Geologie Im Bauwesen

Institut für Bodenmechanik und Felsmechanik

Arbeitsblätter zum Kurs

Geologie im Bauwesen

Wintersemester 2006/07

Dozenten: Prof. Dr.-Ing. E. Fecker Dipl.-Ing. Th. Mutschler

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Inhaltsverzeichnis

Vorwort 1.

EINFÜHRUNG 1.1 1.2 1.3 1.4

2.

BEWEGUNG, FIGUR, AUFBAU UND DYNAMIK DER ERDE 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6

3.

Geochemische Elemente, Kristalle Minerale Gesteine Gebirge, Fels Bestimmung der Minerale und Gesteine Kreislauf der Gesteine Übungsaufgaben

MAGMATISCHE GESTEINE 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8

5.

Bewegung und Figur der Erde Aufbau der Erde Erdoberfläche Erdwärme (Geothermie) Seismizität, Magnitude, Intensität und Schadenswirkung Übungsaufgaben

KRISTALLE, MINERALE, GESTEINE und GEBIRGE 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7

4.

Stellung der Baugeologie im Rahmen der Geologie Ingenieurgeologische und geotechnische Untersuchungsschwerpunkte Zusammenarbeit zwischen Bauingenieur und Baugeologe Übungsaufgaben

Magma, Lava Magmatite, Magmendifferentiation Vulkane, Vulkanite Plutone, Plutonite Magmatische Gänge, Ganggesteine Gefüge der Magmatite Bautechnisch bedeutende Magmatite Übungsaufgaben

METAMORPHE GESTEINE 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8

Temperatur- und Druckgradienten in der Erdkruste Metamorphose Einteilung der Metamorphite Migmatite Gefüge der Metamorphite Fazies Bautechnisch bedeutende Metamorphite Übungsaufgaben -3-

6.

SEDIMENTGESTEINE 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6

7.

ENTSTEHUNG UND KLASSIFIKATION VON LOCKER- UND FESTGESTEINEN 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5

8.

Faltung, Deckenüberschiebung Geologische Verwerfungen Halokinese, Diapirismus Felsklüfte und -gefüge Übungsaufgaben

DARSTELLUNG VON SCHICHTFLÄCHEN UND KLÜFTEN 10.1 10.2 10.3 10.4

11.

Erdgeschichtliche Epochen und geologische Formationen Geodynamik Meeresspiegelschwankungen Stratigraphie und Morphologie Stratigraphie und Baugrundeigenschaften Übungsaufgaben

TEKTONISCHE GRUNDLAGEN 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5

10.

Klima als Motor der Gesteinsbildung Verwitterung Erosion, Transport, Sedimentation Ansprache von Locker und Festgesteinen Übungsaufgaben

ERDGESCHICHTE UND BAUGRUNDEIGENSCHAFTEN 8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6

9.

Einteilung der Sedimentgesteine Klastische Sedimente Chemische Sedimente Biogene Sedimente Bautechnisch bedeutende Sedimentgesteine Übungsaufgaben

Streichen und Fallen von Schichtflächen und Klüften Lagenkugel-Analyse Übungsaufgaben zum Lagenkugeldiagramm mit Lösungen Weitere Übungsaufgaben zum Lagenkugeldiagramm

GEOLOGISCHE ERKUNDUNGEN UND METHODEN 11.1. 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7

Baugeologische Erkundung Bautechnische Bedeutung der Geomorphologie Hangbewegungen Erdfälle und Bodensenkungen Baugrundvergütung durch Injektionstechnik Karten und Profile Übungsausgaben

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12.

HYDROGEOLOGISCHE GRUNDLAGEN 12.1. 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7 12.8

Wasserkreislauf Grundwasser Wasserdurchlässigkeit Porosität und Wasseraufnahme Quellen Karst Hydrogeologie im Bauwesen Übungsaufgaben

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Arbeitsblätter zum Kurs "GEOLOGIE IM BAUWESEN"

Seite I

VORWORT Die Vorlesung "Geologie im Bauwesen" ist eine Grundlagenvorlesung mit Übungen zur Einführung in das Studium des geotechnischen Ingenieurwesens. Sie vermittelt Ihnen am Anfang Ihrer Ausbildung zum Bauingenieur einen ersten Einblick in wesentliche Teilbereiche Ihrer späteren beruflichen Tätigkeit als Diplom-Ingenieur/in und findet ihre Fortsetzung in den Kursen "Bodenmechanik", "Grundbau" und "Felsmechanik". In der Vertiefungsrichtung „Geotechnisches Ingenieurwesen“ folgen vertiefende Kurse zu "Bodenmechanik", "Grundbau" und "Felsmechanik", die durch die Kurse "Tunnel- und Stollenbau", "Felsbau über Tage", "Erddammbau" und "Deponiebau" sowie weitere Spezialveranstaltungen ergänzt werden. Der Kurs "Geologie im Bauwesen" hat an unserer Hochschule eine lange Tradition. Sie wurde von Professor Leopold Müller Ende der sechziger Jahre begründet und später von den Professoren Günter Borm und Otfried Natau fortgeführt mit dem Ziel, den Studenten des Bauingenieurwesens die Bedeutung der Geologie für ihre Studienrichtung klar zu machen. Spätestens dann, wenn Sie ein Vertiefungsstudium im geotechnischen Ingenieurwesen aufnehmen, werden Sie erkennen, wie eng die Geologie mit dem Bauingenieurwesen verquickt ist und dass Bauen ohne oder gar gegen die Geologie fatale Folgen haben kann. Die Ihnen vorliegenden Arbeitsblätter zur Vorlesung "Geologie im Bauwesen" enthalten den Vorlesungsstoff in stark komprimierter Form. Trotzdem sind alle geologischen Aspekte, die mit dem Bauingenieurwesen zusammenhängen, angesprochen. Dass dabei manches geologische Detail behandelt wird, was Sie in Ihrem späteren Berufsleben nicht mehr benötigen, lässt sich nicht vermeiden, weil sonst der geologische Zusammenhang verloren geht. Die Abbildungen und Tabellen dieses Skriptums sind oft der Fachliteratur entnommen, ohne dass in jedem Einzelfall alle Urheberrechte überprüft werden konnten. Sie sind daher nur für den persönlichen Gebrauch bestimmt und dürfen nicht weiterkopiert werden. Für das Studium und Ihren späteren Beruf ist es nützlich, wenn Sie wenigstens eines der in der Literaturauswahl genannten Lehrbücher besitzen. Jedenfalls können Sie die Lehrbücher in der Universitätsbibliothek ausleihen oder im dortigen Lesesaal studieren. Im Lesesaal der Universitätsbibliothek finden Sie auch eine vollständige Sammlung aller DIN-Normen, jeweils in der aktuellen Fassung. Das Bauen ist durch Normen sehr stark reguliert, weshalb Sie sich intensiv mit diesen Normen befassen sollten. Die Geologie ist eine angewandte Wissenschaft und lässt sich nicht allein im Hörsaal und aus Büchern begreifen. Wir empfehlen daher über diese Vorlesung hinaus die aktive Teilnahme an einem geologischen Praktikum zur Gesteinskunde, welches vom Geologischen Lehrstuhl angeboten wird. Dort lernen Sie die wichtigsten Gesteine und gesteinsbildenden Minerale kennen und unterscheiden. Eine Fertigkeit, die Ihnen nicht nur in Ihrem Beruf von Vorteil sein wird, sondern die auch für Ihre Allgemeinbildung von großem Nutzen ist.


Seite II

LEISTUNGSNACHWEIS Die Studienleistung im Kurs „Geologie im Bauwesen“ wird durch einen Leistungsnachweis ohne Benotung gemäß §8,2 der SPO bescheinigt. Der Leistungsnachweis ist mit einer erfolgreichen Teilnahme an einer mündlichen Befragung zu erbringen. Die Befragung wird in Gruppen zu jeweils drei Kandidaten am Ende des Semesters, noch in der Vorlesungszeit, stattfinden. Termin und Ort werden rechtzeitig bekannt gegeben. Gegenstand der Befragung ist der in Vorlesung und Übung behandelte Stoff. Die am Ende einiger Kapitel aufgelisteten Fragen können als Orientierung dienen. Die ergänzenden Stichworte sind in Kurzform erläutert und sollten in der Fachliteratur näher recherchiert werden. Die Arbeitsblätter sind z. T. ausführlicher als die Vorlesungen und Übungen. Sie sollten Ihnen bei Bedarf zum Nachschlagen dienen. Fragen zum Verständnis sind erlaubt, machen Sie Gebrauch davon! Diese Arbeitsblätter stehen im Internet unter http://www.ibf.uni-karlsruhe.de/material.html zum Download bereit.

