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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Bildung von Zementen-Quarz-von Beatrix Heller

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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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Bildung von Zementen-Carbonat-von Nicole Miosga

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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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Bildung von Zementen-Feldspat-von Meike Fischer

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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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Bildung von Zementen-Tonminerale-von Nicole Miosga

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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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Pettijohn et al. 1987

Einsele, 2000

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Bildung von Zementen-Zeolith-von Julia Riegel

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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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Bildung von Zementen-Phosphat-

von Patrick Kunath

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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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Beispiel aus dem Rotliegenden

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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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Bildung von Zementen-Eisenoxide-von Anna Wittenborn

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Nielsen et al., 2014

41

Nielsen et al., 2014

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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)

43

Progressive Zementation

Nielsen et al., 2014

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Entstehung von Fe-reichen Horizonten

Nielsen et al., 2014

45

Herzlichen Dank für die Aufmerksamkeit.

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QuellenQuarz:• BJØRLYKKE, K., AND EGEBERG, P.K., 1993, Quartz cementation in sedimentary basins: American Association of

Petroleum Geologists, Bulletin, v. 77, p. 1538–1548.• Harwood, J., 2013, Quartz Cementation History of Sandstones Revealed By High-Resolution Sims Oxygen Isotope

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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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47

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48

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