Sedimente und Sedimentgesteine

Schichten alpinen Muschelkalks in der Partnachklamm bei Garmisch-Partenkirchen

Sandstein im Killesbergpark, Stuttgart (Schilfsandstein, Keuper)

Wechsellagerung von Sandsteinen und Tonsteinen im Flysch der Niederen Beskiden (auf polnischer Seite)

Randmarine Sedimente der Trias von Utah, USA

Sedimente und Sedimentgesteine, auch Ablagerungsgesteine oder Schichtgesteine, entstehen durch Sedimentation, also die Ablagerung von Material an Land und im Meer (terrestrische und marine Sedimente). Davon unterschieden werden die Eruptivgesteine, die sich zwar auch an der Erdoberfläche bilden, aber aus der raschen Abkühlung einer Gesteinsschmelze hervorgehen.

Sedimente und Sedimentgesteine unterteilt man in die Hauptgruppen Klastische Sedimente (Klastika, Trümmergesteine), Chemische Sedimente, Biogene Sedimente (Organogene Sedimente) und Residualgesteine:

• klastische Sedimente entstehen nach der Erosion und dem anschließenden Transport eines schon existierenden Gesteins,
• biogene Sedimente entstehen aus der organischen oder anorganischen Substanz von Organismen und ihrer Skelette,
• chemische Sedimente entstehen durch die direkte Ausfällung in Lösung befindlicher Stoffe.
• Rückstandsgesteine (Residualgesteine) bleiben als Rückstand nach der Zersetzung eines Gesteins zurück

Der Vorgang der Sedimentation findet auf dem Land (terrestrisch), in Fließgewässern (fluviatil) oder in Seen (limnisch) und Meeren (marin) statt.

Zur Unterscheidung werden unverfestigte Sedimente Lockersediment oder auch Lockergestein genannt, während verfestigte Sedimente Sedimentgesteine genannt werden.

Bildung von Sedimentgesteinen aus unverfestigten Sedimenten

Sedimentgesteine gehen durch Diagenese (Lithifizierung, Lithogenese) aus unverfestigten Sedimenten (Lockersedimente) hervor. Bei der Diagenese kommt es durch den erhöhten Umschließungsdruck infolge der weiteren Überlagerung mit Sediment bei fortschreitender Sedimentation zur Entwässerung und Kompression einer Sedimentlage, zur Drucklösung im Kontakt von Mineralkörnern und zur Fällung eines Zements, was zur Umwandlung des sedimentären Lockergesteins in ein Festgestein führt. Ein Sonderfall der Diagenese ist die Inkohlung, bei der sich unter Wirkung von Druck und Temperatur leichtflüchtige organische Komponenten eines Gesteins abscheiden, gegebenenfalls entweichen oder dass sie sich in schwerflüchtige, zum Großteil aromatische Kohlenwasserstoffe umwandeln.

Grundlegende Eigenschaften

Charakteristisch für Sedimente ist die auf Materialwechsel zurückgehende Schichtung. Eine Schichtfläche, die Grenzfläche zweier unmittelbar übereinander liegender Schichten, ist dabei oft gleichbedeutend mit der ehemaligen Sedimentoberfläche, was, je nach Ablagerungsraum, die Erdoberfläche, der Meeresboden oder der Grund eines Flusses oder Sees gewesen sein kann. Allerdings muss eine Schichtung nicht zwangsläufig durch die eigentlichen Ablagerungsprozesse zustande gekommen sein. Sie kann auch nachträglich, während der Diagenese entstehen (sogenannte Pseudoschichtung).

Des Weiteren sind Sedimentgesteine die einzigen Gesteine, die Fossilien enthalten können. Auch war die Einwirkung von hohem Druck oder hoher Temperatur bei Sedimentgesteinen während ihrer gesamten geologischen Geschichte nicht gegeben (andernfalls spricht man, je nach Grad der Einwirkung und der damit verbundenen Veränderung des Gesteins, von Metasedimenten oder Orthogneisen).