LITERATURAUSWAHL Allgemeine und historische Geologie Brinkmann, R. (1990): Abriss der Geologie, Band 1: Allgemeine Geologie, W. Zeil (Hsg.), 14. Aufl., F. Enke Verlag, Stuttgart Murawski, H. und Meyer W. (2004): Geologisches Wörterbuch, 11. Auflage, Elsevier Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, 25,50 EUR Press, F. und Siever, R. (2003): Allgemeine Geologie, 3. Auflage, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, 73,00 EUR Richter, D. (1992): Allgemeine Geologie, 4. Auflage, de Gruyter, Berlin, 29,95 EUR Tektonik Eisbacher, G.H. (1996): Einführung in die Tektonik, 2. Auflage, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, 51,00 EUR Baugeologie, Hydrogeologie Fecker, E. und Reik, G. (1996): Baugeologie, 2. Auflage, F. Enke Verlag, Stuttgart, 20,00 EUR Hölting, B. und Coldewey, W.G. (2005): Hydrogeologie, 6. Auflage, Elsevier Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, 40,00 EUR


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Klengel, K.J. und Wagenbreth, O. (1987): Ingenieurgeologie für Bauingenieure, 2. Auflage, Bauverlag, Wiesbaden und Berlin Prinz, H und Strauß, R. (2006): Abriss der Ingenieurgeologie, 4. Auflage, Elsevier Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, 79,50 EUR Reinsch, D. (1991): Natursteinkunde, Eine Einführung für Bauingenieure, Architekten, Denkmalpfleger und Steinmetze, F. Enke Verlag, Stuttgart Normen DIN 4020, Sept. 2003: Geotechnische Untersuchungen für bautechnische Zwecke DIN 4021, Okt. 1990: Baugrund; Aufschluss durch Schürfe und Bohrungen sowie Entnahme von Proben DIN 4022, Sept. 1987: Baugrund und Grundwasser; Benennen und Beschreiben von Bodenarten und Fels DIN 4023, März 1984: Baugrund- und Wasserbohrungen; Zeichnerische Darstellung der Ergebnisse DIN 4149, April 2005: Bauten in deutschen Erdbebengebieten – Lastannahmen, Bemessung und Ausführung üblicher Hochbauten


Seite IV

Arbeitsblätter zum Kurs "GEOLOGIE IM BAUWESEN" 1.

Seite 1.1

EINFÜHRUNG (Wechselbeziehungen von Geologie, Baugrund und Bauwerk)

Baugeologie ist die angewandte Geologie im Bauwesen bei Untersuchungen von Baugrund und Baustoffen aus natürlichem Gestein. Im Vordergrund steht dabei die Interpretation der geologischen Gegebenheiten für bautechnische Zwecke. Im Umweltschutz zählen zu den baugeologischen Aufgaben die Standortuntersuchungen für Deponien über und unter Tage, Gefährdungsabschätzungen, Altlastenerkundung, -sicherung und -sanierung, Erstellung von Karten zur Landschaftsnutzung und Raumplanung in Abhängigkeit von den Untergrundverhältnissen usw. Baugeologische Untersuchungen sind durch unterschiedliche Nutzungsansprüche an den Baugrund geprägt, wobei wirtschaftliche, sicherheitstechnische und ökologische Aspekte zu berücksichtigen sind. Voraussetzung hierfür ist eine fundierte Kenntnis über den Aufbau des Baugrundes und sein Verhalten bei bautechnischen Eingriffen. 1.1

Stellung der Baugeologie im Rahmen der Geologie Geologie

Allgemeine Geologie

Historische Geologie

physiograph. Geologie

Stratographie

dynamische Geologie

endogene Dynamik

exogene Dynamik

Angewandte Geologie

Paläontologie

Tektonik

Lagerstättengeologie

Hydrogeologie

Baugeologie

Bodenkunde

Benachbarte Disziplinen: Mineralogie, Petrographie, Geophysik Weiterführende Ingenieurdisziplinen: Bodenmechanik, Grundbau, Dammbau, Deponiebau, Felsmechanik, Felsbau, Tunnelbau, Bergbau _____________________________________________________________________ Übung 1.0: Interpretieren Sie das obige Diagramm zur Stellung der Baugeologie im Rahmen der Geowissenschaften mit Hilfe der Definitionen auf der folgenden Seite. Beachten Sie dabei, dass die einzelnen Disziplinen i.a. miteinander verbunden sind.


Seite 1.2

Geologie: Wissenschaft von der Entwicklungsgeschichte und dem stofflichen Aufbau der Erde. Sie erforscht die Erdkruste mit ihren Gesteinen, deren Lagerungs- und Umwandlungserscheinungen sowie ihrem Fossilgehalt Allgemeine Geologie (Geomorphologie, exogene und endogene Dynamik): Wissenschaft von den Formen der Erdoberfläche. Lehre von den physikalischchemischen Grundlagen geologischer Prozesse: Bildung und Umgestaltung der Gesteine unter Einwirkung von endogenen (=inneren) und exogenen (=äußeren) Kräften Historische Geologie (Erdgeschichte): Sie erforscht die Entwicklung der Erde besonders ihrer Kruste - und des Lebens darauf über die erdgeschichtlichen Epochen. Urkunden und Zeugnisse dafür sind die Gesteine und Fossilien. Stratigraphie: Lehre von der Zusammensetzung, der zeitlichen Bildungsfolge und Fossilführung sowie der räumlichen Verbreitung der Sedimentgesteinsschichten. Aufstellung von Zeitskalen zur Datierung der geologischen Geschichte. Paläontologie: Wissenschaft von den tierischen und pflanzliche Lebewesen (Flora und Fauna) der verschiedenen erdgeschichtlichen Epochen. Geochronologie: Wissenschaft vom relativen und absoluten Alter der Erde Angewandte Geologie: Anwendung geologischer Erkenntnisse und Methoden: Ingenieur-Geologie: Lehre von der Verwertung und Anwendung geologischer Informationen auf Belange der Technik: Lagerstättengeologie dient der Suche und Untersuchung von natürlichen Rohstoffen (Lagerstättenkunde: Erdöl, Kohle, Salze, Erze, Steine, Erden) Hydrogeologie: Lehre vom Wasserhaushalt der Gesteine und GesteinsVerbände. Erforschung der Vorräte, Bewegung, Qualität und Quantität des Grundwassers Baugeologie: Teilgebiet der Ingenieurgeologie: Lehre von der Verwertung und Anwendung geologischer Erkenntnisse auf Belange des Bauwesens. Diese sind: Geotechnik, technische Beherrschung der geologischen Randbedingungen, Baugrund, Gründungen, Erdarbeiten, Verkehrsbauten, Fels- und Tunnelbau, Talsperren, Rohöl- und Gasspeicherung, Abfall-Deponien über und unter Tage Bodenkunde: Mineralogie: Lehre von der physikalisch-chemischen Zusammensetzung und geometrischen Ausbildung der Minerale Petrographie (Gesteinskunde): Lehre von Entstehung, Zusammensetzung und Umbildung der Gesteine Geochemie: Stoffbestand und Stoffwechsel der Erde Geophysik: Physik der festen Erde, des Meeres und der Lufthülle. Sie befasst sich mit den seismischen, gravitativen, magnetischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften und Erscheinungen der Erde sowie dem physikalischen Aufbau des Erdinneren


Seite 1.3

Angewandte Geophysik: nutzt die geophysikalischen Erkenntnisse und Methoden für das Aufsuchen von Lagerstätten und für die Sondierung von Baugrund Geomechanik: Mechanisches Verhalten der Erdkruste gegenüber tektonischen oder technischen Einwirkungen Bodenmechanik und Felsmechanik: Teilgebiete der geotechnischen Ingenieurwissenschaften. Mechanische und physikalische Eigenschaften des Gebirges. Statik und Dynamik von Boden und Fels als Element einer Ingenieurkonstruktion 1.2

Ingenieurgeologische und geotechnische Untersuchungsschwerpunkte

Bauwerksart

Untersuchungsschwerpunkte

Hochbauten

Standortwahl, Tragfähigkeit und Setzungsverhalten des Baugrundes, Standsicherheit der Baugrubenböschungen, Wasserverhältnisse

Brücken

Standortwahl, Standsicherheit und Setzungsverhalten der Stützenbereiche und Widerlager

Verkehrswege

Trassenlage (Hang- oder Tallage), Setzungsverhalten, Standsicherheit von natürlichen und künstlichen Böschungen, Frostverhalten der Gesteine

Talsperren

Wahl des Absperrquerschnittes, Belastbarkeit des Untergrundes in den maßgebenden Richtungen, Standsicherheit der Felswiderlager, Dichtheit des Stauraumes und Sperrenbereiches, Verlandungsfragen, Erdbebensicherheit und induzierte Seismizität, Standsicherheit der Talhänge des Stauraumes

