Vortrag am 30.4.2013 in der MGW über das Thema

Konkretionen, ein spezielles Thema der Sedimentologie

Nachdem wir uns in diesem Kreis schon ausführlich über magmatische und metamorphe Gesteine unterhalten haben, soll es diesmal um ein spezielles Kapitel der Sedimentologie gehen, also der Abteilung der Geologie, die sich mit den Produkten der Zerstörung von Gesteinen und deren Neubildung beschäftigt.
Die kleine Vorgeschichte, warum ich dieses nicht allzu umfangreiche, aber interessante Thema gewählt habe, war ein Anruf eines lieben Freundes, der mir einen Gesteinsbrocken zeigen wollte, den er bei einem Ausflug in der Nähe seines Wohnortes bei St. Pölten gefunden hatte. Wir vereinbarten also einen Treffpunkt und er führte mich nach Rücksprache mit dem Besitzer in eine nicht weit entfernte Sandgrube, aus der offensichtlich schon seit vielen Generationen feiner Sand für Bauzwecke in der Umgebung abgebaut wurde. Nicht nur im Tagbau wurde gebaggert, auch in tiefen Höhlen mit hohen Eingängen ging man offensichtlich den Schichten besonders hochwertigen Sandes nach, der nach obenhin noch mit einigen Metern toniger Schichten überlagert ist.
Sand ist ein klastisches Sediment, viele gehen aus der chemischen und physikalischen Verwitterung von verschiedenen Gesteinen hervor, der Mineralbestand kann daher erheblich variieren. Die bei diesen Vorgängen entstandenen Gesteinsbruchstücke, Abbauprodukte und Neubildungen, werden durch abfließendes Niederschlagswasser, Eis, Wind oder Schwerkraft aus dem Gesteinsverband herausgelöst. Sandkörner übernehmen ihre Formen gewöhnlich von den einzelnen Kristallen, die früher im Ausgangsgestein miteinander verzahnt waren. Nach dieser Erosion bewerkstelligen strömendes Wasser, Wind und Gletscher den Transport hang- oder stromabwärts in die Sedimentbecken, wo sie abgelagert werden.
Diese können kontinental sein, aber meistens sind es der Kontinentalschelf, der unter Wasser liegende, flach abfallende Rand eines Kontinents, der sich normalerweise bis zu einer Wassertiefe von ungefähr 200 Metern oder allgemein bis zur Oberkante des Kontinentalhangs erstreckt oder die tieferen und sehr tiefen Böden des Meeres, die so von den Verwitterungsprodukten der Kontinente in teils mächtigen Schichten überlagert werden. Setzen sich in solchen Sedimentbecken immer mehr Schichten übereinander ab, wird das ältere, zuvor abgelagerte Material zusammengepresst und gelangt schließlich innerhalb der Erdkruste in immer größere Tiefen der Lithosphäre.
Unter der Bezeichnung „Diagenese“ werden nun alle physikalischen und chemischen Prozesse zusammengefasst, hervorgerufen durch Druck, Temperatur und chemische Reaktionen, denen die in größere Tiefen versenkten Sedimente ausgesetzt sind, sie werden dadurch verfestigt, das Porenvolumen wird drastisch reduziert und sie werden zu festen und harten Sedimentgesteinen wie eben Sandstein oder Tonstein. Diese Gesteine verbleiben als Bestandteil der Erdkruste in der Tiefe, bis sie wieder durch tektonische Vorgänge herausgehoben werden und so an die Erdoberfläche gelangen oder sie werden unter noch härteren Bedingungen der Metamorphose unterworfen, wobei sich neue, eben dadurch umgewandelte Gesteine bilden. Eine weitere Möglichkeit wäre das vollständige Aufschmelzen im oberen Mantel der Erde, wo sie mit anderen Schmelzen vermischt, nach Millionen von Jahren durch Magmatismus als Plutonite oder Vulkanite wieder in Erscheinung treten. Da wäre dann das Recycling vollendet, der neue Kreislauf kann beginnen.
Durch die Vielfalt der Möglichkeiten, wie solche Prozesse verlaufen können, kommt es auch zu vielen absonderlichen Erscheinungen im Bereich dieses immer wieder kehrenden Kreislaufs von Werden und Vergehen, zu überraschenden und interessanten Gesteinsbildungen, über einige davon will ich erzählen.
