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Tab. 1 |
Tab. 2 |
Tab. 3 |
Folgende Minerale wurden in wechselnden Mengenverhältnissen festgestellt:
Montmorillonit-Muskovit-Mixed-Layer-Mineral (irregulär), Muskovit, Illit, Kaolinit, Chlorit und Glaukonit als Tonminerale i.e.S., weiterhin Quarz, Feldspat, Calcit, Dolomit, Siderit und Pyrit sowie als Sekundärminerale Halit und Sulfatminerale (wasserfrei: wie Alunit, Jarosit; wasserhaltig: wie Gips, Rozenit, Roemerit und Szomolnokit).Das Vorkommen von Montmorillonit ist auf geringmächtige bentonitisierte Vulkanoklastite des Turon, des Coniac sowie des Unter-Eozän 1 beschränkt. Das genetisch und rohstofftechnologisch wesentliche Tonmineral ist die unregelmäßige Wechsellagerung Montmorillonit-Muskovit-Mixed-Layer (innerkristallin quellfähig) mit 40 % bis 60 % montmorillonitähnlichem Schichtanteil. Der Rest hat muskovitischen Charakter.
Zu den ermittelten und diskutierten nutzungsrelevanten Parametern zählen die granulometrische Zusammensetzung, das Kationenaustauschvermögen, der Durchlässigkeitsbeiwert, Wassergehalt, Trocken-, Feucht- und Proctordichte und einige rheologische Parameter wie Fließ- und Ausrollgrenze und die Plastizitätszahl. Die Meßwerte der unterschiedliche Sedimenttypen werden in Korrelation zum Mineralbestand und zur Granulometrie betrachtet. Es bestätigt sich der bekannte Einfluß der granulometrischen Zusammensetzung und der Anteil der Tonfraktion auf einen Teil dieser Parameter. Weiterhin hat einen großen Einfluß die absolute Menge des irregulären Montmorillonit-Muskovit-Mixed-Layer-Minerals innerhalb der Tonfraktion. Darüberhinaus ist zu erwarten, daß der Anteil der quellfähigen Montmorillonit-Schichtbereiche im Mixed-Layer-Mineral Bedeutung hat. Hierzu sollten noch systematische Untersuchungen erfolgen.
Für die tertiären feinkörnigen Sedimente kann aus den Untersuchungen folgender genetischer Ablauf abgeleitet werden. In ein paläogeographisch begründetes marines bis flachmarines Meeresbecken im Alttertiär gelangen zwei Haupttypen von Detritus, der an der Zusammensetzung der alttertiären Sedimente beteiligt ist. Einerseits handelt es sich hauptsächlich um fluviatil und subaerisch herantransportierte Verwitterungsprodukte der oberkretazisch-tertiären Verwitterungskruste und andererseits zumindestens im Unter-Eozän 1 um subaerisch herantransportierte vulkanische Aschen. Folgende Prozesse finden statt:
SEDIMENTATION von Verwitterungs-Detritus: Die detritischen Minerale sind Muskovit-Montmorillonit-Mixed-Layer (irregulär), Kaolinit, Chlorit, Muskovit, Quarz und Feldspäte.
SEDIMENTATION von vulkanischen Aschen (kurzzeitig und intensiv, mehrphasig): Die Bestandteile des vulkanischen Detritus sind Sideromelan mit beginnender Palagonitisierung, Gesteinsbruchstücke (basaltisch) und Feldspäte.
KOMPAKTION: Sie bewirkt mit aufsteigendem Porenwasserstrom eine Verringerung der Porosität und Permeabilität und geringfügige Veränderung in der Ionenbelegung der detritischen Minerale. Es kommt überwiegend in den Klastiten zu authigenen Neubildungen in der Altersfolge Phosphorit, Pyrit, Glaukonit, wenig Zeolithe. In den Vulkanoklastiten geht die Palagonitisierung weiter.
FRÜHDIAGENESE im Klastit: Es erfolgt die Neubildung von Phosphorit, Pyrit, Glaukonit (Übergangsbereich: Kompaktion/ Frühdiagenese) und von Siderit und Calcit (dispers und Konkretionen bildend).
FRÜHDIAGENESE in den Vulkanoklastiten: Sie bewirkt einerseits eine Zementation der Aschenbestandteile durch die sich neubildenden Karbonate (insbesondere Calcit und Siderit) mit Konservierung von Sideromelan, Palagonit und Gesteinsbruchstücken. Sie bewirkt andererseits im Falle einer nicht stattfindenden Zementation durch Karbonate eine Alteration der vulkanoklastischen Bestandteile zu Montmorillonit.