Tunnel, Stollen, Schächte, Kavernen

Trassen- und Standortwahl, geologisch-geotechnische Prognose, Verhalten der verschiedenen Gebirgsarten beim Ausbruch eines Hohlraumes, Gebirgsspannungen, Wasserverhältnisse, Temperatur, Quell- und Schwellverhalten, Gebirgsgase

Flussbau

Erosionstätigkeit, Erosionshindernisse, Sedimentationstätigkeit, Standsicherheit von Uferböschungen, Feststoffführung

See- und Hafenbau

Erosions- und Verlandungsfragen, Gründungsfragen

Deponien über Tage

Baugrundgeologie und -hydrogeologie, Basisabdichtung, Abdeckung, Standsicherheit

Deponien unter Tage

Bewertung alter Bergwerke, geologische und geotechnische Barrieren, Standsicherheitsnachweise

Arbeitsblätter zum Kurs "GEOLOGIE IM BAUWESEN" 1.3

Seite 1.4

Zusammenarbeit zwischen Bauingenieur und Baugeologe

Das Ziel jeder Zusammenarbeit zwischen dem Bauingenieur und dem Baugeologen ist in erster Linie eine Frage der Optimierung hinsichtlich größtmöglicher Sicherheit, Umweltverträglichkeit und Wirtschaftlichkeit. Baugeologe

Ingenieur Vorstudien

Klärung der geologischen Situation im Großen

Grundsätzliche Entscheidung über Lokalität, Trassenführung, Hauptanlageverhältnisse

Generelle Projektierung Klärung der geologischen Situation am gewählten Ort, Festlegung des Aufschlussprogramms, Überwachung bzw. Durchführung der Aufschlussarbeiten, Baustofffragen

Entscheidung über Bauwerkstypen, Gründungsarten, Baustofffragen

Detail-Projektierung Interpretation der Aufschlussverhältnisse und Durchführung ergänzender Untersuchungen, Disposition von Großund Laborversuchen

Anpassung der Baukonstruktionen an das geologische Detail, Entscheidung über Art der Bauweise und Baudurchführung, Festlegung von Beobachtungssystemen

Bauausführung Geologische Dokumentation und Bauberatung

Erforderlichenfalls Anpassung von Konstruktion und Ausführung an die im Zuge des Baufortschrittes gewonnenen Daten, Messbeobachtungen

Bauwerksüberwachung Mitarbeit bei der Deutung von Bauwerksbeobachtungen 1.4

Erforderlichenfalls ergänzende Maßnahmen

Übungsaufgaben

Ü 1.1 Nennen Sie aus Ihrem persönlichen Erfahrungsbereich (Heimatort, Studienort, Praktikum, Reisen usw.) eine Baustelle in Locker- oder Festgestein, bei der die Geologie des Baugrundes eine besondere Relevanz hat(te). (a) Welche Erscheinungen waren zu beobachten? (b) Versuchen Sie die Situation zu skizzieren. (c) Welche baulichen Maßnahmen wurden getroffen?


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2.

BEWEGUNG, FIGUR, AUFBAU UND DYNAMIK DER ERDE

2.1

Bewegung und Figur der Erde

Erde Oberfläche: 510 Mio km2 mittl. Radius: 6 371 km mittl. Dichte: 5,5 g/cm3

Volumen: 1,1 * 1012 km3 Äquator-Radius: 6378 km

Masse: 6 * 1024 kg Pol-Radius: 6356 km

mittl. Dichte der oberen Kruste: 2,7 g/cm3 (an der Erdoberfläche) mittl. Schwere: 9,81 m/sec2 Sonne Masse: mittl. Radius: mittl. Dichte: Dichte im Zentrum: mittl. Schwere:

2 * 1030 kg 700 000 km 1,4 g/cm3 10 g/cm3

ca. 332 000 * Erdmasse ca. 109 * Erdradius ca. 1/4 * Erddichte ca. 28 * Erdschwere an der Oberfläche

Die Schwerkraft der Erde hängt von der Entfernung vom Erdmittelpunkt ab. Die Fallbeschleunigung beträgt im Mittel 9,81 m/sec2. Örtliche Abweichungen des Erdschwerefeldes entstehen durch Heterogenitäten in der Massenverteilung; sie werden durch die Gravimetrie erforscht. Die Erde rotiert gegen den Uhrzeigersinn in 24 Stunden einmal um ihre Achse, die gegen die Erdbahn um 66o 33' geneigt ist, wobei die Drehgeschwindigkeit am Äquator 465 m/sec (1 700 km/h) beträgt. Die Erde bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von ca. 30 km/sec (108 000 km/h) auf einer etwa 940 Mio km langen elliptischen Bahn (Ekliptik) um die Sonne, die in einem der beiden Brennpunkte steht. Der mittlere Abstand von Sonne und Erde beträgt ca. 150 Mio km; er ist Anfang Januar um 2,5 Mio km geringer, Anfang Juli 2,5 Mio. km größer. Die Neigung der Rotationsachse gegen die Ekliptik ist die Ursache für die verschiedenen Jahreszeiten auf der Nord- und Süd-Halbkugel.

Abb. 2.1

Jahresumlauf der Erde um die Sonne


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Sonne, Mond und andere Himmelskörper wirken auf die Wassermassen der Erde durch gravitative Anziehung ein. Sie bewirken Ebbe und Flut. Auch der feste Erdkörper wird durch diese Anziehungskräfte deformiert: Dehnung entlang der Linie Mond/Erdschwerpunkt, Stauchung senkrecht dazu. In Karlsruhe beträgt die Gezeitenschwingung ca. 50 cm. Der Mond läuft als natürlicher Satellit der Erde in 27,5 Tagen einmal um die Erde und bestimmt ihre Gezeiten von Land und Wasser (Ebbe/Flut). 2.2

Aufbau der Erde

Die Erde ist in konzentrischen Schalen aufgebaut: Sie ist umgeben von einer gasförmigen Hülle (Atmosphäre). Sie hat eine Mindesthöhe von 1 000 km, und ihre Dichte wird nach außen geringer; 90% der Luftmassen sind in den untersten 20 km enthalten. Unter der Atmosphäre liegen der vom Wasser eingenommene Bereich (Hydrosphäre) und die Landmassen (-> Klima -> Wetter -> Verwitterung). Sichtbare Teile der oberen Erdkruste sind die Gesteine, die durch Gebirgsbildung und -abtragung an die Erdoberfläche gelangt sind (-> Orogenese, Epirogenese), sowie das Oberflächenwasser. Mit geophysikalischen Methoden - besonders durch Auswertung der Laufzeiten von Erdbeben-Wellen - gewinnt man Aufschluss über den Aufbau der tiefergelegenen Teile des Erdkörpers: Sprunghafte Änderungen der Geschwindigkeit von seismischen Wellen in bestimmten Tiefen sowie Brechung und Reflexion an Unstetigkeitsflächen belegen den Schalen-Aufbau des Erdkörpers: Erdkruste, Erdmantel und Erdkern; diese lassen sich jeweils noch weiter untergliedern (-> Seismologie).

Abb. 2.2

Schalenförmiger Aufbau des Erdkörpers (Press & Siever, 2003)


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2.2.1 Erdbebenwellen Erdbebenwellen sind stoßartige elastische Verformungen (seismische Wellen), die von tieferen Teilen der festen Erdkruste ausgehen, sich durch den Erdkörper als Raumwellen (P- und S-Wellen) und entlang der Erdoberfläche als Oberflächenwellen (L- und R-Wellen) ausbreiten. Die Kompressionswellen (Primärwellen = P-Wellen) sind am schnellsten. Sie laufen als Longitudinalwellen mit Geschwindigkeiten von mehreren km/sec durch den Erdkörper. Je härter ein Gestein ist, desto höher ist die Geschwindigkeit der P-Wellen. Die Scherungswellen (Sekundärwellen = S-Wellen) sind Transversalwellen, die den PWellen mit etwa halber Geschwindigkeit folgen. Die M-Wellen ("Maximum") treffen zuletzt ein, da sie entlang der Erdoberfläche laufen. Nach der Art der Teilchenbewegung gliedert man sie weiter in R- (Rayleigh) und L(Love) Wellen. (a) (c)

(b) (d)

Abb.2.3

Seismische Wellentypen (Press & Siever, 2003) (a) Kompressionswelle (c) Rayleigh-Welle (b) Scherungswelle (d) Love-Welle

Abb. 2.4

Schema eines Seismographen nach Wiechert aus (Press & Siever, 2003)


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Abb. 2.5

Ausbreitung seismische Wellen in der Erde und typische Seismogramme mit Vorläufern (P, PP, S, SS, SSS) und Hauptphase (L, R)