Da gibt es unter anderem eine Gruppe, die fasst man unter dem Begriff der „Konkretionen“ zusammen. Das sind, abgeleitet aus dem Lateinischen „concretio“ d.h. Zusammenwachsen, innige Verbindung oder Verdichtung, durch Knollenbildung, kugelige, ellipsoide oder unregelmäßige Körper von einigen Millimetern bis zu Metern im Durchmesser, manchmal auch Platten aus verfestigtem Material, die im Wasser entstanden, später durch Heraushebung in pelitische, staubige oder schlammige Sedimente oder Sedimentgesteine, z.B. Sand- oder Tonsteine eingebettet sind. Knollen können sowohl auf als auch gerade unterhalb der Sedimentoberfläche zur Zeit der Ablagerung wachsen. Sie sind also syngenetischer Herkunft und können Spuren von bohrenden und Krusten bildenden Organismen aufweisen. Sie entstehen stets durch Zementation während der Diagenese, meistens in der ersten Phase vor der eigentlichen Kompaktion, bevor sie also unter hohem Druck auf ein wesentlich kleineres Volumen unter Volumenkontraktion, Reduktion des Porenvolumens und gleichzeitiger Entwässerung zusammengepresst werden. Sie sind dann an diese Ablagerungsschichten gebunden.
Wesentlich für alle Konkretionen ist, dass sie sich aus zirkulierenden Lösungen bilden, die an irgendeiner Stelle infolge des Vorhandenseins von örtlichen Keimen oder eines bestimmten chemischen Milieus Stoffe zur Ausscheidung kommen. Konkretionen bilden sich also durch örtlich begrenzte Ausfällungen von ursprünglich gelösten Substanzen aus der unmittelbaren Umgebung, durch wässrige Minerallösungen, so genanntes Porenwasser, innerhalb des Sediments, manchmal um organische Reste. Oft ist das ursprünglich vorhandene Sedimentmaterial an der Zusammensetzung der Konkretion beteiligt, andere Arten von Konkretionen entstehen durch chemische oder mechanische Verdrängung und können aus Calzit, Dolomit, Siderit, als Bestandteil des Toneisensteins, Apatit, Gips, Pyrit oder Markasit bestehen. Sie wachsen konzentrisch von innen nach außen.
Das ausgeschiedene Material unterscheidet sich gewöhnlich vom Material der Umgebung. So gibt es beispielsweise Quarzkonkretionen in karbonatischen Gesteinen oder Pyritknollen in Tonsteinen. Auch Geoden sind solche Konkretionen. Septarien weisen, durch Schrumpfung verursacht, Risse auf, die sekundär durch andere Mineralphasen verfüllt sind. Die Vielfalt ist sehr groß und selbst Gallen- Nieren- und Blasensteine sind bei lebenden tierischen Organismen häufig auftretende Ereignisse.
Die schon kurz erwähnten Septarien, die mir bis vor kurzem noch unbekannt waren, sind nun der eigentliche Anlass unserer kleinen mineralogischen Betrachtung. Septarien sind kugel- oder brotlaibförmige oder knollige Kalkkonkretationen in kalkhaltigen Tongesteinen, also Mergelsteinen, die zum Bespiel im Alpenvorland aus durch Druck verfestigtem Schlamm des Molassemeers gebildet wurden. In ihrem Inneren haben sich im Laufe der Zeit durch Austrocknung bedingt, radiale aber auch tangentialen Schwundrisse gebildet, die auch Septen (lat.: saeptum = Scheidewand) genannt werden. Sie entstehen, wie schon erwähnt, durch Anreicherung und Anlagerung von Calziumcarbonat infolge Zersetzung organischer Substanzen an diesen Septen. Aber auch Siderit, Baryt, Quarz oder Pyrit sind mögliche idiomorphe, also freiwachsende Kristallisationen und Ausfüllungen. Diese Ausfällungen werden auch durch pH-Verschiebungen in der unmittelbaren Umgebung von abgestorbenen Lebewesen oder anderen Fremdkörpern ausgelöst und bewirken manchmal eine Fossilierung, die, wenn sie die Zeiten überdauern, einen deutlich besseren Erhaltungszustand aufweisen kann. Verwest so ein organischer Stoff unter Luftabschluss, dann entstehen aus den Eiweissstoffen Amine und Ammoniak, die den pH-Wert der umgebenden Lösung in den basischen Bereich verschieben, in dem zum Beispiel Calziumcarbonat ausfällt, da es im sauren Bereich bei Anwesenheit von CO2 und Wasser als Calziumhydrogencarbonat deutlich besser löslich ist. Da nun aber die Konzentration des auskristallisierten Stoffes in der umgebenden Lösung sinkt, es zu einer Untersättigung kommt, wird durch Diffusion in dem wässrigen Milieu von außen immer wieder neue, gelöste Minerallösung mit dem karbonatischen Porenwasser herangeführt und Karbonat ausgefällt. Auf diese Weise können sich Septarien immer weiter vergrößern bis die Zersetzung des organischen Materials, also die Ammoniakentstehung, beendet ist oder aber der Nachschub von Kalk versiegt.