Für den Lias-Ton von Grimmen kann ein ähnlicher Verlauf angenommen werden, ohne daß hier Vulkanoklastite auftreten. Aus den Tonmineralparagenesen der pleistozänen Sedimente kann geschlossen werden, daß ein Teil ihres Mineralbestandes infolge der glazigenen Erosion von in Hochlage befindlichen älteren Sedimenten in diese Schichtenfolge gelangte.
Der schluffige, kalkfreie bis schwach kalkhaltige Ton von blaugrauer Farbe und hochplastischen Eigenschaften ist nach seiner Mikrofauna überwiegend in das Unter-Eozän 2 (marine Fazies) einzuordnen. Er enthält wenig Makrofauna (z.B. Haifischzähne u.a.), weiterhin Konkretionen aus Phosphorit (teilweise mit Pyrit in den Rissen und Ichnospuren an den Oberflächen), aus Pyrit sowie aus Karbonaten (Siderit, Calcit). Beim Austrocknen können sich Sekundärminerale wie Gips, Roemerit, Copiapit, Mirabilit, Thenardit, Rozenit, Szomolnokit, Jarosit (wasserfreie und wasserhaltige Sulfate mit Kationen der Elemente Ca, Fe, Na und Al) bilden (Ullrich & Störr 1985). Dieser Prozeß wird durch den mikrobiellen Abbau von Pyrit gefördert.
Nach der komplexen mineralogischen Phasenanalyse (Henning et al. 1971) ist der Friedländer Ton ein Dreischichtsilikat - Ton mit dem Hauptbestandteil ein dioktaedrisches irreguläres Montmorillonit-Muskovit-Mixed-Layer-Mineral (innerkristallin quellfähig) synonym auch Smectit-Illit-Mixed-Layer (irregulär). Daneben enthält der Ton noch Muskovit, Kaolinit, Chlorit und Glaukonit als Tonminerale i.e.S. Als Nichttonminerale sind Quarz, Feldspat, Calcit, Dolomit und Pyrit enthalten.
Zu den diagnostischen Kriterien für die Identifizierung des Montmorillonit-Muskovit-Mixed-Layer-Minerals zählen:
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Tab. 1: Mineralzusammensetzung (in Masse-%) des Tones von Friedland (Henning 1971) |
Im Untereozän (Ypresien) schreitet die genannte Transgression nach Süden und Osten fort. Im Nordosten bilden sich die marinen Ablagerungen in toniger Stillwasserfazies ("Typus Friedland") des Unter-Eozän 2. Schon im Untereozän 1 kommt es zur Ablagerung von roten Tonen und besonders von lutitischen Aschen (Bezeichnung nach Konta 1973) aus subaerischen Vulkanausbrüchen im Gebiet von Dänemark. Durch die weitergehende Transgression rückt die Südküste näher an das Paläozoikum und die Nordküste näher an das kristalline Grundgebirge des Fennoskandischen Schildes heran.
Im Mitteleozän (Lutetien) kommt es zu einem gewissen Stillstand der Meeresbewegungen, wenn sich auch verschiedenenorts regressive und transgressive Tendenzen bemerkbar machen. Das Obereozän (Bastonien, Ludien, Latdorfien usw.) ist durch eine weitere Fortsetzung der Transgression gekennzeichnet. Sie erreicht damit ihren Höhepunkt im Tertiär. Auf den Festlandsgebieten herrschen während der gesamten Zeit die oberkretazisch-tertiären Verwitterungsbedingungen, die zu einer Formation der Verwitterungskruste führen.
In allen drei beprobten Bohrungen Nordostdeutschlands (Dolgen, Möckow und Wusterhusen) wurden Vulkanoklastite mit Mächtigkeiten im Zenti- und Dezimeterbereich angetroffen. Es wurden zwei petrographisch unterschiedliche Typen festgestellt. Einerseits sind die Vulkanoklastite stark verfestigt und von braungrauer Farbe mit scharfer Grenze zu den liegenden und etwas weniger scharfer Begrenzung zu den hangenden Tonsedimenten. Andererseits sind sie plastisch und tonig, von heller graugelber Farbe mit ebenfalls deutlicher Grenze zu den Tonsedimenten.