Abb. 2.6

Ausbreitung seismischer Raumwellen durch die Erde


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2.2.2 Erdkruste Unter dem Deckgebirge (= Sedimentdecke) liegt das Grundgebirge, das zutage tritt, wenn das Deckgebirge abgetragen ist. Es besteht aus magmatischen und metamorphen Gesteinen mit hohen Silicium- und Aluminium-Gehalten. Dieses Stockwerk heißt Oberkruste. Darin beträgt die Geschwindigkeit der P-Wellen 4 - 6,3 km/sec. Ihre mittlere Dichte liegt bei 2,7 g/cm3. Die Dicke der Oberkruste beträgt in den Kontinenten 10 - 30 km; sie kann unter den jungen Gebirgen (z.B. Alpen, Anden, Himalaya) bis auf 60 km anwachsen (>Gebirgswurzel, Isostasie). Unter den Ozeanen ist die Oberkruste nur 5 - 6km mächtig. Basaltische Gesteine herrschen dort vor, weshalb auch von Basaltischer Kruste gesprochen wird. Die Geschwindigkeit der P-Wellen und die Dichte des Gesteins erhöhen sich an der Unterfläche der Oberkruste, der Conrad-Diskontinuität. Darunter liegt die Unterkruste, in der Silicium und Aluminium abnehmen, Magnesium und Eisen aber zunehmen. Man nennt diese Zone Basaltische Kruste oder Gabbro-Schale. Unter den Ozeanen ist die Unterkruste 5 - 6 km mächtig. Ihre Dicke nimmt unter den Kontinenten auf 15 - 20 km zu. Im Mittel liegt die Untergrenze bei 30 - 35 km Tiefe. Die untere Begrenzung der Unterkruste ist eine deutliche Unstetigkeitsfläche für die PWellen-Ausbreitung; sie wird Mohorivicic-Diskontinuität ("Moho") genannt. Besonders tief reicht die Moho-Fläche unter den jungen Gebirgen.

Abb. 2.7

Schematischer Querschnitt durch die Erdkruste (Press & Siever, 2003)

2.2.3 Erdmantel Der Obere Mantel der Erde besteht im Wesentlichen aus Silicaten von basaltischperidotitischer Zusammensetzung. In der Geomechanik wird er mit der Erdkruste zur Lithosphäre zusammengefasst. Darunter liegt eine Zone von relativ geringer Materialfestigkeit und hoher Mobilität; sie heißt Asthenosphäre und steht mit der Lithosphäre im Massenaustausch - besonders an den mittelozeanischen Rücken, wo


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Material der Asthenosphäre aufsteigt, abkühlt und in der Lithosphäre erstarrt. Der umgekehrte Vorgang spielt sich in den Subduktionszonen ab. Bis in den untersten Teil des Oberen Mantels sind Inhomogenitäten nachweisbar (z.B. Benioff-Zonen an abtauchenden Lithosphärenplatten).

Abb. 2.8

Subduktion der ozeanischen Kruste unter die kontinentale Kruste (Press & Siever, 2003)

Im Mittleren Mantel nimmt die Dichte bis auf 4,6 g/cm3 zu. Im Unteren Mantel steigt die Geschwindigkeit der P-Wellen mit zunehmender Tiefe auf ca. 14 km/sec an. In 2900 km fällt sie auf 8,1 km/sec zurück; dort liegt die Kern/Mantel-Grenze, wo die Dichte sprunghaft von 6,7 g/cm3 auf 9,4 g/cm3 ansteigt. 2.2.4 Erdkern Man nimmt an, dass der Erdkern aus Eisen und Nickel mit Beimengungen von Silicaten des Eisens und Magnesiums besteht. Transversalwellen gehen durch den Erdkern nicht hindurch. Daraus schließt man, dass der äußere Erdkern flüssig sei. Der innere Erdkern unterscheidet sich vom äußeren Kern durch die P-Wellen-Geschwindigkeit und wird als fest angesehen. 2.3

Erdoberfläche

Etwa 2/3 der Oberfläche der Erde werden von Meeren, ca. 1/3 von Kontinenten, Mittelund Hochgebirgen bedeckt. Die Kontinentaltafel und der Tiefseeboden nehmen besonders große Räume ein, während Höhen über 1 000 m (max. Höhe: Mt. Everest 8882 m) relativ selten sind. Die Kontinentaltafel beginnt bei 1 000 m ü. NN und reicht bis zu 200 m tief u. NN. Der wasserbedeckte Teil eines Kontinentes heißt Schelf oder Festlandsockel. Der


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Kontinentalabhang begrenzt die Schelfe und fällt bis etwa 4 000 m ab. Es folgt die Tiefsee, deren ausgedehnte Flächen bis fast 6 000 m unter NN reichen. Aus dem Tiefseeboden ragen langgestreckte Gebirgsrücken aus magmatischen Gesteinen hervor (Tiefseerücken). 2.3.1 Kontinente Die durchschnittliche Höhe der gesamten Landoberfläche beträgt 875 m ü.NN. Im Norden lagern sich um das nördliche Eismeer die Kontinentalbereiche Nordamerikas, Asiens und Europas. Der Erdteil Antarktis bildet einen ausgedehnten Kontinent im Bereich des Südpols. Auffallend ist der weitgehend kongruente Verlauf der atlantischen Ost- und Westküsten (-> Kontinentalverschiebung).

Abb. 2.9

Kongruenz der zirkumatlantischen Kontinentalränder. Grundlage der Kontinentalverschiebungstheorie von A. Wegener (Press & Siever, 2003)

Abb. 2.10

Schema der Plattentektonik der Lithosphäre (Press & Siever, 2003)


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2.3.2 Meere Von den großen Ozeanen (Pazifik, Atlantik, Indik) dringen Nebenmeere zwischen die Kontinentalblöcke ein. Diese Nebenmeere werden in Mittelmeere, welche die Kontinentalblöcke in Erdteile gliedern, und in Randmeere (z.B. Nordsee, Ostsee) eingeteilt. Die größten Tiefen des Meeresbodens erreichen die Tiefsee-Gräben (z.B. Marianen-Graben 11 000 m u.NN). Sie sind relativ schmale Senkungszonen, die bis zu tausenden von Kilometern lang sind und sich i.a. unmittelbar vor den Kontinenten oder Inselbögen mit jungen Gebirgen hinziehen (Subduktionszonen). An den Tiefseerücken steigen die magmatischen Schmelzen in tiefreichenden Bruchund Dehnungszonen der Erdkruste empor (Divergenzzonen). Eine bedeutende submarine Schwelle ist der Mittelatlantische Rücken, der den Atlantik durchzieht und Höhenunterschiede von mehr als 3000 m besitzt; auf ihm liegen Island, die Azoren und andere Inseln. In den Mittelatlantischen Rücken ist ein 20-50 km breiter, über 3000 m tiefer Zentralgraben ("Rift") eingesenkt.

Abb. 2.11 2.4

Schema des "sea-floor-spreading"

Erdwärme (Geothermie)

Die Temperatur der Erdkruste nimmt pro 100 m Tiefe im Mittel um 3 oC zu. Dieser Temperatur-Gradient in [oC/m] oder sein Kehrwert, die geothermische Tiefenstufe in [m/oC], hängen von radioaktiver Aufheizung, chemischen Prozessen, vulkanischen Vorgängen, jungen Gebirgsbildungen sowie von der Wärme-Leitfähigkeit der Gesteine ab. Die Geothermische Tiefenstufe schwankt zwischen 90 oC/km in den jungvulkanischen Gebieten (z.B. Anden oder Island) und 9 oC/km in den alten kontinentalen Schilden (z.B. Südafrika, Kanada, Skandinavien). Wahrscheinlich wird die Wärme tieferer Schalen - besonders im Erdmantel - durch aufsteigende Schmelzmassen in Form von Konvektionsströmungen nach oben transportiert; in der Kruste scheint dagegen Wärmeleitung zu dominieren.


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Seismizität, Magnitude, Intensität und Schadenswirkung von Erdbeben

2.5.1 Seismizität Seismizität ist die Statistik der geographischen und zeitlichen Verteilung der Erdbeben. Die überwiegende Zahl der tektonischen Erdbeben ist an die Ränder der Lithosphärenplatten gebunden.

Abb. 2.12

Seismizität der Erde, Erdbebenherde (Press & Siever, 2003)

2.5.2 Magnitude Die Magnitude M eines Erdbebens ist ein relatives Zahlenmaß für die freigesetzte Energie im Hypozentrum des Bebens. Sie wird aus dem dekadischen Logarithmus der maximalen Amplitude der seismischen Schwingweg-Registrierung an der Erdoberfläche bestimmt, nachdem sie auf eine Herdentfernung von 100 km theoretisch reduziert worden ist (RICHTER-Skala, 1935): M = log (A / Ao) A Amplitude in [µm] Ao = 1 [µm] Referenzamplitude Jede Stufe der RICHTERschen Magnitudenskala bedeutet eine Steigerung der Schwingweg-Amplitude um das jeweils 10-fache der darunterliegenden Stufe. Man unterscheidet zwischen Raumwellenmagnituden (Mb) und OberflächenwellenMagnituden (Ms).