Septarien sind weltweit zu finden und kommen üblicherweise in Tonschiefern vor. Eine im mittleren Oligozän (etwa vor 30 Mio. Jahren) abgelagerte Schicht, der Septarienton, erhielt wegen des regelmäßigen Vorkommens diesen Namen.
Auf Grund ihres im Anschliff oft attraktiven Musters werden große Exemplare beispielsweise zu Tischplatten oder Bücherstützen, kleinere zu verschiedenen Schmuckstücken verarbeitet.
Unter Konkretionen versteht man aber auch Gesteinsbildungen, die durchaus bekannt sind, deren Entstehungsgeschichte aber oftmals nicht allgemein bekannt ist.
Sand- oder auch Wüstenrosen findet man in nordafrikanischen Wüsten, in Libyen, Tunesien und Algerien. Sie bestehen aus Gips, welcher in grob- bis dickblättrigen Konkretionen im Wüstensand vorkommen. Das rosettenartige Aussehen, der rosenähnliche Habitus dieser Aggregate gibt ihnen den romantischen Namen.
Sandrosen bilden sich aus sulfatreichen Lösungen in Hohlräumen des Sandes. Durch die schnell verdunstende Oberflächenfeuchtigkeit in der Wüste wird Grundwasser durch Kapillarkräfte nach oben befördert. Im Wasser gelöste Mineralien, vor allem Sulfate, kristallisieren dabei aus. Sie bilden zusammen mit dem Wüstensand diese typischen floralen Strukturen und sorgen für unterschiedliche Farbigkeit der transparenten „Blütenblätter“. Die Größe der Gebilde kann von Zentimetern Durchmesser bis meterdicken Kristallen reichen.
Unter sehr ähnlichen Bedingungen kann es auch bei Anwesenheit von ausreichenden Mengen von Bariumsalzen zur Bildung von Barytrosen kommen. Da diese aus Bariumsulfat bestehen, sind sie in Wasser vollkommen unlöslich.
Lösskindel werden als kalkhaltige Konkretionen aus Löss definiert. In lössreichen Gebieten werden immer wieder Objekte gefunden, die Ähnlichkeit mit Versteinerungen haben, zumeist aber Lösskindel sind. Sie werden auch Lössmännchen oder Lösspuppen genannt.
Damit sich ein Lösskindel bilden kann sind zwei Bedingungen Voraussetzung, die Anwesenheit von Löss und Sickerwasser.
Unter dem Begriff Löss wird ein kalkhaltiges, gelblich bis ockerbraunes und im Pleistozän vor 10000 - 2 Mio) Jahren durch Wind äolisch verlagertes, so genanntes Lockersediment, verstanden. Die Korngröße von Löss entspricht der von Schluff (0,002 – 0,63 mm), vorwiegend aber der Größe von 0,2 – 0,05 mm. Die Zusammensetzung von Löss variiert mit dem Mineralbestand der Ausgangsgesteine und der Herkunftsregion. Er besteht zu 60 – 70% aus Quarz, weiterhin vorhanden sind Glimmerminerale, Feldspäte, kalkhaltige wie Calcit sowie Tonminerale und geringe Gehalte an Eisenhydroxiden.
Fällt nun Regenwasser auf Lössablagerungen, sickert das Wasser, geleitet von Poren, Kapillaren und sonstigen Hohlräumen in tiefere Bereiche. Dabei gehen die kalkhaltigen Bestandteile in Lösung und werden um Wachstumskeime wieder ausgeschieden. Neben organischen Materialien wie kleinen Ästchen oder Wurzeln können auch Steine anzulagernde Wachstumskeime sein, das Löss-Kalkgemisch wächst an diesen an. Die Formgebung der Lösskonkretionen ist rundlich und unregelmäßig, erinnert häufig an Puppen, Raupen oder Ingwerknollen. Die Größe der Bildungen kann bis in den Dezimeterbereich anwachsen.