Die sedimentbildenden Prozesse werden durch die Wirkungen der Erdatmosphäre, der Hydrosphäre und der Biosphäre auf die Oberfläche des festen Erdkörpers beeinflusst. Das Sediment wird dabei von den Bedingungen geprägt, unter denen es entstanden ist. Alle Umweltbedingungen, welche die Bildung eines Sedimentes hervorrufen oder beeinflussen, werden unter dem Begriff Milieu zusammengefasst, und die daraus resultierenden Sedimenteigenschaften (u.a. Korngröße, Kornminerale, Farbe, Fossilinhalt) bezeichnet man als sedimentäre Fazies. Milieu und Fazies sind charakteristisch für verschiedene Sedimentationsräume und in der Praxis wird der Begriff Fazies oft mit einem bestimmten Ablagerungsraum gleichgesetzt (z. B. Tiefseefazies oder fluviatile Fazies).

Einteilung

Nach dem Ablagerungsraum oder dem Ablagerungsmechanismus

Die Geologie klassifiziert den Vorgang der Sedimentation nach der Entstehung der Sedimente, der entsprechende Zweig der Wissenschaft wird Sedimentologie genannt.

Sie unterscheidet Sedimente nach ihrer Entstehung als

• Marines Sediment: vom Land durch Flüsse, Gletscher, Massenbewegungen oder Wind ins Meer verfrachtetes Gesteinsmaterial lagert sich am Meeresboden im Wattenmeer, auf dem Schelf oder dem Kontinentalhang sowie am Boden der Tiefsee ab oder bildet sich durch die Tätigkeit von im Meer lebenden Organismen (beispielsweise Korallen, Foraminiferen, Diatomeen).
• Fluviatiles Sediment: Fließgewässer lagern das mitgeführte zerkleinerte Gesteinsmaterial je nach Fließgeschwindigkeit in Form von Ton, Schluff, Sand oder Schotter ab.
• Glaziales Sediment: vom Gletschereis transportiertes Gesteinsmaterial lagert sich in Form von Moränen oder Geschiebemergel ab; Einzelblöcke bleiben als Findlinge zurück.
  • Fluvioglaziales Sediment: Schmelzwasser transportiert Gesteinsschutt und Gletschermilch vom Gletscher ab und lagert es in weiten Sanderflächen davor ab.
• Äolisches Sediment: Vom Wind transportierte Partikel lagern sich in Form von Dünen oder Lössdecken ab.
• Limnisches Sediment: In Stillgewässern, vor allem in Seen, lagern sich je nach See feinkörnige oder sehr organische Sedimente, oft als Mudden, ab.
• Pyroklastisches Sediment des Vulkanismus
• Meteoriten der Planetologie, die auf atmosphärefreien Himmelskörpern mächtige Sedimentschichten aus Mikrometeoriten aufbauen, die auch auf der Erde einen kleinen Beitrag zu den Sedimentgesteinen liefern

Nach den Korngrößen

Die Sedimente werden wie die Korngrößen einfach als Ton, Schluff (oder Silt), Sand oder Kies bezeichnet. Lockersedimente mit einem überwiegenden Anteil an groben Korngrößen, wie Kies, Steinen und Blöcken, nennt man bei abgerundeten Partikeln Geröll und bei kantigem Material Schutt.

Je nach der Korngröße unterscheidet man folgende klastische Festgesteine:

• Konglomerat oder Brekzie bei Korngrößen größer als 2 mm. Konglomerate bestehen aus abgerundeten, Brekzien aus kantigen Gesteinstrümmern.
• Sandstein besteht überwiegend aus Quarzkörnern der Korngröße 0,063 bis 2 mm.
• Schluffstein (oder Siltstein) besteht überwiegend aus Quarzkörnern, die zwischen 0,002 und 0,063 mm groß sind.
• Tonstein enthält überwiegend Partikel, die kleiner als 0,002 mm (2 µm) sind.

