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ZementbildungWiebke WollenweberNicole MiosgaBeatrix HellerMeike FischerJulia RiegelPatrick KunathAnna Wittenborn
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Gliederung1) Definitionen und Unterschied zur Matrix2) Quarz-Zemente3) Carbonat-Zemente4) Feldspat-Zemente5) Tonmineral-Zemente6) Zeolith-Zemente7) Phosphat-Zemente8) Sulfat- und Sulfid-Zemente9) Eisen-Zemente
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Definition: Zementation/Zement• Zementation:
Ausfällung oder Zusatz von neuen Mineral-Zementen und Sedimentpartikeln. (Grotzinger und Jordan, 2010, S.129)
• Zement:Verfüllung des Hohlraums zwischen Sedimentpartikeln (Füchtbauer, 1988, S. 158) durch eine authigene Mineralbildung, welche durch Diagenese (P-/T-Erhöhung) induziert wird.
Grotzinger und Jordan, 2010, S.130
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Zement und Matrix• Gemeinsamkeit:
▫ Grundmasse des Sedimentgesteins
• Unterschied:▫ Matrix: feines sedimentäres Material▫ Zement: kristallines Material
• Problem: Unterscheidung zwischen Matrix und Zement kann durch Sammelkristallisation der Matrix erschwert sein (Füchtbauer, 1988, S.376)
Verändert nach Füchtbauer, 1988, S.376 (und z.T. nach Stauffer, 1962)
Merkmal Zement Matrix
Bildungszeit post-sedimentär, authigen
synsedimentär, vor der Diagenese
Bildungsort Hohlraum/ Poren schlecht sortiertes Sediment, dicht
Bildungsmerkmale
Partikel (oft mehrphasig) gesäumte aus Mineralum- und -neubildung
Partikel schwimmen in feinem grauen Schlamm, der verfestigt wird
Gefüge überwiegend Komponenten-gestützt
überwiegend Matrix-gestützt
Partikelrelikte fehlen im Zement vorhanden
Kristallgrenzen oft gerade -
Kristallgrößen kleine Poren: einheitlich; große Poren: innen gröber
sehr feinkörnig (pelitisch)
Besonderheiten geopetale Gefüge “Paläo-Wasserwaage”
Sammelkristallisations-erscheinungen
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Quarz-Zemente
Miozäne Probe, Quarz- und ChertkörnerA+B: gut sichtbare AnwachssäumeC+E.: kleine AnwachssäumeD: Chertkorn ohne Anwachssäume
McBride 1989 (Earth Science Reviews, v.26)
B: SEM-CL AufnahmeC: modellierte Wachstumstemperaturen
Harwood, 2013 (JSR , v.83)
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Quarz-Lösung an Styloliten
Oelkers et al, 1996 (American Journal of Science)
Alternative Si-Quellen:•Rekristallisierung biogenen Siliziums•Feldspat-Lösung•Umwandlung Smektit Illit in Tonsteinen
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• Aragonit (CaCo3)• Kalzit (CaCO3)• High/Low Mg Kalzit• Dolomit (MgCa(CO3)2)• Siderit (FeCO3)
• (nach Burley; Worden, 2003) Seite 11
Dolomit Tucker, 1990
Kalzit Elbracht, 2002
Aragonit Tucker, 1990 High-Mg Kalzit Tucker, 1990
Siderit Felder, 2002
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• Marin: Aragonit, High Mg Kalzit• Meteorisch. Low Mg Kalzit• Tucker, 1996
• meteorisch, vados (Süßwasser, wasserungesättigte Zone)
• meteorisch, phreatisch (Süßwasser, wassergesättigte Zone)
• meteorisch-marine Mischzone, phreatisch(Brackwasser, wassergesättigte Zone),
• marin, phreatisch (Salzwasser, wassergesättigte Zone)
• marin, vados (Salzwasser, Spritzwasserzone
Elbracht, 2002
Tucker, 1996
Tucker, 1996
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• Differenzierung nach Sandsteinen und Kalkareniten, sowie nach früh und spät Diagenese sowie offenen und geschlossenen Systemen(nach Einsele, 2000)
Einsele, 2000
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Dolomitisierung• Ca2+ + Mg2+ + 2(CO3
2-) ↔CaMg(CO3)2
• 2CaCO3 + Mg2+↔CaMg(CO3)2+ Ca2+
• CaCO3 + Mg2+ + CO32-
↔CaMg(CO3)2
Tucker, 1996
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Steuernde Faktoren•Abhängigkeit vom Ablagerungsmilieu und dem Sedimenttypen •Einsele, 2000
•Salinität •Gelöste Komponenten•Druck•Temperatur•Zeit
Tucker, 1996
Tucker, 1996
Tucker, 1996
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Vorkommen von Feldspat-Zementen