Seite 2.10

2.5.3 Hypozentrum, Epizentrum, Intensität und Schadenswirkung Das Hypozentrum ist ein hypothetischer Punkt in der Erdkruste, von der das Erdbeben ausgeht. Das Epizentrum ist die radiale Projektion des Hypozentrums auf die Erdoberfläche. Die Intensität ist eine Kennzahl für die Stärke der Bodenbeschleunigung bei Erdbeben anhand der Auswirkungen auf Menschen und Objekte und anhand des Ausmaßes der Gebäudeschäden vor Ort. Die DIN 4149:2005-04 verwendet die Europäische Makroseismische Skala (EMS) 2.5.4 Erdbebenzonen in Deutschland Die Erdbebenzonen der Bundesrepublik Deutschland sind in Abb. 2.13 dargestellt. Den Erdbebenzonen werden auf der Grundlage berechneter Intensitäten in Tabelle 2.1 Intensitätsintervalle zugeordnet. Die Gefährdung innerhalb jeder Erdbebenzone wird als einheitlich angesehen, abgesehen von Variationen, die sich durch unterschiedliche Untergrundbedingungen ergeben. Die Referenz-Wiederkehrperiode, für die die Erdbebengefährdungskarte bzw. die daraus abgeleitete Erdbebenzonenkarte, siehe Abb. 2.13, erstellt wurde, beträgt 475 Jahre; dem entspricht eine Wahrscheinlichkeit des Auftretens oder Überschreitens von 10 % innerhalb von 50 Jahren. Als zonenspezifischer Einwirkungsparameter gilt ein Bemessungswert der Bodenbeschleunigung αg, der in Tabelle 2.1 den Erdbebenzonen zugeordnet ist und als Grundlage für den rechnerischen Erdbebennachweis anzusehen ist, sofern dieser erforderlich ist. Für die Zuordnung einzelner Kreise und Gemeinden zu den Erdbebenzonen wird ein Beiblatt zur DIN 4149:2005-04 erarbeitet. Erdbebenzone

Intensitätsintervalle

Bemessungswert der Bodenbeschleunigung αg [m/s²]

0

6 ≤ I ≤ 6,5

-

1

6,5 ≤ I ≤ 7

0,4

2

7 ≤ I ≤ 7,5

0,6

3

7,5 ≤ I

0,8

Tab. 2.1 Zuordnung von Intensitätsintervallen und Bemessungswerten der Bodenbeschleunigung zu den Erdbebenzonen nach Abb. 2.13


Abb. 2.13

Seite 2.11

Karte der Erdbebenzonen in der Bundesrepublik Deutschland (Bild 2 aus DIN 4149:2005-04)


Seite 2.12

2.5.4 Untergrundverhältnisse, Geologie und Baugrund Der Einfluss der örtlichen Untergrundverhältnisse auf die Erdbebeneinwirkung ist generell durch eine Einstufung in eine der drei geologischen Untergrundklassen R, T, S und in eine der drei Baugrundklassen A, B, C zu berücksichtigen. Als Kombinationen von geologischem Untergrund und Baugrund können die Untergrundverhältnisse A-R, B-R, C-R, B-T, C-T, C-S vorkommen. 2.5.4.1 Geologische Untergrundklassen Es wird zwischen den folgenden geologischen Untergrundklassen unterschieden: - Untergrundklasse R Gebiete mit felsartigem Gesteinsuntergrund. - Untergrundklasse T Übergangsbereiche zwischen den Gebieten der Untergrundklasse R und der Untergrundklasse S sowie Gebiete relativ flachgründiger Sedimentbecken. - Untergrundklasse S Gebiete tiefer Beckenstrukturen mit mächtiger Sedimentfüllung. Die geologischen Untergrundklassen in den Erdbebenzonen in Deutschland werden in Abb. 2.14 gezeigt. Für die Zuordnung einzelner Kreise und Gemeinden zu den Untergrundklassen ist ein Beiblatt zur DIN 4149:2005-04 in Vorbereitung. 2.5.4.2 Baugrundklassen Der Baugrundbegriff wird nach folgenden Baugrundklassen unterschieden: - Baugrundklasse A Unverwitterte (bergfrische) Festgesteine mit hoher Festigkeit. Dominierende Scherwellengeschwindigkeiten liegen höher als etwa 800 m/s. - Baugrundklasse B Mäßig verwitterte Festgesteine bzw. Festgesteine mit geringerer Festigkeit oder grobkörnige (rollige) bzw. gemischtkörnige Lockergesteine mit hohen Reibungseigenschaften in dichter Lagerung bzw. in fester Konsistenz (z. B. glazial vorbelastete Lockergesteine). Dominierende Scherwellengeschwindigkeiten liegen etwa zwischen 350 m/s und 800 m/s. - Baugrundklasse C Stark bis völlig verwitterte Festgesteine.


Abb. 2.14

Seite 2.13

Geologische Untergrundklassen in den Erdbebenzonen in der Bundesrepublik Deutschland (Bild 3 aus DIN 4149:2005-04)


Seite 2.14

Übungsaufgaben

Ü 2.1 Was ist der Unterschied zwischen exogener und endogener Dynamik der Erde? Nennen Sie jeweils wichtigste Ursachen und Wirkungen. Ü 2.2 (a) Beschreiben Sie den Schalenaufbau des Erdkörpers. (b) Wodurch sind die einzelnen Schalen charakterisiert? (c) Woher kennt man sie? Ü 2.3 (a) Was sind isostatische Ausgleichsbewegungen der Erdkruste? (b) Nennen Sie Beispiele. Ü 2.4 (a) Beschreiben Sie das Prinzip der Plattentektonik der Erdkruste mit den Mechanismen Mantelkonvektion, Sea-Floor-Spreading, Subduktion, Vulkanismus, Erdbeben, Orogenese, Rifting, Kontinentalverschiebung. (b) Nennen Sie Beispiele für Subduktionszonen und intrakontinentale Riftzonen. Ü 2.5 (a) Zeigen Sie am Beispiel der San Andreas Verwerfung in Kalifornien die Bewegung der ostpazifischen Plattengrenze relativ zur nordamerikanischen sowie die Folgen dieser Bewegung. (b) Welche Möglichkeiten gibt es, diese Bewegungen zu beobachten und zu messen? Ü 2.6 (a) Erläutern Sie den Mechanismus eines tektonischen Erdbebens. (b) Wo sind die Erdbebenzonen hauptsächlich lokalisiert? Warum? (c) Was sind Nachbeben? Ü 2.7 (a) Wo gibt es in Europa Gebiete mit erhöhter seismischer Aktivität? (b) Welche Regeln müssen dort bei Ingenieurbauten beachtet werden? Ü 2.8 (a) Welche seismischen Bodenschwingungsformen sind für Ingenieurbauwerke besonders kritisch? (b) Welcher Baugrund ist bei Erdbeben am stärksten gefährdet? Warum? Stichworte zu Kap. 2 ( ... sind im Text erläutert ) Asthenosphäre, Atmosphäre, Divergenz, Ekliptik, Erdbeben, Erdbebenwellen, Erdkern, Erdkruste, Erdmantel, Geothermie, Gezeiten, Gravimetrie, Hydrosphäre, Intensität, Isostasie, Jahreszeiten, kontinentale Kruste, Kontinentalverschiebung, Lithosphäre, Magnitude, Moho-Diskontinuität, ozeanische Kruste, Plattentektonik, Schwerkraft, Seismizität, Subduktion


KRISTALLE, MINERALE, GESTEINE und GEBIRGE (Petrographische Grundlagen, Kreislauf der Gesteine)

Abb. 3.1 3.1

Seite 3.1

Betrachtungsbereiche bei der stofflichen Zusammensetzung der Erde

Geochemische Elemente, Kristalle

Die (in Gewichtsprozent) häufigsten 8 chemischen Elemente der Oberkruste der Erde sind: Sauerstoff Silicium Aluminium Eisen Calcium Natrium Kalium Magnesium

(O) (Si) (Al) (Fe) (Ca) (Na) (K) (Mg)

ca. 47 % ca. 28 % ca. 8 % ca. 5 % ca. 4 % ca. 3 % ca. 3 % ca. 2 %

Kristalle sind anorganische oder organische Festkörper mit definierter chemischer Zusammensetzung und geordneter, meist periodischer atomarer und geometrischer Struktur.