Die verfestigten vulkanoklastischen Lagen zeigen im Dünnschliff als Hauptkomponenten Gesteinsglas (Sideromelan bis Palagonit) und Gesteinsbruchstücke mit basaltischem Chemismus neben Feldspat. Diese Bestandteile sind mit Karbonat (Calcit und/oder Siderit) zementiert. Diese zementierenden Minerale sind meist feinkörnig und bilden seltener radialstrahlige Aggregate. Offensichtlich hat eine submarine Alteration von Sideromelan zu Palagonit (Füchtbauer 1988) stattgefunden, die durch die beschriebene Zementierung infolge frühdiagenetischer Karbonatbildung unterbrochen wurde. Der Modalbestand der verfestigten Vulkanoklastite variiert für Gesteinsglas und Gesteinsbruchstücke zwischen 50 bis 80 %, für Karbonat (Calcit und Siderit) zwischen 45 und 15 % bei einem Anteil von Feldspatkörnern um 5 %.
In den plastischen vulkanoklastischen Lagen ist als Hauptbestandteil ein für normale Bentonite typischer Montmorillonit enthalten, der sich mit seinen mineralogischen Eigenschaften deutlich von dem irregulären Montmorillonit-Muskovit-Mixed-Layer-Mineral der liegenden und hangenden Tonsedimente unterscheidet. Die Fouriertransformation der Basisserie des Glykolkomplexes des Mg-belegten Montmorillonits einer solchen Lage ergab einen eindeutigen integralen 17-D-Schichtabstand ohne Vorhandensein eines 10-D-Schichtanteils (Landgraf 1979). Es ist offensichtlich, daß der Alterationsprozeß des vulkanischen Glases bei Sedimentation, Kompaktion und Frühdiagenese hier im Sinne von Hay & Iljima (1968) vom Sideromelan über Palagonit zu Montmorillonit geführt hat.
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Tab. 2: Mineralbestand
(in Masse-%) nach semiquantitativer Analyse der Tone von Grimmen, Friedland,
Malliß, des Geschiebemergels von Schönberg und des Bändertones
von Möllenhagen (aus Beier
1994; Beier et al. 1995)
MoMu-ML ) unregelmäßiges Montmorillonit-Muskovit-Mixed-Layer-Mineral (quellfähig); Mu/Illit ) Muskovit und Illit (zusammengefaßt); Kao/Chl ) Kaolinit und Chlorit (zusammengefaßt) |
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Tab. 3: Nutzungsrelevante Parameter der Tone von Grimmen, Friedland, Malliß, des Geschiebemergels von Schönberg und des Bändertones von Möllenhagen (aus Beier 1994 und Beier et al 1995) |
Nach der granulometrischen Zusammensetzung handelt es sich bei der Grimmener Probe (65 Gew.-% Tonanteil) und der Friedländer Probe (50 Gew.-%) um Tone bzw. schluffige Tone, während man die Gesteine von Malliß (45 Gew.-% Ton-anteil) und Möllenhagen (40 Gew.-% Tonanteil) streng genommen den Schluffen oder tonigen Schluffen zurechnen müßte. Aufgrund der schon früher an diesen Gesteinen durchgeführten Untersuchungen und den dabei gewonnenen Erkenntnissen über die Korngrößenverteilung (Landgraf 1971) sowie dem hohen Tonmineralanteil wird zumindest das Mallißer Gestein ebenfalls als Ton bezeichnet. Der Schönberger Geschiebemergel weist mit 22 Gew.-% Tonanteil und 31 Gew.-% Sand- (bzw. Kies-) anteil erwartungsgemäß eine gröbere Kornverteilung auf.
Der Einfluß der Tonmineralanteile und vor allem der Tonmineralzusam-mensetzung auf die Kationenaustauschkapazität wird durch einen Vergleich der Tone von Grimmen (44 mval/100 g), Friedland (54 mval/100 g) und Malliß (46 mval/100 g) anschaulich. Die Tone von Grimmen und Friedland weisen einen Tonmineralgehalt von 80 bzw. 75 - 80 Gew.-% auf (s. a. Tab. 2). Der Ton von Malliß hat 65 Gew.-% Tonmineralgehalt. Infolge des hohen Anteils des Montmorillonit-Muskovit-Mixed-Layer-Minerals (50 - 55 Gew.-%) und dessen Zusammensetzung mit Mo60Mu40 im Ton von Friedland ist dessen Kationenaustauschkapazität am höchsten. Der Grimmener Lias-Ton hat trotz seines höheren Tonmineralgehaltes eine kleinere Kationenaustauschkapazität als der Mallißer Oligozänton. Entscheidend dafür der höhere Anteil an quellfähigen Dreischichtsilikaten im Mallißer Ton. Der Möllenhagener Bänderton (33 mval/100 g) sowie der Geschiebemergel von Schönberg (22 mval/100 g) besitzen entsprechend ihres geringeren Tonmineralanteils und ihres geringeren Gehaltes an quellfähigem Dreischichtsilikat kleinere Kationenaustauschkapazitäten.