• Auftreten im Bereich der:▫ Hochdiagenese ▫ schwachen Metamorphose
(Füchtbauer, 1988, S.167)Übergang ist fließendabhängig von der Gesteinszusammensetzung (Okrusch und Matthes, 2009, S. 382)
• Frühe Zemente spiegeln das Ablagerungsmilieu wider; Tendenz:▫ Kalifeldspat kontinental, arid
(Füchtbauer, 1974; Houareau, 1974; Waugh, 1978)
▫ Albit marin (Almon et al., 1976) Druck-Temperatur-Diagramm: Abgrenzung von Diagenese und Metamorphose (Okrusch und Matthes, 2009, S.382)
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Feldspat bei diagenetischen Prozessen
• 1) Verdrängung von Feldspat:
Bsp.:4KAlSi3O8+ 4H2OAl4(OH)8Si4O10+ 2K2O+8SiO2
▫ Quarz-Zementation (Bjorlykke, 1979)
• 2) Albitisierung• 3) Feldspatneubildung Anzeichen für Kornauflösung
(SEM). A) Feldspat; Skala: 10µm (Land et al., 1986)
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Feldspat bei diagenetischen Prozessen
• 1) Verdrängung von Feldspat• 2) Albitisierung▫ Feldspat (Sanidin,
Orthoklas) und Plagioklas durch ALBIT verdrängt
KAlSi3O8 + Na+
NaAlSi3O8+K+
(Land und Milliken, 1981)• 3) Feldspatneubildung
Albitisierung bringt texturelle Veränderungen mit sich im Plagioklas (Gold, 1984); Skala: 40µm (Land et al., 1986).
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Feldspat bei diagenetischen Prozessen
• 1) Verdrängung von Feldspat• 2) Albitisierung• 3) Feldspatneubildung▫ Nur reine Feldspat-
EndgliederGrund: Mischungslücke im ternären Feldspatsystem
▫ Häufig in Karbonatgestein(Füchtbauer, 1988, S.422)
Authigene Kalifeldspäte (rechteckige bis rautenförmige Form) im Lösungsrückstand eines Zechstein-Karbonatgesteins. Skala: Breite=0,39mm (Füchtbauer, 1988, S.422)
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Feldspat bei diagenetischen Prozessen
1. Zement: Albit‐Anwachssaum um Orthoklas. 2. Zement: Anhydrit. Skala: schmale Seite: 0,37mm (Füchtbauer, 1988, S.167).
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Tonminerale• Kaolinit (Al2Si2O5(OH)4)• Illit (KAL3Si3O10(OH)2)• Chlorit (Fe-MG)5Al2Si3O10(OH)8)
Burley, Wordon, 2003
Higgins et al. 2014Higgins et al. 2014
Zaid, 2013
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Mineralogie Zeolith• Gerüstsilikate• niedrige Dichte 2,1 bis 2,2 g/cm^3• niedrige Licht- und Doppelbrechung
• Bsp. für Zeolithvariationen: -Analcim Na AlSi2O6*H2O T < 70 °C-Heulandit (Ca,Na2) Al2Si2O18*6H2O T < 110 °C -Laumonit Ca Al2Si4O12*4H2O T < 150 °C
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Vorkommen von Zeolithen
• niedriggradigen metamorphen Gesteinen• lithischen Sedimenten (Bruchstücke von
vulkanischen Gläsern)• Alteration bei pH–Wert 7 bis 10 (basisch)
Ablagerungsmilieu: -saline alkalische Seen
-offene und oberflächennahe hydrologische Systeme-Böden-Bereiche mit hohem Wärmefluss -und/oder Regionen mit vulkanischer Aktivität
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Entstehung von Zeolith-ZementProzesse und Faktoren
Oberflächennah:• vulkanisches Glas kontaktiert
alkalische Wässer• Entstehung von Tonmineralen
(Alteration)
Tiefere Bereiche:• Tonminerale alterieren zu Zeolithen • Zeolith-Zement verfüllt
intergranulare Porenräume(Chemismus der Porenwässer, Temperatur, Druck und Kationen bestimmen Art des Zeoliths.)Clinoptilolith – Analcime –Heulandin - Laumonit
Abb.1: Vergleich der Kristallstrukturen von links: Heulandin (x500) rechts: Analcim (x 900) (Zhu S F, et al.,2012)
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Merkmale Zeolith
(Bsp. Heulandit)
• dreieckige Struktur• unebene Ränder• meistens treten Zeolithe
zusammen mit Carbonaten, Tonmineralen, Albit und Quarz auf. Abb.2: Hellen dreieckigen Kristalle stellen den Heulandit dar. Die
Pfeile weisen auf die “krustigen“ Ränder der Heulanditkristalle. Die Breite von Bild (a) entspricht 1,3mm, von (b,c und d) 0,32mm. (Chigira and Sone., 1991)
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Vorkommen von Phosphat-Zementen
