Poröse authigene Kieselsedimente mit Opal-CT oder Quarz stellen weltweit als sogenannte Tripel oder Kieselerden einen bedeutenden Rohstoff dar. Ihre Verwendungen als Abrasiva oder Füllstoff beruhen vorrangig auf ihrer stofflichen Zusammensetzung aus kristalliner Kieselsäure in Form von Quarz oder Opal-CT sowie auf ihrer hohen Porosität und hohen inneren Oberfläche. Aufgrund der oft nur regionalen Vorkommen und einer daran gebundenen, inkonsistenten Benennung sowie einer stofflich abhängigen, stark variierenden Diagenese, fehlt für diese Gesteine bisher ein übergreifendes, allgemeines Entstehungsmodell. In der vorliegenden Arbeit werden deshalb einerseits die verschiedenen lokal geprägten Begrifflichkeiten definiert und andererseits eine Reihe von unterschiedlichen Tripelsedimenten und ähnlichen Gesteinen untersucht und verglichen. Analysiert wurden dabei mittels Dünnschliffmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie, Röntgendiffraktometrie, Röntgenfluoreszenzanalysen sowie Tauchwägung und Messungen mit Gaspyknometer der Mineralbestand und die chemische Zusammensetzung sowie die Porosität des Gesteins. Ein besonderer Schwerpunkt lag auf den Phasen der authigenen Kieselsäure. Im Vorfeld der Untersuchungen wurde eine umfangreiche Literaturrecherche zu den Gesteinen durchgeführt, um bereits publizierte Untersuchungen zu berücksichtigen und Informationen zum Alter und Ablagerungsumfeld der Gesteine zu erhalten. Die daran anschließende Beprobung der Gesteine erfolgte größtenteils durch die Bearbeiterin selbst. Bei den untersuchten Gesteinen handelt es sich um die Neuburger Kieselerde, den Amberger Tripel und die Reinhausener Schichten (Reinhausen Member), den Kraichgauer Tripel, die Gaize d'Argonne, die Opuka aus Böhmen, den Tripel von Castro Urdiales und Tripel von Jordanien sowie verschiedene Tripelvorkommen aus den USA, Russland, der Ukraine und Kroatien. Aus dem Vergleich der Untersuchungsergebnisse der verschiedenen Gesteine konnten vor allem folgende Faktoren als maßgeblich für die Entstehung der Gesteine festgestellt werden: die biogene Kieselsäure-Quelle, das geologische Alter, das geologische Umfeld und der geologische Werdegang sowie die petrographische Zusammensetzung. Viele der untersuchten Gesteine haben ein kreidezeitliches Alter und sind Spiculite. Ob es sich bei den älteren der untersuchten Gesteine ebenfalls um Spiculite handelt, konnte nicht festgestellt werden, da diese Gesteine keine biogenen Relikte (mehr) enthalten. Die Wahrscheinlichkeit einer Auflösung von biogenen Partikeln nimmt mit zunehmendem Alter des Gesteins zu (ZIMMERLE 1991). In der Kreide herrschten durch ein günstiges Zusammenspiel von Nährstoffangebot und Lebensräumen optimale Entwicklungsbedingungen für Kieselschwämme (MEHL 1992: 150 f.). Ab der Oberkreide etablierten sich Diatomeen als Konkurrenten zu den Kieselschwämmen, wodurch ihr Sedimentationsbeitrag stark zurückging. Nach ZIMMERLE (1991) besitzen insbesondere Spiculite primär und sekundär eine hohe Porosität. Grund dafür ist die relativ geringe Löslichkeit im Gegensatz zu Diatomeen und Radiolarien, sodass spiculitische Sedimente eine längere Zeit für die Verfestigung besitzen, bevor sich die Schwammnadeln lösen. Daher wird die Porosität erhalten, welche durch Auflösung der Skleren erzeugt wird. Gemäß verschiedener Autoren (GREENWOOD 1973; LANCELOT 1973, 1974; KEENE 1976; KASTNER et al. 1977) haben vor allem der Magnesiumgehalt und der Detritus eines Gesteins einen maßgeblichen Einfluss auf die Diagenese von authigenen Kieselsedimenten. Daneben spielen insbesondere die Permeabilität und die Porosität eine erhebliche Rolle. Die Geschwindigkeit, mit der die Diagenese von Kieselsedimenten abläuft, wird maßgeblich von Druck- und Temperaturbedingungen gesteuert. Niedriger Druck und niedrige Temperatur tragen zur langen Erhaltung der Porosität und kleinen Kristallgröße von Kieselgesteinen bei. Die Recherchen bestätigten, dass alle Tripelproben aus einem geologischen Umfeld, ohne stark erhöhte