Umgebungen. Trocken, weil die Gesteinsbrocken noch nicht zu sehr verwittert sind (unter heißen, feuchten Bedingungen verwittert Feldspat oft leicht). Die kantige Beschaffenheit der Körner deutet darauf hin, dass der Transport keine große Rolle gespielt hat.
Wenn das Sediment jedoch weiter transportiert wird, verringert sich die Korngröße noch weiter und es bildet sich Schluff. Die Partikelgrößen erreichen nun den Punkt, an dem sie sowohl vom Wind als auch vom Wasser leicht transportiert werden können. Das windverfrachtete Sediment, das sich als Löss ansammelt, fällt in diese Kategorie. Der als Schluffstein bekannte Gesteinstyp besteht aus sehr feinem Quarz, Glimmer und anderen verschiedenen Mineralien und ist das lithifizierte Äquivalent des Schluffs. Die feinste Fraktion im klastischen Größenbereich schließlich ist Ton. Diese Fragmente sind so winzig, dass sie lange in der Schwebe bleiben und sich in der Regel erst absetzen, nachdem sie sich zu größeren Partikeln zusammengeschlossen haben. Wenn sie sich anreichern, wird die lithifizierte Gesteinsart als Schiefer bezeichnet. Stark organische Äquivalente können sehr schwarze Schiefer mit einem ausgeprägten „öligen“ oder „erdölhaltigen“ Geruch bilden, da sie sehr reich an Kohlenstoff und aromatischen Verbindungen sind. Sie bilden fossile Schiefer und „Ölschiefer“, die zukünftige Erdölquellen sein könnten.
Der zweite zweispaltige Block zeigt Gesteine, die durch chemische Ablagerungen entstanden sind. Solche Gesteine entstehen, wenn Material in Lösung an einen Ort gebracht wird, meist ein Meeresbecken oder ein See in einem Wüstengebiet, wo Wasser verdunstet. Lösungen bestimmter Ionen werden ausgefällt und bilden Gesteine, die reich an Kalzium, Magnesium, Kieselsäure, Natrium und (in der Vergangenheit) Eisen sind. Einige dieser Gesteine werden hier vorgestellt, beginnend mit den kalziumreichen Ausfällungen. Kalksteine sind ein wichtiges Beispiel. Alle Kalksteine zischen leicht, wenn verdünnte Salzsäure (10 %ige Lösung) aufgetragen wird, da die Säure mit dem Calciumcarbonat reagiert. Das gezeigte Beispiel ist ein grauer, feinkörniger Kalkstein, der von weißen Calcitadern durchzogen ist. In warmen tropischen Gewässern kann sich in Meerwasser, das starken Strömungen ausgesetzt ist, reichlich gelöstes Kalzium um winzige Muschelfragmente herum ablagern. Diese können oolithische Kalksteine bilden, bei denen sich kleine Kalziumkarbonatkörner mit Schichten von Kalzit konzentrisch um einen Kern ablagern.
Doloston, ein aus Kalzium und Magnesium bestehendes Gestein, ist eng mit Kalkstein verwandt, wobei das Magnesium aus dem Meerwasser einen Großteil des ursprünglichen Kalziumgehalts eines bereits vorhandenen Kalksteins ersetzt. Die saure Reaktion ist langsamer. Dolomitsteine sind in der Nähe von Waterloo in bestimmten Gesteinsabfolgen entlang des Niagara-Steilhangs zu finden. Travertin und Tuffstein (starke Säurereaktion) sind chemisch ausgefällte Gesteine, die aus Kalziumkarbonat bestehen. Travertin ist in der Regel dicht und gebändert, während Tuffstein eher schwammig ist. Travertin (in Form von Speläothemen) kommt am häufigsten in Höhlen vor, vor allem in den spektakulären Formationen, die als Tropfstein, Fließstein, Stalaktiten, Stalagmiten, Heliititen und Säulen bekannt sind.
In Kalk- und Dolomitsteinen findet man häufig Schichten oder Knötchen aus Kieselsäure. Das sind Schichten aus Hornstein oder, im Falle der Kreide, aus Feuerstein. Feuersteine werden seit dem Paläolithikum verwendet; in der archäologischen Literatur aus Ostengland sind bekannte Massenproduktionsstätten für Speerspitzen, Schaber, Pfeilspitzen und Werkzeugsätze beschrieben. Bis vor kurzem wurden sie auch für Feuerwaffen (Gewehre mit Steinschloss) und beim Bau von Gebäuden verwendet, wo diese Gesteinsart häufig vorkommt. Feuersteine aus Kalk- und Dolomitgestein entlang des Niagara-Steilhangs wurden von paläoindianischen Jägern verwendet, die im Südwesten Ontarios Karibus, Mastodons und Mammuts jagten. Sowohl Feuersteine als auch Hornsteine haben in der Regel eine graue Farbe (obwohl sie von fast weiß über buff bis fast schwarz oder sogar rot reichen können) und sind mit einem gleichmäßigen bis leicht muscheligen Bruch gespalten. Gemeinsam ist ihnen, dass sie von geschickten Werkzeugmachern geformt werden können und über einen langen Zeitraum eine unglaublich scharfe Schneide behalten.
