Vorlesung Chemische SedimenteWintersemester 2002/2003, Freie Universität Berlin |
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Aufgrund der überwiegend biologischen und daher vorherrschend autochthonen Genese der Kalzite kommt man mit den von klastischen Sedimenten bekannten Einteilungen bei der Beschreibung von Kalziten nicht weit. Während die z.B. Korngröße bei klastischen Sedimenten vor allem eine Funktion des Transports, und daher für die Rekonstruktion der Ablagerungsgeschichte extrem wichtig ist, ist sie bei Karbonaten, die in der Regel biogen entstehen und in unmittelbarer Nähe des Entstehungsorts abgelagert werden, vor allem eine Funktion der kalkausscheidenden Organismen. Ähnliches gilt für Form, Gestalt und Zurundung.
Vergleicht man Klastische Sediment und Kalzite nach ihren Bildungsbedingungen erhält man folgendes Bild:
| Karbonate | klastische Gesteine (Silziklastika) | |
|---|---|---|
| Ursprung | Ausfällung aus der Wassersäule (Ozeane, Seen) oder aus atmosphärischem Wasser meist unter Beteiligung von Organismen |
mechanische und chemische Verwitterung und Erosion von Krustengesteinen |
| Herkunft und Verfrachtung | Liefergebiet und Sedimentationsraum fallen meistens zusammen Bildung vor allem im subaquatischen Bereich. Bildungsort durch Lebensbedingungen der Kalkproduzenten (Photosynthese) und chemische Lösungs-, Ausfällungs- und Erhaltungsbedingungen definiert. Günstig sind Wärme, Sonnenlicht, Wasserbewegung. Mächtige Karbonatabfolgen sind auf Flachwasser der Tropen und Subtropen beschränkt. |
Liefergebiet ist die Erdoberfläche, Sedimentationsraum sind Becken auf den Kontinenten und im Meer. Das Sedimentmaterial kommt häufig durch wohl definierte Eintrittsstellen (z.B. Flussmündungen) in den Sedimentationsbereich. Zwischen Liefergebiet und Ablagerungsraum können weite Transportwege liegen. Die unterschiedlichen Transportweisen (Wasser, Wind, Eis) bewirken charakteristische Sortierung. |
| Diagenese | Die Karbonat-Minerale, die im Flachwasser gebildet werden sind metastabil, und haben unterschiedlicher Löslichkeit (Aragonit, Magnesium-Calcit). Bereits während der Ablagerung und später bei der Diagenese werden diese metastabilen Karbonate durch stabilen Calcit oder Dolomit ersetzt, d.h. es kommt zu massiven Lösungs- und Fällungsvorgängen. Damit einher gehen sowohl Korngrößenverkleinerung (z.B. Mikritisierung) als auch Korngrößenzunahme (z.B. Bildung von Ooiden), sowohl Porenraumabnahme (Zementation, Kompaktion) als auch -zunahme (sekundäre Lösung, z.T. auch Dolomitisierung). Aus stabilem Calcit aufgebaute Sedimente (z.B. der pelagische Coccolithenschlamm) sind reaktionsträge, die Diagenese verläuft ähnlich der bei den Siliziklastika. | Meist sind die diagenetischen Abläufe langsamer als bei Karbonaten; Quarz ist reaktionsträge; Tone ändern sich langsam unter Auflast. Die Porosität schwindet meist allmählich während der Diagenese; es gibt jedoch auch eine sekundäre Porositätszunahme, insbesondere wenn die Siliziklastika karbonatisch zementiert wurden |
| Korngröße, Zurundung, Sortierung | Transportprozesse bewirken eine Zerkleinerung, der Transportweg ist jedoch in der Regel gering. Bei gleicher Wellenenergie bildet sich je nach Ausgangsorganismus unter Umständen eine völlig unterschiedliche Korngrößen-Verteilung. Diagenetische Korngrößenveränderung ist weit verbreitet. | Transportprozesse dominieren die Korngrößenverteilung, Sortierung und Zurundung. Diagenetische Effekte sind weniger wichtig |
Die Korngrößenverteilung bei Karbonaten ist grob bimodal: Man unterscheidet zwischen erkennbaren einzelnen Partikeln, deren Ursprung häufig noch erkennbar ist, den sogenannten Komponenten (siehe Kapitel Komponenten) und dem fein zerriebenem Detritus, welche die Grundmasse (Matrix) ausmacht. Dieser feine Kalkschlamm wird, wenn er verfestigt ist zu mikrokristallinem Kalzit oder Mikrit. Drittens gibt es in lithifizierten Karbonaten noch den diagenetisch ausgefallenen kristallinen Zement. In der Karbonatsedimentologie werden alle Partikel mit einer Korngröße < 63 mm der Matrix zugeschlagen, gröbere Korngrößen den Komponenten. Silt ist demnach noch eine Kornklasse der Matrix, Sand oder Arenit bezeichnen Kornklassen der Komponenten. Der Begriff Grundmasse bezeichnet alles, was nicht Komponente ist, d.h. sowohl Matrix als auch Zement.