Seite 3.2

Minerale

Minerale sind chemisch homogene anorganische Kristalle oder amorphe Feststoffe der Erde. Jedes Mineral hat eine chemische Formel. Die Minerale sind die Grundkörper der Gesteine. Am häufigsten sind die Silikate, z.B. Quarz (SiO2). Minerale mit hohem SiGehalt heißen "sauer"; bei geringem Si-Gehalt nennt man sie "basisch". Silikate - Gerüstsilikate - Schichtsilikate - Bändersilikate (Amphibole) - Kettensilikate (Pyroxene) - Ringsilikate - Gruppensilikate - Inselsilikate

z.B. Quarz, Feldspäte z.B. Glimmer, Talk, Serpentin, Chlorit, Tonminerale z.B. Hornblende z.B. Augit z.B. Turmalin z.B. Disthen z.B. Olivin

Weitere gesteinsbildende Minerale: Phosphate Sulfate Karbonate Oxide und Hydroxide Halogenide Sulfide Reine Elemente

z.B. z.B. z.B. z.B.

Apatit Anhydrit, Gips, Baryt Calcit, Dolomit, Siderit, Magnesit Haematit, Magnetit, Korund, Limonit z.B. Fluorid, Steinsalz, Sylvin z.B. Pyrit, Zinkblende z.B. Gold, Silber, Kupfer, Schwefel, Kohlenstoff

3.3

Gesteine

a)

im petrographischen Sinn: ein Gemenge von Mineralen, z.B. Granit, bestehend aus Feldspat, Quarz und Glimmer im geologischen Sinn: alle anorganischen und organischen festen Bestandteile der Erdkruste (Magmatite, metamorphe Gesteine, Sedimentgesteine) in der Geomechanik werden die Gesteine weiter unterteilt in

b) c)

Festgestein: Gestein, dessen Bestandteile (Körner) eine feste und dauerhafte Bindung besitzen, die unter Wassereinwirkung über längere Zeit nicht verloren geht Lockergestein: Boden, dessen Bestandteile keine oder nur eine sehr schwache Bindung aufweisen Veränderlich feste Gesteine verlieren ihren Zusammenhalt (Kohäsion) unter Einwirkung von Wasser 3.4

Gebirge, Fels

Als Gebirge bezeichnet man in der Geotechnik makroskopisch jeden natürlichen Verband von Locker- und/oder Festgestein einschließlich des Gefüges (Schichtung, Schieferung, Klüftung, Störung, usw.) und des darin enthaltenen Wassers.


Seite 3.3

Festgestein im natürlichen Verband heißt Fels. Anders als im geographischen Sprachgebrauch bedeutet das Gebirge nicht notwendig immer eine topographische Erhebung der Geländeoberfläche. 3.5

Bestimmung der Minerale und Gesteine Bestimmungsweise

Feldansprache

makroskopischvisuelle Ansprache am Handstück bzw. in-situ mikroskopische Untersuchung an Dünnschliffen, polierten Gesteinsoberflächen oder Mineralkörnern Röntgenographisch

Laboruntersuchung

Gesteins- bzw. Mineralmerkmale Lupe, Hammer, Gefügemerkmale, Taschenmesser Korn- bzw. verdünnte Salzsäure Mineralform, (3 Teile Wasser, 1 Teil Dichte, Härte, konz. Salzsäure) Kalkgehalt, Farbe, Strichplatte aus Strichfarbe, unglasiertem Geschmack Porzellan Gefügemerkmale, Farbe, PolarisationsLichtbrechungsindex, mikroskop Doppelbrechung, Kristallsystem KristallgitterRöntgendiffraktometer abstände (Mineralart) Hilfsmittel

Elektronenoptisch

Elektronenmikroskop Elektronenmikrosonde

Chemisch-

chemisch-

physikalische

physikalisches Labor

Analysen

Mikrogefüge, Elemente d. Minerale Stoffbestand, Gefüge u. Textur, typische Reaktionsvorgänge alle chemischphysikalischen Eigenschaften eines Minerals oder Gesteins

Mohs'sche Härteskala: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10.

Talk Steinsalz Calcit Flussspat Apatit Orthoklas Quarz Topas Korund Diamant

mit dem Fingernagel ritzbar mit dem Messer ritzbar

ritzen Fensterglas schneiden Fensterglas


Kreislauf der Gesteine Darstellung nach Cloos, 1929:

Schematische Darstellung:

Seite 3.4


Seite 3.5

3.7

Übungsaufgaben zu den Kapiteln 3 bis 6

Ü 3.1

Wie heißen die häufigsten chemischen Elemente der Erdkruste?

Ü 3.2

Umreißen Sie kurz den Kreislauf der Gesteine.

Ü 3.3

Welches sind die für das Bauwesen jeweils wichtigsten Vertreter der (a) Sedimentgesteine, (b) Metamorphite und (c) Magmatite?

Ü 3.4

Welcher Naturstein ist bei den Bauwerken in Karlsruhe bevorzugt verwendet worden? Warum?

Ü 3.5

Entdecken Sie einen Steinbruch? (a) Wo liegt er? (b) Welches Gestein wird abgebaut? (c) Wie erfolgt der Abbau? (d) Worin bestehen die geologischen Besonderheiten?

Ü 3.6

Nennen Sie je ein Beispiel für (a) homogenes, (b) inhomogenes, (c) isotropes, (d) anisotropes Gestein

Ü 3.7

Was versteht man unter dem Gefüge eines Gesteins? Welche Bildungsbedingungen bestimmen vorrangig das Gefüge von (a) klastischen Sedimenten, (b) Tiefengesteinen, (c) Metamorphiten?

Ü 3.8

Sammeln Sie im Gelände Gesteinshandstücke: (a) Sedimentit, (b) Magmatit und (c) Metamorphit. Geben Sie die Fundstellen an, und charakterisieren Sie die Gefügemerkmale dieser Gesteinsproben.

Ü 3.9

Mechanische Gesteinseigenschaften: Was versteht man unter (a) Härte, (b) Festigkeit, (c) Verformbarkeit ?

Ü 3.10

Was ist der Unterschied zwischen (a) sprödem und duktilem Materialverhalten? (b) Gesteinsfestigkeit und Gebirgsfestigkeit?


Seite 3.6

Ergänzende Stichworte zu Kap. 3 Anisotropie: siehe Isotropie Diagenese: Umbildung lockerer Sedimente zu mehr oder weniger festen Gesteinen durch langzeitige Wirkung von Überlagerungsdruck, Temperatur, chemischer Lösung und Ausscheidung (Zementation). Die Diagenese geht in die niedrigsten Stufen der Metamorphose über. Feldspäte: häufigste Mineralgruppe der Erdkruste: Silikate mit Al, Ca, K und Na felsisch: aus hellen Silikaten bestehend (z.B. Feldspat, Quarz, Muskowit) Gemengteile: Mineralarten, aus denen ein Gestein zusammengesetzt ist. Sie werden untergliedert in die Hauptgemengteile, die den überwiegenden Teil eines Gesteins aufbauen, und in die Nebengemengteile. Handstück: Gesteinsprobe von etwa Handgröße Homogenität: Gleichartigkeit eines betrachteten Bereichs in bezug auf Aufbau und Eigenschaften (chemisch und physikalisch). Gegensatz: Inhomogenität Isotropie: Besonderheit eines Betrachtungsbereichs, bezüglich bestimmter Eigenschaften (z.B. Härte, Festigkeit, Verformbarkeit, Durchlässigkeit, Lichtbrechung usw.) in allen Richtungen gleiche Reaktion zu zeigen. Gegensatz: Anisotropie Lagerstätte: Mineralische Anreicherungen, die sich wirtschaftlich verwerten lassen mafisch: aus dunklen Silikaten bestehend, reich an Mg und Fe, (Pyroxene, Amphibole) Matrix: feinkörnige Grundmasse gröberkörniger Gesteine Metamorphose: chemisch-strukturelle Gesteinsumwandlung unter veränderlichen Temperaturen und Drücken Silikate: Gemenge aus Verbindungen mit Quarz (SiO2 Polymerisation: Ketten- und Ringbildungen) Struktur: Geometrische Ausbildung der einzelnen Minerale eines Gesteins (z.B. Kornform, Korngröße) Textur: Räumliche Anordnung der Minerale und ihrer Aggregate im Gestein (z.B. Lagentextur, Fließtextur)


MAGMATISCHE GESTEINE (Plutonite, Vulkanite, Ganggesteine)