Gips ist ein chemischer Niederschlag (wässriges Kalziumsulfat), der häufig in Mergelschichten vorkommt, einer kalziumreichen, tonhaltigen Gesteinsart. Gips- und steinsalzhaltige Mergelschichten lagerten sich ursprünglich in Gebieten mit hoher Verdunstung ab, die von Meereswasser überflutet wurden. Solche Gebiete findet man heute entlang von Teilen des subtropischen Persischen Golfs. Steinsalz (das fast ausschließlich aus Natriumchlorid besteht) ist ein wichtiges Wirtschaftsmineral. In Ontario ist es um Windsor und nördlich bis Goderich zu finden (siehe WAT ON EARTH 14 (2) Frühjahr 2001). Salzlagerstätten gibt es auch in den maritimen Provinzen und im Westen Kanadas. Die westkanadischen Salzabfolgen werden von einem anderen wirtschaftlich wichtigen, rot- und weißgefärbten, kaliumreichen Salz, dem Sylvit, dominiert. Die letzte Gesteinsart in dieser Gruppe ist der rot- und graubandige sedimentäre Eisenstein, der in der Region um den oberen Lake Superior verbreitet ist. Zu diesen Ablagerungen gibt es eine umfangreiche Literatur (Blatt et al., 1980), aber im Allgemeinen sind sie präkambrischen Alters und meist zwischen 2600 und 1800 Millionen Jahre alt. Einige sind wesentlich älter und einige kleine Ablagerungen sind jünger. Sie zeichnen sich durch dünne und dicke Bänder aus, in denen sich Jaspis (roter Hornstein) und Magnetit- und Hämatit-reiche Schichten aus Eisen abwechseln. Auch andere Formen von Eisen können sich mit den Hornsteinhorizonten abwechseln. Es handelt sich um wirtschaftlich wichtige Gesteine, die die Quelle großer Eisenvorkommen auf beiden Seiten der Grenze zwischen Kanada und den USA sind.
Der dritte Block von Bildern umfasst gewöhnliche Sedimentgesteine, die eine starke biologische Komponente aufweisen. Wie ich bereits bei der Erörterung der Eruptivgesteine erwähnt habe, verabscheut die Natur eine „Abschottung“, und einige dieser „Kisten“ überschreiten Grenzen. Das Meerwasser enthält jedoch große Mengen an Kalziumkarbonat, das nicht nur ausfällt, um die chemischen Sedimentgesteine zu bilden, sondern auch von Organismen genutzt wird, die Karbonatschalen bilden. Wenn sie sterben, können die Schalen riesige Ablagerungen von Muschel-Detritus bilden, der oft als „Muschelkalk“ erhalten bleibt. Dies ist heute in Form von Muschelkalk zu sehen (der fast vollständig aus vollständigen oder zerbrochenen Schalen der Flachwasser-Muschel Coquina besteht). In der Vergangenheit waren Muscheln nicht so häufig wie heute. Die Abbildung „Shelly Limestone“ zeigt Brachiopoden in einer devonischen Karbonatschlammablagerung aus der Region Arkona im Südwesten Ontarios. Crinoidal-Kalke (nicht abgebildet) bestehen aus Fragmenten der Stängel von Seelilien (Echinodermata) und bilden Shelly-Detritus-Bänder in bestimmten Felsen entlang des Niagara Escarpment. Korallen, die aus den Überresten unzähliger Billionen karbonatabsondernder Polypen bestehen, bilden heute riesige Ablagerungen wie im Great Barrier Reef, aber auch in der ferneren geologischen Vergangenheit. Viele der Bohrziele für Erdöl und Erdgas im Süden Ontarios (und anderswo) zielen auf kleine Fleckenriffe aus Korallen und Algengemeinschaften ab, wo die Porosität innerhalb und zwischen den fossilen Organismen die Ansammlung dieser Energiemineralien ermöglicht hat. Kreide ist ein besonders reiner Kalkstein, und verdünnte Salzsäure, die auf diese Gesteinsart aufgebracht wird, führt zu einer äußerst heftigen Reaktion. Kreide entstand ursprünglich als Schlamm des Meeresbodens und bestand aus den Überresten von Billionen von Foraminiferen, den so genannten Coccolithen. Neben der Kreideabbildung sind Elektronenabtastungsbilder zu sehen, wobei der zentrale, cremefarbene Organismus ein Beispiel für die modernen Kalkforaminiferen namens Globigerina darstellt.