Auf dieser Dreiteilung beruhen die gebräuchlichsten Klassifikationsschemata in der Karbonatsedimentologie, jede Klassifikation erfordert die Identifizierung der Komponenten und die Abschätzung der Gehalte an Sparit und Mikrit. Um das Gestein genauer anzusprechen, gibt es nun eine Fülle von Nomenklatur-Vorschlägen, bei denen in unterschiedlichem Maß auf die relativen Anteile der verschiedenen Partikel, die Größe der Partikel, sowie auf genetische Merkmale (wie etwa die Zurundung) und Gefügetyp (z.B. festes Skelettgerüst oder nicht) hinzugezogen werden. Es existieren wohl über 40 veröffentlichte Vorschläge zur Nomenklatur und etliche Varianten davon, über die z.B,. Hsü einen Überblick bietet.
Die Klassifikation nach Folk aus dem Jahre 1962 basiert auf der Bestimmung der wesentlichen Komponenten (Vorsilbe) und der überwiegenden Grundmasse (Nachsilbe). Als Abkürzung für die Partikel wird die Silbe Bio- für Bioklasten Oo- für Ooide Pel- für Peloide und Intra- für Intraklasten verwendet. Diese Silbe wird der prinzipiellen Bezeichnung des Gesteins nach seiner Grundmasse Mikrit für mikritische Matrix bzw. Sparit für kristallinen Zement vorangestellt, so, daß sich die in der unteren Tabelle aufgeführten Kombinationen ergeben. Wenn mehrere Partikeltypen Hauptbestandteile sind, lassen sich auch Vorsilben kombinieren, z.B. Biopelsparit für ein Gestein, welches als Komponenten Bioklasten und Peloide enthält, die in einer sparitischen Grundmasse gebunden sind. Als Erweiterung kann schhliesslich auch noch die Korngröße der Partikel in den Namen einzug halten (noch dem Muster im vorherigen Kapitel), z.B. könnte man einen Biosparit mit großen Komponenten einen Biosparrudit nennen.
Einige Kalksteine fallen aus dem Schema heraus, da es von zusammengeschwemmten Partikeln ausgeht. In-situ-Bildungen, d.h. Karbonate, die an Ort und Stelle gewachsen sind und im wesentlichen durch ihre Wachstumststrukturen gekennzeichnet sind, wie z.B. Stromatholithen oder Riffgesteine werden als Biolithite bezeichnet.