Der Durchlässigkeitsbeiwert wurde an proctorverdichteten Probekörpern mit aqua dest. als Durchströmungsmedium in Triaxialzellen ermittelt. Der Ton von Grimmen mit seinem hohen Feinkornanteil (65 Gew.-% 2 µm) weist den geringsten Durchlässigkeitbeiwert auf. Der Geschiebemergel mit höheren Grobanteilen besitzt den höchsten Wert. Die anderen drei Proben ordnen sich, ihrer Kornsummenkurve entsprechend, dazwischen ein. Die Differenzen zwischen den Durchlässigkeitsbeiwerten der feinkörnigen Tone und des gemischtkörnigen Geschiebemergels (zwei- bis dreimal so groß) waren relativ gering. Dies hängt damit zusammen, daß neben der Korngrößenverteilung auch die Dichte des durchströmten Materials Auswirkungen auf den Durchlässigkeitsbeiwert hat. Die wesentlich bessere Verdichtbarkeit (Proctordichte) der Gesteine von Möllenhagen und Schönberg gegenüber den Tonen von Grimmen, Friedland und Malliß ist die Ursache für deren nicht auffällig höheren Durchlässigkeitsbeiwerte.
Die Parameter natürlicher Wassergehalt, Feuchtdichte und Trockendichte, die in Tab. 2 aufgeführt sind, wurden an ungestört entnommenen Proben bestimmt. Danach weisen vor allem die tertiären Tone von Friedland (32,2 %) und Malliß (34,1 %) aufgrund ihres großen Anteils an quellfähigen Dreischichtsilikaten einen sehr hohen natürlichen Wassergehalt auf, während der Geschiebemergel von Schönberg (14,2 %) den geringsten Wassergehalt aufweist. Die Werte für den Lias-Ton (25,6 %) und den Bänderton (24,4 %) liegen dazwischen. Die Dichten lassen erkennen, daß der Geschiebemergel, der Bänderton und der Liaston schon eine stärkere Belastung, entweder durch Eis- oder durch Sedimentauflast, erfahren haben. Der Eozän- und der Oligozän-Ton weisen dagegen nur sehr geringe Dichten auf, was zum einen mit ihrer Genese, zum anderen mit ihrem Phasenbestand zusammenhängt.
Die Proctordichten geben Aufschluß über die Verdichtbarkeit der untersuchten Gesteine. Nach erdbautechnischen Kriterien sind die Tone von Grimmen (dPr = 1,42 g/cm³), Friedland (dPr = 1,33 g/cm³) und Malliß (dPr = 1,48 g/cm³) als sehr schlecht verdichtbar einzuschätzen. Der Möllenhagener Bänderton (dPr = 1,72 g/cm³) zählt zu den schlecht verdichtbaren und der Schönberger Geschiebemergel (dPr = 1,87 g/cm³) zu den mittelmäßig verdichtbaren Gesteinen. Ein Vergleich der Proctordichten mit den natürlichen Trockendichten zeigt, daß bei den im Laufe ihrer Genese schon stärker belasteten Gesteinen die natürliche Dichte mit der Proctorverdichtung nicht erreicht wird. Bei den weniger stark belasteten Tonen von Malliß und Friedland wird die natürliche Trockendichte durch die Proctorverdichtung überschritten.
Der Lias-, der Eozän-, der Oligozän-Ton sowie der Bänderton stehen im Plastizitätsdiagramm von Casagrande im Feld der ausgeprägt plastischen Tone. Erstere drei Gesteine weisen mit Fließgrenzen > 70 % und Plastizitätszahlen > 50 % Werte auf, die sogar für dieses Feld extrem hoch sind. Der Geschiebemergel befindet sich im Feld der leicht plastischen Tone.
Folgende Prozesse finden statt:
SEDIMENTATION VON DETRITUS: Zu den detritischen Mineralen zählen das unregelmäßige Montmorillonit-Muskovit-Mixed-Layer-Mineral, Kaolinit, Chlorit, Muskovit, Quarz, und Feldspäte. Während der Sedimentation ist eine geringfügige Alteration der detritischen Tonminerale durch eine Kationenumbelegung denkbar.