4.1

Magma, Lava

Seite 4.1

Die Temperatur der Erde nimmt mit der Tiefe zu (geothermischer Gradient). Durch Aufschmelzung von Gesteinskomplexen unter geeigneten Temperatur- und Druckverhältnissen in der unteren Erdkruste oder im oberen Erdmantel entsteht Magma als eine Gesteinsschmelze mit gelösten Gasen, aus denen umgekehrt bei Abkühlung die Magmatite auskristallisieren. Der Schmelzprozess (Anatexis) hängt von den Temperatur- und Druckbedingungen sowie vom Anteil der Gase (z.B. H2O, CO2) in der Schmelze ab. Die meisten Gesteine setzen sich aus mehreren Mineralen zusammen, die jeweils unterschiedliche Schmelztemperaturen haben. Oft wird nur ein Teil der Minerale aufgeschmolzen (Teilschmelzen). An der Erdoberfläche austretendes Magma heißt Lava. Bei Vulkanen betragen die Eruptionstemperaturen der Lava 700 oC bis > 1200 oC. Der Chemismus der Laven hängt von der Temperatur ab und variiert entsprechend stark. Magmen und Laven enthalten unterschiedliche chemische Elemente (O2, Al, Fe, Mg, Ca, Na, K, u.a.), die sich zu Oxiden verbinden. Der Gehalt an Siliziumdioxid (SiO2) erlaubt eine Klassifizierung der Magmatite: Gehalte von 45 - 52 Vol. % SiO2 charakterisieren basische Gesteine; Gehalte von 52 - 65 Vol. % SiO2 ergeben intermediäre Gesteine; und Gesteine mit über 65 Vol. % SiO2 bezeichnet man als sauer. Vom Basischen zum Sauren nehmen die Fe- und Mg-Gehalte ab, während die Metalle Na und K relativ zunehmen. 4.2

Magmatite, Magmendifferentation

Magmatische Gesteine (Magmatite, Erstarrungsgesteine) sind Gesteine, die durch Abkühlung des Magmas entstehen (Abnahme von Temperatur und Dampfdruck). Sind sie im Erdinneren erstarrt, heißen sie Tiefengesteine. Dagegen sind Ergussgesteine an der Erdoberfläche erstarrt. Wegen seiner gegenüber dem Nebengestein geringeren Dichte steigt das flüssige Magma langsam auf. Die damit verbundene Ausdehnung erzeugt Druck, der das Magma (meist auf Risszonen) nach oben presst. Es kann die Erdoberfläche erreichen und dort in Vulkanen als Lava oder andere Auswurfprodukte eruptieren. Die daraus entstehenden Gesteine heißen Vulkanite oder Eruptivgesteine (Kap. 4.3). Wenn das Magma bereits beim Aufstieg erstarrt, bevor es die Erdoberfläche erreicht, bildet es die Plutonite (Intrusivgesteine Kap. 4.4). Magmatische Strukturen entstehen je nachdem, wieviel Zeit das Magma oder die Lava zum Abkühlen braucht, in welcher Weise die Minerale auskristallisieren, welche Viskosität herrscht und welche Bewegungen das abkühlende Gestein unternimmt. Als Faustregel gilt: Je schneller ein Magma abkühlt, desto feinkörniger wird seine Struktur.


Seite 4.2

Die Abkühlungsgeschwindigkeit hängt stark von der Größe und Gestalt des Magmenkörpers ab. Große Magmenmassen erstarren langsamer, Laven dagegen schneller als tiefsitzende Intrusionen, die von heißem Nebengestein umschlossen sind. Schlagartiges Abkühlen bringt oft Gesteinsglas hervor, das amorph ist. Das Gefüge der Magmatite hängt stark von der Abkühlungsgeschwindigkeit ab. 1.

Schnelle Erstarrung: Ergussgesteine (Vulkanite, Laven, Eruptiva) Glasig-kristallines, porphyrisches Gestein

2.

Erstarrung in Gängen: Ganggesteine Porphyrisches, holokristallines, gleichkörniges, richtungsloses Gestein

3.

Langsame Abkühlung: Tiefengesteine (Plutonite, Intrusiva) Holokristallines, gleichkörniges, richtungsloses Gestein Abkühlung --------------- >

--------------------- > Zunahme an SiO2 Abb. 4.1 Schema der Magmendifferentiation In basischen Ergussgesteinen findet man häufig Gasblasenhohlräume; in intermediären und sauren Gesteinen sind sie selten. Die sauren Gesteine zeigen dafür in einigen Fällen Fließstrukturen, die auf Magmendifferentiation während des Fließens hindeuten. Magmendifferentiation bezeichnet die Änderung der mineralischen Zusammensetzung des Magmas. Bei Abkühlung fallen die unterschiedlichen Gesteinskomponenten durch sukzessive Erstarrung aus. Hauptkristallisation nennt man den Zeitabschnitt, in dem der Hauptteil eines Magmas auskristallisiert; vorher setzt die Frühkristallisation, danach die Restkristallisation ein.


Seite 4.3

Der Mineralbestand der magmatischen Gesteine hängt von der Zusammensetzung der Schmelze ab. Neben dem Quarz stellen die Silikatschmelzen die Hauptgemengeteile dar, gegenüber denen die nicht-silikatischen Nebengemengteile quantitativ sehr zurücktreten. Die Aufgliederung der Hauptgemengteile in 2 Hauptgruppen geschieht nach der Reihenfolge ihrer Ausscheidung aus dem sich abkühlenden Magma (Tab. 4.1): (1)

kieselsäurearme (=basische), dunkel gefärbte melanokrate Minerale, die in der Schmelze eine Tendenz zum Absinken haben,

(2)

kieselsäurereiche (=saure), helle leukokrate Minerale, die spezifisch leichter als die Schmelze sind.

Mit der allmählichen Abkühlung und der fortschreitenden Magmendifferentiation wird die anfangs relativ basische Schmelze immer reicher an Kieselsäure. Daher zählen die magmatischen Gesteine, die aus dem Restmagma stammen, zu den "sauren Varianten".

g ro bk örn ig fe in kö rn ig

S a u er

In te rm e d iä r

G ran it R h yo lith

G ra n o diorit D az it

B a sisch D io rit A n de stit

G a bb ro B as alt

Z u na h m e de s K ie se ls äu re g eh a lts

Z u na h m e de s N a triu m g e h alts

Z u na h m e de s K aliu m ge h alts

Z u na h m e de s C a lc iu m g e ha lts

Z u na h m e de s M ag n e siu m ge h alts

Z u na h m e de s E is en g eh a lts Z u na h m e de r V isk os itä t Z u na h m e de r S ch m e lz te m pe ra tur h ell g erin ge r

Tab. 4.1

Einteilung der Magmatite

d un ke l D ich te

g röß e r


Seite 4.4

Vulkane, Vulkanite

Eine Eruption ist das Empordringen von Magma oder Gasen aus dem Erdinneren bei einem Vulkanausbruch. Die dabei durch Erstarrung der Lava entstehenden Gesteine sind die Ergussgesteine (Eruptivgesteine, Vulkanite). Die Lava erreicht die Erdoberfläche über lange Spalten (Klüfte) oder eine Röhre (Schlot). Die Eruptionsmassen häufen sich um den Schlot zu einem Vulkan an. Neben den festen und flüssigen Eruptionsprodukten treten Gase aus (z.B. H2O, SO2), die zum größten Teil in die Atmosphäre entweichen. Viele Vulkanausbrüche sind mit starken Explosionen verbunden (z.B. Ätna, Mount St. Helens). Dabei wird teils festes, teils flüssiges Material empor geschleudert. Die größeren Brocken (Bomben) fallen schnell zurück, während sich das Feinmaterial (Asche) weit über die Umgebung verteilt. Im Lauf mehrerer Eruptionszyklen häufen sich die Bruchstücke um den Vulkan lagenweise an und verfestigen sich mit der Zeit zu Pyroklastika. Die Menge der weltweit durch Explosionen geförderten Lockerprodukte übersteigt die Masse der ruhig ausfließenden (=effusiven) Lavaströme bei weitem. Der SiO2-Gehalt der Lava bestimmt entscheidend deren Zähigkeit (Viskosität): Die Viskosität steigt mit sinkender Temperatur; je höher außerdem der Gehalt an SiO2, desto zähflüssiger ist die Lava. Laven mit hohem SiO2-Gehalt erzeugen kurze, dicke Ströme, Quellkuppen und Dome. Basische Laven mit ihren relativ geringen SiO2Gehalten können dagegen weit ausgedehnte, nahezu horizontale Vulkanitdecken (Trap, z.B. Dekkan-Traps) bilden. Wahrscheinlich entsteht die Mehrzahl aller Vulkanite unter Wasser am Tiefseeboden als ozeanischer Basalt. Die rasche untermeerische Abkühlung erhöht die Viskosität so stark, dass die an den Riftzonen aufsteigende und auseinander fließende Lava kissenartige Formen bildet (Pillow Lava). Je nach Art der Förderung werden verschiedene Vulkantypen an der Erdoberfläche erzeugt: Schildvulkane und Stratovulkane. Schildvulkane sind flach gelagert und bestehen überwiegend aus Lavadecken (Abb. 4.2). Sie entstehen durch reine Effusivtätigkeit (z.B. auf Hawaii).

Abb. 4.2

Schildvulkan (Press & Siever, 2003)


Seite 4.5

Stratovulkane sind steil gelagert und bestehen aus einer Mischung von Lava und Lockermassen (Abb. 4.3). Sie entstehen aus einem Wechsel von effusiver und explosiver Tätigkeit (z.B. Vesuv).