• feinkörniges Sediment (marin)• Bspw.: Turbidite (nach R. D. A. Smith, 1987)
Kalkriffe (K. P. Krajewski, 1984)• ist ein früh diagenetisches marines Phänomen
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Entstehung• Hohe Phosphatkonzentration im Sediment nötig• Die Entstehung dieser erhöhten Konzentration ist
noch nicht vollends geklärt• In allen Fällen ist organisches Material als
Phosphatquelle nötig
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Entstehungshypothesen1) Aufkonzentrieren des Phosphates durch Bakterien
zwischen der oxischen und anoxischen Wasserschicht
2) Absorption des Phosphates oberhalb des Sediments durch anoxisches Porenwasser von Eisen- und Mangan-oxyhydroxiden
Potentielle Entstehung von Phosphat-Zementen, verändert nach R. D. A. Smith, 1987
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Feinkörnige Turbiditlagen• In den obersten Schichten gibt es
Phosphatanreicherung und Ausfällung kurz nach entstehen der Schichten, noch vor der Verfestigung des Sediments
• Der Zement besteht hauptsächlich aus Apatitkristallen (füllt Poren und Rissränder)
Phosphate cement fabrics withingrainstone that infills coral skeleton, verändert nach K. P. Krajewski, 1984
re = rim envelopescl = cluster cementrc = rim cement sm = coral septum cm = calcite cement
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Kalkriffe• Mikroorganismen zuständig
für die Anreicherung und Ausfällung von Phosphat
• Fossile Cyanobakterien im Zement
• Phosphat-Zement
Zementformen, verändert nach K. P. Krajewski, 1984
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Kalkriffe
Complex infilling of the Puzosia with phosphatic wackestone, phosphate cement fabrics, and void-filling calcitecement. (A) Thin section photograph: (B) Drawing from thin section.
Verändert nach K. P. Krajewski, 1984
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Bildung von Zementen-Sulfate und Sulfide-von Wiebke Wollenweber
Gips CaSO4*H20Anhydrit CaSO4Baryt BaSO4______________________
Pyrit FeS2 (kubisch)Markasit FeS2 (orthorhomb.)
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Anhydrit-Zemente im Persischen Golf
Fig. 5. Hypersaline and meteoric diagenetic zones distinguished from core and thin-section analyses. In the hypersaline zone, which coincides with the peritidal and closed lagoon facies, dolomitization, anhydritecementation and nodule formation occur (plates A and B). Meteoric diagenetic features, which occur in open lagoon, shoal and offshoal facies, include aragonite stabilization, calcite cementation, dissolution andneomorphic processes (plates C and D). Rahimpour-Bonab 2010
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Bedingungen für Anhydrit- und Baryt-Zemente:
-hypersalinares Milieu oder Sulfat-angereicherte Fluide-50-125°C-mäßige Tiefen
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Chemismus
hematite2Fe2+
(aq) + 0,5 O2(g) + 2H2O(l) = Fe2O3(s) + 4H+(aq)
goethite2Fe2+
(aq) + 0,5 O2(g) + 3H2O(l) = 2FeO(OH)(s) + 4H+
(aq)
dehydration of goethite2FeO(OH)(s) = Fe2O3(s) + H2O(l)
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QuellenQuarz:• BJØRLYKKE, K., AND EGEBERG, P.K., 1993, Quartz cementation in sedimentary basins: American Association of
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S.30Feldspat:• Zaid, M. S., 2013. Provenance, diagenesis, tectonic setting and reservoir quality of the sandstones of the Kareem
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• Beurley, S. D., Worden, R. H., 2003. Sandstone Diagenesis, Recent and Ancient, Blackwell Publishing, 4. Auflage, S.12• Einsele, G., Sedimentary Basins,2000. Evolution, Facies, and Sediment Budget, Springer, 2. Auflage, S. 698• Pettijohn, F. J., Potter, P. E., Siever, R. 1987. Sand and Sandstones, Springer, 2. Auflage, S.458Zeolithe:• Chigira, M.,Sone, K.,1991. Chemical weathering mechanisms and their effects on engineeing properties of soft sandstone and
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