Cherts, Hornstein und Feuerstein zählen teilweise ebenfalls zu den Konkretionen. Der Oberbegriff Chert steht für die gesamte Gruppe der sedimentär und diagenetisch entstandenen Kieselgesteine und hat sich in der deutschen Fachsprache etabliert.
Die Struktur von Cherts ist sehr feinkörnig, so dass sie sich nur unter dem Mikroskop (mikrokristallin) und selbst dort kaum oder gar nicht (kryptokristallin) auflösen lässt. Seine Farbe ist unterschiedlich und variiert zwischen weiß und schwarz, meist jedoch ist er grau, braun, gelbbraun oder hellgrün bis rostrot. Die roten und grünen Farben sind in der Regel auf Beimengungen von Eisen in oxidierter oder reduzierter Form zurückzuführen.
Die Unterscheidung von Cherts wie Hornstein (nicht zu verwechseln mit Hornblende, ein Amphibolit) und Feuerstein und die ihrer Varietäten ist eine ständige Quelle der Verwirrung. Es gibt viele Gesteine und Minerale, die aus mikro- oder kryptokristallinem Quarz bestehen oder aus mikroskopisch kleinen Quarzfasern.
Hornstein ist die Entsprechung des englischen Wortes „Chert“, eine allgemeine Bezeichnung für feinkörnige, kieselige Sedimentgesteine, die auf biogenem, chemisch-biogenem oder chemischen Wege entstanden sind. Sie bestehen aus feinkörnigem Quarz mit nur wenigen Verunreinigungen. Sie sind sehr hart und dicht und splittern mit muscheligem Bruch. Das Gestein enthält oft Fossilien.
Feuerstein oder Flint ist ebenso ein dichtes, mikrokristallines Gestein, matt bis glasartig glänzend, der Bruch ist muschelig. Es ist ein Silizit mit der gleichen chemischen Formel wie Opal – SiO2.nH2O. Es findet sich in der Schreibkreide oder mergeligem Kalkstein und bildet sich durch die Verdrängung von Kalziumkarbonat durch Siliziumdioxid. Es tritt als Knollen oder in mehr oder minder ausgedehnten Platten in Kalkgesteinen auf. Das Anschlagen liefert klingenartige , scharfgratige Abschläge, die wohl als erste Werkzeuge und Waffen der Menschheit in der Steinzeit verwendet wurden.
Im erweiterten Bereich kann man auch die Manganknollen am Meeresboden in den Tiefseebecken, besonders des pazifischen und indischen Ozeans, als Konkretionen bezeichnen. Die schwarzen Rohstoffklumpen befinden sich in 4000 – 6000 m Tiefe und könnten für die Zukunft bedeutsame Rohstoffquellen darstellen. Allein am Boden des nördlichen Pazifik mit den meisten Fundstellen sollen es 100 Millionen Tonnen sein. Diese Konkretionen sind durch einen Ausfällungsprozess beim Zusammentreffen von gelöstem Mn2+ mit dem relativ hohen Sauerstoffgehalt des kalten Tiefseewassers als amorphes Gel ausgeflockt, wodurch das Mangan 4-wertig und unlöslich wurde. Erst durch spätere diagenetische Vorgänge sind kristallisierte wasserhaltige Oxide und Hydroxide entstanden. Manganknollen wachsen extrem langsam, in einer Million Jahren etwa 1 – 5 mm. Die innere Struktur der Knollen ist mit dem Aufbau von Zwiebeln vergleichbar und enthalten einen schalenförmig aufgebauten Kern, der aus verschiedenen oxidischen Materialien bestehen kann. Hauptmetalle sind das Mangan mit 27%, 15% Eisen und Kupfer, Zink, Nickel und Kobalt mit unter 1%. Sie stammen hauptsächlich aus den kontinentalen Sedimenten, submarinen Exhalationsprozessen, den „Schwarzen Rauchern“ und den Kalkschalen ehemaliger Kleinstlebewesen, die sich an der Calzitkompensationsgrenze (hoher Druck und hohe CO2 -Konzentration im kalten Wasser) auflösten.