SEDIMENTATION VON VULKANISCHEN ASCHEN: Mehrphasige, kurzzeitige und intensive Sedimentation von Sideromelan, Gesteinsbruchstücken und Feldspat. Während der Sedimentation beginnt die Palagonitisierung des Sideromelan als Alterationsprozeß im Sinne von Hay & Iljima (1968). Diese Sedimentation im Unter-Eozän 1 führt nach der Kompaktion zu zentimeter- bis dezimeter-mächtigen Vulkanoklastiten.
KOMPAKTION mit aufsteigendem Porenwasserstrom bewirkt eine Verringerung der Porosität und Permeabilität der entstehenden klastischen und vulkanoklastischen Sedimente. Die Kationen und Anionen im aufsteigenden Porenwasserstrom bewirken eine weitere Alteration im Sinne einer Ionenumbelegung in den Klastiten, z.B. durch K-Einbau eine Kontraktion von Dreischichtsilikaten (Landgraf 1972). Weiterhin kommt es zu authigenen Neubildungen in den Klastiten von in der Altersfolge Phosphorit, Pyrit, Glaukonit und wenig Zeolithen. In den Vulkanoklastiten findet eine weitere Palagonitisierung von Sideromelan statt.
FRÜHDIAGENESE IM KLASTIT: Es entstehen frühdiagenetische Neubildungen mit Phosphorit, Pyrit, Glaukonit (Übergangsbereich: Kompaktion/ Frühdiagenese) und mit Siderit und Calcit. Diese Minerale können sowohl dispers im Sediment vorliegen, als auch in Form von Konkretionen und Lagen (Karbonatbänke). Als Ergebnis des Gesamtprozesses liegen in den untersuchten klastischen Sedimenten folgende Minerale in wechselnden Mengenverhältnissen vor: Montmorillonit-Muskovit-Mixed-Layer-Mineral (irregulär), Muskovit, Illit, Kaolinit, Chlorit und Glaukonit als Tonminerale i.e.S., weiterhin Quarz, Feldspat, Calcit, Dolomit, Siderit und Pyrit.
FRÜHDIAGENESE IN DEN VULKANOKLASTITEN: Sie bewirkt einerseits eine Zementation der Aschenbestandteile durch die sich neubildenden Karbonate (insbesondere Calcit und Siderit) und dadurch Konservierung der Aschenbestand-teile Sideromelan, Palagonit und der Gesteinsbruchstücke. Die konservierende Wirkung von Karbonatausscheidungen sind z.B. von Füchtbauer & Goldschmidt (1963) an karbonatisch zementierten Tonsteinen des oberen Malms und von Knoke (1966) an Kalkkonkretionen in devonischen Tonschiefern beschrieben worden.
FRÜHDIAGENESE IN DEN VULKANOKLASTITEN: Sie bewirkt andererseits im Falle einer nicht stattfindenden Zementation durch Karbonate eine Alteration der vulkanoklastischen Bestandteile zu Montmorillonit und damit kommt es zu einer Bentonitisierung. Diese Alteration findet nach der Karbonatzementation statt. Da die Beziehungen zwischen Edukt und Produkt bei Alterationsprozessen eine entscheidende Rolle spielen, ist hiermit festzustellen, daß in den untersuchten feinkörnigen Sedimenten die Minerale der Smectit-Gruppe wie z.B. strukturell reine Montmorillonite nur in den nicht zementierten Vulkanoklastiten und nicht in den klastischen Sedimenten zu erwarten sind.
Mit der Frühdiagenese enden die Alterationsprozesse in den untersuchten Sedimenten, wenn man von rezenten Mineralumbildungen unter Atmosphärilien und biogener sowie anthropogener Einwirkung, wie der Bildung von Halit und von Sulfatmineralen, absieht.
Für den Lias-Ton von Grimmen kann ein ähnlicher Verlauf angenommen werden, ohne daß hier Vulkanoklastite auftreten. Aus den Tonmineralparagenesen der pleistozänen Sedimente kann geschlossen werden, daß ein Teil ihres Mineralbestandes infolge der glazigenen Erosion von in Hochlage befindlichen älteren Sedimenten in diese Schichtenfolge gelangte.
Die oberflächennahe Lage der Sedimente, insbesondere der plastischen Tonschichten, wird verursacht durch:
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