Früher verwendete man für die Klassifizierung auch die Begriffe Psephite für große Korngrößen, Psammite für mittlere und Pelite für kleine Korngrößen. Der letzte Begriff wird heute noch verwendet. Ebenfalls auf die Korngröße bezogen sind die Begriffe Lutit (kleiner als 0,063 mm), Arenit (zwischen 0,063 und 2 mm) und Rudit (größer als 2 mm), die vor allem bei der Klassifizierung von (klastischen) Kalksteinen verwendet werden.

Nach dem Entstehungsprozess

Klastische Sedimentgesteine

Als Klastika (gr. klastó ‚(ab)gebrochen‘, von klãn ‚(ab)brechen‘) oder klastische Sedimentite bezeichnet man Sedimentgesteine, deren Material aus der mechanischen Zerstörung anderer Gesteine stammt. Eine weitere Bezeichnung ist Trümmergestein. Klastische Sedimente werden anhand des Korngrößenspektrums charakterisiert, anhand des Materials, aus dem sie bestehen, und anhand ihrer Genese.

Material und Bindemittel

• Enthält ein Sandstein bedeutende Mengen anderer Minerale als Quarz (vor allem Feldspat), spricht man von einer Arkose, bei einem breiten Spektrum an Mineralien und anderen Gesteinsbruchstücken sowie einer aus Glimmer und Tonmineralen bestehenden Matrix von einer Grauwacke.
• Siliziklastika bestehen überwiegend aus Silikatmineralen wie Quarz oder Feldspat.
• Ein klastisches Sedimentgestein aus unterschiedlichen Mineralen und mit breitem Korngrößenspektrum, die von einem Trübestrom abgelagert wurden, wird Turbidit genannt.

Die Mineralkörner und Gesteinsbruchstücke, aus denen die klastischen Sedimentgesteine bestehen, halten mit Hilfe eines primären oder sekundären Bindemittels zusammen.

• Das primäre Bindemittel wird als Matrix bezeichnet und besteht meist entweder aus Tonpartikeln oder aus mikroskopisch kleinen Kalziumkarbonat-Partikeln, die zusammen mit den groberen Sedimentbestandteilen abgelagert werden. Eine bindende Wirkung entfaltet die Matrix jedoch erst nachdem das Sediment zu einem gewissen Grade entwässert wurde.
• Das sekundäre Bindemittel entsteht erst nach Ablagerung des Sediments durch chemische Ausfällung und wird als Zement bezeichnet. Hierbei kann es sich um kalkigen Zement (Kalziumkarbonat, CaCO₃), „kieseligen“ Zement (Siliziumdioxid, SiO₂), um Tonminerale oder auch um Oxide und Hydroxide des Eisens (z. B. Hämatit, Goethit) handeln.

Chemische Sedimentgesteine

Chemische Sedimentite bzw. chemische Sedimentgesteine entstehen durch die Fällung gelöster Stoffe aus übersättigten Lösungen. Durch Eindampfung entstehen z.B. die Evaporite (Sulfate, wie Gips bzw. Anhydrit, und Halogenide, wie Halit oder Kalisalze). Die Zechstein-Serie in Mitteleuropa ist ein Beispiel für eine Abfolge mit mächtigen Evaporit-Lagern. Auch Karbonate können so entstehen. Sie zählen aber nicht zu den Evaporiten.

Eine andere Möglichkeit für die Ausfällung von Karbonaten ist die Erhöhung der Wassertemperatur (Karbonat löst sich im Gegensatz zu z.B. Halit besser in kaltem als in warmem Wasser). Auf diese Weise bilden sich Quellkalke in Gebieten relativ hohem Kalksteinanteil im Untergrund.