Temperatur- und Druckbedingungen, stammen. Daneben wurde festgestellt, dass alle Gesteine über längere Zeit unter dem Einfluss einer intensiven Verwitterung (> 50 Mio. Jahre) standen. Für die Entstehung von Tripelgesteinen aus authigenen Kieselsedimenten wird als Ausgangssediment ein kieseliger Kalk- oder Mergelstein angenommen. Als biogene Quelle für die authigene Kieselsäure dienen dabei vor allem Schwammnadeln. Diese lösen sich postsedimentär im Porenwasser auf, bis das Porenwasser gesättigt ist, und die Kieselsäure fällt dann als Opal-CT wieder langsam im Sediment aus. Als Vorlage für den Silifizierungsprozess dient das Modell von KNAUTH (1979), der die Silifizierung von Kalksteinen im Mischbereich von Salz- und Süßwasser ansiedelt, wo das Wasser untersättigt an Calcit und Aragonit und übersättigt an gelöster Kieselsäure (bezogen auf Opal-CT und Quarz) ist. Dichter silifizierte Knollen oder Gesteinsbereiche werden dabei durch lokale Unterschiede in diesem System gebildet. Im Weiteren beginnt der ausgefällte Opal-CT zu altern, wandelt sich in Opal-C um und wird schließlich mittels eines Lösungs-Wiederausfällungsprozesses in Quarz übergeführt. Der von der Verkieselung verschonte Karbonatanteil des Gesteins (Calcit und Dolomit) wird im Zuge der anschließenden Verwitterungsprozesse gelöst. Da Dolomitkristalle generell von dem genannten Verkieselungsprozess nicht erfasst werden und sich auch bei der Verwitterung (im Vergleich zu Calcit) verzögert auflösen, werden sie erst zu einem Zeitpunkt gelöst, zu dem die Verkieselung bereits weitgehend abgeschlossen ist. Die verbleibenden Hohlräume wachsen daher nicht zu (im Gegensatz zu gelösten Calcitkristallen) und es bleiben von diesen rhomboedrische Formrelikte im Gestein als Hohlräume zurück. Die weitere Verwitterung führt zu einer Oxidation des gesamten Gesteins und zu einer Bleichung. Aufgrund der geringen chemischen Verwitterungsrate während des Quartärs waren diese Prozesse sehr wahrscheinlich bereits vor dessen Beginn abgeschlossen. Das heute vorliegende, unterschiedliche Erscheinungsbild etwa gleich alter authigener Kieselgesteine beruht vorrangig auf unterschiedlichen petrographischen Zusammensetzungen (Unterschiede im Tonmineral- und Karbonatgehalt), unterschiedlicher Porosität sowie Permeabilität und auf einer daraus resultierenden, unterschiedlich starken Silifizierung des ursprünglichen Karbonats.

Inhalt

1. Einleitung 9 1.1 Wirtschaftliche Bedeutung kristalliner, poröser Kieselsedimente 9 1.2 Forschungsgeschichte authigener Kieselsedimente im Allgemeinen 10 1.3 Aufgabenstellung 10 2. Begriffsdefinition 11 2.1 Chemisch-biogene Kieselgesteine 12 2.1.1 Radiolarite, Diatomite und Spiculite 12 2.1.2 Kieselsinter 14 2.2 Diagenetische Bezeichnungen 14 2.2.1 Hornstein und Chert 14 2.2.2 Porzellanit 15 2.2.3 Opalit 15 2.2.4 Novaculit und Kieselschiefer 15 2.3 Technische Begriffe 15 2.3.1 Tripel 15 2.3.2 Polierschiefer 16 2.4 Regionale Begriffe 16 2.4.1 Kieselerde und Kieselweiß 16 2.4.2 Gaize 16 2.4.3 Opuka 16 2.5 Übergänge zu Karbonatgesteinen 17 3. Geochemisches Verhalten von Kieselsäure in Sedimenten 18 3.1 Geochemische Grundlagen: Mikrokristallines und nicht-kristallines SiO2 18 3.1.1 Opal 19 3.1.2 Quarz 20 3.2 Kieselgesteine 21 3.2.1 Natürliche Kieselsäure-Quellen 21 3.2.2 Diagenese biogener Kieselsedimente 21 3.2.3 Silifizierungsprozesse 24 4. Arbeitsmethoden 26 4.1 Untersuchung des Mineralbestands 26 4.1.1 Dünnschliff- und Auflichtmikroskopie 26 4.1.2 Rasterelektronenmikroskopie (REM) und EDX-Analyse 26 4.1.3 Röntgendiffraktometrie (XRD) 26 4.2 Chemische Analyse 27 4.2.1 Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) und Glühverlust (GV) 27 4.3 Ermittlung physikalischer Eigenschaften 27 4.3.1 Trockenrohdichte, Korndichte und Porosität 27 5. Tripel und vergleichbare Gesteine 29 5.1 Neuburger Kieselerde 29 5.1.1 Die Neuburger Kieselerde als Poliermittel und Füllstoff 29 5.1.2 Geologische Situation und Bildungsbedingungen 30 5.1.3 Petrographische Charakterisierung 33 5.1.4 Neuburger Kies…