Der nächste Block von vier Bildern (Torf bis Anthrazit) veranschaulicht ein weiteres Energiemineral – Kohle. Kohle entsteht durch die Ansammlung von Vegetation unter anaeroben Bedingungen. Der Detritus bildet sich in Sümpfen oder Lagunen und bildet ein wassergesättigtes organisches Bett aus Torf. Mit der Zeit und der Verdichtung durch die darüber liegenden Sedimente verliert der Torf Wasser und andere flüchtige Stoffe. Der Feuchtigkeitsgehalt sinkt, der Kohlenstoffgehalt steigt und der Torf verwandelt sich in Braunkohle oder Lignit. Dabei handelt es sich um minderwertige Kohlen, die oft einen hohen Schwefelgehalt aufweisen, sich nicht für den Transport über weite Strecken eignen und sich selbst entzünden können. Sie bilden die Kohlearten, die im südöstlichen Saskatchewan und in vielen ostdeutschen Steinkohlen vorkommen. Bei weiterer Verdichtung und Beanspruchung steigt der Kohlenstoffgehalt weiter an, es gehen mehr flüchtige Bestandteile verloren, die potenzielle Energieausbeute steigt und es bildet sich eine stumpfe bis glänzende Kohle, die als bituminöse Kohle bezeichnet wird. Diese Kohle eignet sich hervorragend für die Dampferzeugung und war im ersten Jahrhundert der industriellen Revolution in Großbritannien die vorherrschende Kohle. In den westlichen kanadischen Provinzen und den ehemaligen Bergbaugebieten von New Brunswick und Nova Scotia wird bituminöse Kohle abgebaut. Sie wird in der Regel für metallurgische Zwecke verwendet und dient der Stromerzeugung. Die Endstufe der Kohle als Energiemineral ist die Anthrazitkohle, eine harte, glänzende Kohle, die ohne Zerkleinerung schwer zu verbrennen ist. Diese Kohle wird in Pennsylvania abgebaut und in der Stromerzeugung als Einsatzmaterial verwendet, wenn sie mit bituminöser Kohle gemischt wird. Die Veränderungen, die mit dem Verlust von flüchtigen Bestandteilen, der Zunahme des Kohlenstoffs und der Erhöhung der Heizleistung einhergehen, werden als Veränderung des Rangs der Kohle beschrieben.
Die letzten beiden Abbildungen zeigen Schiefergestein, das einen hohen organischen Gehalt aufweist, aber nicht als Kohle definiert wird. Fossile Schiefer können reichlich Fossilien enthalten (vor allem pflanzliche Materialien, aber auch andere, wie z. B. Ammoniten). Ölschiefer (wie sie in einem Gürtel von Bowmanville, östlich von Toronto, bis zur Region Collingwood bei Owen Sound, Ontario, vorkommen) enthalten reichlich Fossilien von Trilobiten und anderen Tieren aus dem Ordovizium. Solche Ablagerungen, die nicht unbedingt das gleiche Alter haben, sind in vielen Teilen der Welt zu finden und könnten künftige Energiequellen oder petrochemische Rohstoffe liefern.
Die Seite nach dem Mittelbild enthält Abbildungen zu mehreren der in den obigen Beschreibungen der Sedimentgesteine genannten Themen.
Oberste Reihe, von links nach rechts. Alle sind Beispiele für chemisch abgelagerte Kieselsäure: Handbeil aus Feuerstein, Swanscombe, Kent, UK; Feuersteinknolle (knubbelige weiße Konkretion), die aus einer weicheren Kreidematrix verwittert; drei Hornsteinspitzen vom Clovis-Typ aus der Brophey Site bei Parkhill, Ontario. Die größte ist 10 cm lang.
Mittelreihe, von links nach rechts: Ein großer Stalagmit (Anm. „g“ wächst aus dem Boden), der aus Tropfstein (chemisch ausgefällte Kalziumkarbonat-Ablagerungen) besteht; Stalaktit (Anm. „c“ wächst von der Decke einer Höhle herab), mit Licht fangendem, kalziumgeladenem Wasser, das von der Spitze herabtropft; eine eigentümliche, verdrehte, stalaktitische Form von Tropfstein, bekannt als Heliktit, ebenfalls aus Kalziumkarbonat. Man beachte, dass er zum Teil sogar nach oben wächst!
Untere Reihe, von links nach rechts; Hohlraum mit Quarz, der die Mitte des Hohlraums im Kalkstein auskleidet; einige sehr große chemisch ausgefällte Konkretionen in Moeraki, Südinsel, Neuseeland; moosartige Dendriten. Es handelt sich um Manganausfällungen auf einem Kalkstein, die in keinem Zusammenhang mit organischen Wucherungen stehen.
Alan V. Morgan
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