Die Fällung von Karbonaten kann auch indirekt durch Lebewesen erfolgen. Algen betreiben Photosynthese und entziehen dem Wasser Kohlendioxid. Dies hat zur Folge, dass sich zum Ausgleich Kohlendioxid aus Hydrogencarbonat bildet, welches seinerseits beispielsweise mit Kalziumionen zu schwerlöslichem Kalziumkarbonat reagiert.

${\rm {2\ HCO_{3}^{-}+Ca^{2+}\rightleftarrows CaCO_{3}+CO_{2}+H_{2}O}}$

Biogene Sedimentgesteine

In diesem Sedimentkern aus dem Südatlantik wechseln sich dunkle und helle Bereiche ab, hervorgerufen durch unterschiedliche Gehalte an Planktonschalen. Die Wechsel spiegeln die Klimazyklen des Quartär wider.

Biogene Sedimentite, auch organogene Sedimentite bzw. biogene Sedimentgesteine, werden durch Aktivitäten lebender Organismen wie auch aus Resten von toten Organismen gebildet. Hierzu gehört die aktive Ausscheidung mineralischer Substanzen (in der Regel Karbonat- oder Phosphatskelette), die sich zu mehr oder weniger mächtigen Sedimentpaketen anhäufen können, wie Riffkalke, Mud Mounds oder Bone beds. Die mächtigen Kalksteinablagerungen der Kreidezeit bestehen oft zu einem großen Teil aus extrem kleinen Kalkskeletten von Algen (→ Nannoplankton). Auch nicht-mineralische Reste abgestorbener Organismen können größere Sedimentkörper bilden, z.B. Torf bzw. Kohle, die durch die Anhäufung und Umwandlung abgestorbener Pflanzenreste entstehen.

Rückstandsgesteine

Rückstandsgesteine, auch Residualgesteine, entstehen aus den Rückständen chemisch aufbereiteter Gesteine am Ort der Gesteinszerstörung (Verwitterung) wie Laterit (aus fast allen Gesteinen), Bauxit (aus Karbonatgestein → Kalkbauxit oder Silikatgestein → Silikatbauxit) und Kaolin (aus Granit, Rhyolith, Arkose) oder Wegführung von leichtlöslichen Gesteinskomponenten.

Bedeutung von Sedimentgesteinen

Viele Sedimentgesteine werden wirtschaftlich genutzt (z. B. Kalkstein in der Bauindustrie). In Sedimenten können Erdöl und Erdgas entstehen (Erdölmuttergestein), die dann in ein Erdölspeichergestein ausgepresst werden können. Stein- und Braunkohle sind ebenfalls Sedimentgesteine von großer wirtschaftlicher Bedeutung.

Sedimentgesteine (insbesondere Kalkstein und Dolomit) können große Mengen an Karbonat enthalten, für dessen Bildung Kohlendioxid gebraucht wird. Im Vergleich zu den Atmosphären etwa von Venus oder Mars, wo diese Sedimente nicht oder kaum vorkommen, ist der Anteil von Kohlenstoffdioxid in der Erdatmosphäre deshalb extrem gering.

Das Studium der Sedimentgesteine ermöglicht unter anderem durch die in ihnen enthaltenen Strukturen, Mineralien und Fossilien die Rekonstruktion von Lebensräumen, die vor geologischen Zeiten bestanden haben.

Siehe auch

• Liste der Gesteine
• Liste der Gesteine nach Genese

Literatur

• Walter Maresch, Olaf Medenbach: Gesteine. Steinbachs Naturführer. Mosaik-Verlag, München 1996, ISBN 3-576-10699-5.
• Hans Füchtbauer (Hrsg.): Sedimente und Sedimentgesteine (= Sediment-Petrologie. Bd. 2). 4., gänzlich neubearbeite Auflage. Schweizerbart'sche Verlagsbuchhandlung, Stuttgart 1988, ISBN 3-510-65138-3, 1141 S.

Weblinks

 Commons: Sedimentgestein – Album mit Bildern und/oder Videos und Audiodateien

Wiktionary: Sediment – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

• Geologieinfo: Klassifikation der Sedimentite