| Karbonatpartikel | Bezeichnung der Kalksteine | |||
|---|---|---|---|---|
| zementiert durch Sparit | mit mikritischer Matrix | |||
| Skelettfragmente | Biosparit |  |
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Biomikrit |
| Ooide | Oosparit |  |
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Oomikrit |
| Peloide | Pelsparit |  |
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Pelmikrit |
| Intraklasten | Intrasparit |  |
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Intramikrit |
| in-situ-Bildung | Biolithit |  |
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Kalkstein mit Fenstergefüge: Dismikrit |
Klassifizierung der Kalksteine nach Komponenten und Grundmasse nach Folk
Ein anderes Klassifikationsschema von Folk ist einerseits sehr viel genauer, erfasst aber nur den Bereich zwischen Mikrit, Biomikrit, Biosparit und Sparit. Die Idee besteht darin, in dieser Abfolge eine kontinuierliche Zunahme der Strömungsenergie zu vermuten und so nicht nur eine Beschreibung, sondern gleichzeitig einen Index für die verschiedene Faziestypen mit unterschiedlichem Energieniveau zu haben. Ein reiner Mikrit wäre in diesem Sinne ein Anzeiger für sehr ruhiges Wasser. Der Übergang zu einem höheren Anteil an sparitischer Grundmasse wird als Anzeiger für die Auswaschung einer ursprünglich vorhanden mikritischen Matrix angesehen. Ein weiterer Hinweis auf das Energieniveau gibt die Zurundung und Sortierung der Partikel.
| Anteil mikritischer Karbonatschlamm > 2/3 | etwa gleiche Anteile Sparit / Mikrit | Anteil sparitischer Kalzit-Zement > 2/3 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| geschätzter Anteil an allochemen Partikeln in % | Sortierung und Rundung der Partikel | ||||||
| 0-1 | 1-10 | 10-50 | >50 | schlecht sortiert | gut sortiert | sortiert und gerundet | |
| micrite & diamicrite | fossiliferous micrite | sparse biomicrite | packed biomicrite | poorly washed biosparite | unsorted biosparite | sorted biosparite | rounded biosparite |
Erweitertes Klassifikationsschema nach Folk (1962). Auch hier wäre die Tabelle von oben nach unten zeilenweise durchzugehen, um eine treffende Beschreibung zu finden. In das erweiterte Klassifikations-Konzept gehen Merkmale ein, die auf die Reife des Sediments (Aufarbeitungsgrad) hinweisen, wie z.B. die Zurundung der Partikel.
| Ablagerungsstrukturen erkennbar | keine Ablagerungsstrukturen erkennbar | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| Primäre Komponenten während der Sedimentation nicht organogen gebunden | Primäre Komponenten während der Sedimentation organogen gebunden | ||||
| enthält Mikritschlamm | Mikrit fehlt | ||||
| Mikritschlamm-gestützt (Partikel schwimmen im Mikrit) | Partikelgefüge (Komponenten stützen einander) | ||||
| <10% Komponenten | >10% Komponenten | ||||
| Mudstone | Wackestone | Packstone | Grainstone | Boundstone | Cristalline |
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Klassifikationsschema von Karbonaten, modifiziert nach Dunham (1962). Die Tabelle ist wie ein Auschluß-Schema von oben nach unten zu lesen, d.h. erste Frage wäre: "gibt es erkennbare Ablagerungsstrukturen (Partikel, Körner...)" - ja/nein usw.
Der Terminus Boundstone (entsprechend Biolithit nach FOLK) umfasst Karbonate, die "in situ" d.h. an Ort und Stelle durch Tätigkeit von Organismen gewachsen sind. Z.B. alle Riffkarbonate. Um hier noch weiter differenzieren zu können wurde das Konzept von Dunham später erweitert. Boundstones lassen sich demnach nach der Art der gesteinsbildenden Tätigkeit der Organismen wie folgt unterscheiden:
| Primäre Komponenten während der Sedimentation organogen gebunden (Boundstone) | ||
|---|---|---|
| Organismen wirken als Sedimentfänger, Organismen ragen in die Wassersäule (z.B. Riffrasen, Halimeda aber auch z.B. Mangrovenwälder) | Organismen wirken als Sedimentbinder z.B durch Inkrustierung (z.B. Stromatolithen) | Organismen erzeugen festes miteinander verbundenes Gerüst, z.B. Riffkorallen |
| Bafflestone | Bindstone | Framestone |
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Weitere Untergliederung von organisch verbundenen Karbonatgesteinen nach Art der Aktivität der Organismen. Ergänzung zum Konzept von Dunham nach Embry & Klovan (1971)
auf den Server überspielt am 22.08.2002 David Völker