Abb. 4.3

Stratovulkan (Press & Siever, 2003)

Der Basalt ist mit mengenmäßig mehr als 90% das weitaus häufigste vulkanische Gestein. Er ist schwarz gefärbt und enthält ca. 50% Si und größere Mengen an Eisen. Wegen seiner hohen Härte, Zähigkeit und Druckfestigkeit ist er bautechnisch von großer Bedeutung. 4.4

Plutone, Plutonite

Eine Intrusion ist das Eindringen einer Gesteinsschmelze in Teile der oberen Erdkruste. Bei ihrer Erstarrung entstehen die Plutone, die aus kristallinen Tiefengesteinen bestehen (Plutonite, Intrusivgesteine). Man findet sie im Grundgebirge untertage (Bergbau, Tunnelbau) und übertage dort, wo das Deckgebirge durch Erosion abgetragen ist (z.B. Schwarzwald, Bayrischer Wald, Harz). Der Prozess der Intrusion gleicht einem Aufstemmen der Nebengesteinsschichten, wobei nicht selten auch das Deckgebirge durchschlagen wird; die Lagerung zueinander ist dann diskordant. Das aufsteigende Magma wird in Klüfte gedrückt und bewirkt ein Ablösen ganzer Blöcke, die in das Magma einsinken; dadurch kann das Magma selbst noch weiter nach oben dringen. Tiefengesteine aus diskordanten lntrusionen sind oft sauer. Vereinzelt (z.B. im Harz, Odenwald) findet man auch km-mächtige konkordante Lagen von basischen Intrusiva. Deren Plutonite haben eine oft lagige Struktur (z.B. Gabbros). Intrusivgesteine sind i. a. an kontinentale Orogene gebunden, während sie im ozeanischen Bereich fast völlig fehlen. Sie werden nach Größe, Form, Entstehungstiefe und ihrer Stellung zum Nebengestein klassifiziert. Große rundliche Plutone mit einer Ausbissoberfläche von mehr als 100 km2, steil stehenden Kontaktflächen mit dem Nebengestein und tief reichenden Förderkanälen heißen Batholite (z.B. Brockenmassiv).


Abb. 4.4

Seite 4.6

Batholith: Profil des Brockenmassivs mit Intrusionsfolge und Kontakthof

Stellenweise kann das Deckgebirge beim Eindringen von Magma angehoben und ausgebeult worden sein, z.B. San Francisco Mountains. Der entsprechende Intrusivkörper hat eine domartige und an der Basis flache Form und heißt Lakkolith. Seine Magmenzufuhr kann aus der Tiefe oder von der Seite erfolgt sein.

Abb. 4.5 4.5

Auftretensformen der Magmatite

Magmatische Gänge, Ganggesteine

Ein Gang ist die Füllung einer Felsspalte mit Mineralgemenge (Ganggestein), das jünger als das Nebengestein ist. Gänge sind Klein-Intrusionen, die diskordant oder konkordant auftreten und bis zu 100 km und mehr lang sein können. Sie entstammen oft einer in großer Tiefe liegenden Magmenkammer. Lagergänge (Sills) sind flache, konkordante Intrusionen; sie sind an flach gelagerte Schichtflächen des Nebengesteins gebunden. Das eindringende Magma muss entsprechend dünnflüssig gewesen sein und ist daher fast immer basisch zusammengesetzt.


Seite 4.7

Quergänge (Dykes) sind senkrechte oder steil stehende diskordante Kluftfüllungen von wenigen Zentimetern bis mehreren Metern Dicke (Abb. 4.6). Sie können auch in Schwärmen von radial oder parallel verlaufenden Gangscharen auftreten. Ein charakteristisches Ganggestein ist Dolerit.

Abb. 4.6 4.6

Quergänge

Gefüge der Magmatite

Wegen ihrer Zusammensetzung aus einzelnen Kristallen zählt man die Magmatite zu den kristallinen Gesteinen. Die Kristalle stoßen an den Korngrenzen ohne Zwischenmittel direkt aneinander und sind bei den Magmatiten i. a. regellos verteilt. Die Kristallisation der Magmatite aus der Schmelze geschieht bei fallender Temperatur: Zuerst kristallisieren die hochschmelzenden Minerale (z.B. Olivin), sobald ihre Schmelztemperatur unterschritten ist. Sie können ohne Zwängung ihre idiomorphe, charakteristische Kristallform ausbilden (z.B. die Einsprenglinge von Porphyrgesteinen). Mit weiterer Abkühlung und Auskristallisierung anderer Minerale wird das Kristallwachstum aus Platzgründen zunehmend behindert. Für die zuletzt erstarrenden Minerale bleibt nur noch wenig Raum, in dem die Kristalle dann irreguläre, xenomorphe Formen entwickeln. Das gegenseitige Anordnungsverhältnis der Kristallkörner im Gestein bezeichnet man als Struktur. Das Gefüge eines magmatischen Gesteins ergibt sich aus dessen Struktur und Textur. a. Struktur der Gesteinskomponenten - Kristallinität

amorph (=glasig) bei vulkanischen Gesteinsgläsern durch schnelle Erstarrung (z.B. Obsidian) hemikristallin-porphyrisch: Einsprenglinge in dichter, z. T. glasiger Grundmasse, fast immer bei Vulkaniten (z.B. Andesit) holokristallin-porphyrisch: vollkristallin, typisch für Tiefengesteine (z.B. Granit)

- Kornform

idiomorph bis xenomorph

- Gestalt

isometrisch, tafelig, prismatisch, stängelig, blättrig

- Korngröße

absolut: relativ:

grobkörnig 5 - 30 mm mittelkörnig 1 - 5 mm feinkörnig < 1 mm gleichkörnig, ungleichförmig, porphyrisch


(a) gleichkörnig

Abb. 4.7:

(b) ungleichkörnig

Seite 4.8

(c) porphyrisch

Strukturen: Relative Korngrößen: (a) gleichkörnig (=holokristallin) (b) ungleichkörnig (=heteroklastisch) (c) porphyrisch

b. Textur (=Gefügegeometrie): räumliche Einregelung der Minerale durch Platznahme, Abkühlungsbedingungen, Reaktion mit dem Nebengestein u.a. - massig, richtungslos (z.B. Granit, Diorit)

typisch für Tiefengesteine, langsame Erstarrung, kaum Bewegung

- lagig, schichtig

entsteht durch Magmendifferentiation

- fließend, gebändert (z.B. Quarzporphyr)

typisch für Ergussgesteine, Schmelze war bei der Erstarrung an der Oberfläche noch in Bewegung

- porös, blasig, schlackig (z.B. Bimsstein)

Gasanreicherung im Magma entweicht beim Austritt an die Erdoberfläche und hinterlässt porige Textur

- drusig, mandelsteinförmig (z.B. Mandelsteine)

ehemalige Blasenräume im Gestein werden sekundär durch Quarz, Kalkspat o. a. Verbindungen ausgefüllt

(a) Abb. 4.8:

(b)

(c)

Texturen: (a) massig, (b) lagig, (c) fluidal, (d) gebändert

(d)

Tab. 4.2: Bautechnisch bedeutende Magmatite

schwarz bis dunkelgrün

schwarz

Diabas

Basalt (häufiges VulkanitGestein)

sperrig, relativ gleichkörnig sperrig, z.T. geregelt dicht

Feldspat, Augit, (Hornblende)

Feldspat, Feldspatvertreter, Hornblende, Augit, Olivin, Einspringlinge

verschleißfest, sehr hart, schwer bearbeitbar, oft säulenförmig

verschleißfest, zäh, schwer bearbeitbar

250 - 400

180 - 250

180 - 300

hart, oft großer Porenanteil

porphyrisch, feinkörnige bis dichte Grundmasse, oft gerichtet

Quarz, Feldspat, Feldspat, Hornblende, Glimmer

Quarzporphyr grauPorphyr schwarz bis Porphyrit rotbraun

170 - 300

Gabbro

hart, zäh, schwer bearhypidiomorph-körnig, beitbar, hohe Bohrhärte, richtungslos großer SprengstoffVerbrauch, polierbar

Feldspat, Hornblende, Augit, Glimmer, Olivin

dunkelgrau bis schwarz

170 - 300

hypidiomorph-körnig

sehr hart, zäh, kantenfest, schwer bearbeitbar, gut polierbar

Feldspat, Hornblende, Augit, Glimmer

mittelgrau

Diorit

160 - 240

rotbraun

Syenit

verschleißfest, zäh, Feldspat, hypidiomorph-körnig, kantenfest, regel- bis Hornblende (10 bis 30%) richtungslos unregelmäßig teilbar, gut (Augit) bis gerichtet polierbar

2,9 - 3,1

2,8 - 2,9

2,6 - 2,8

2,8 - 3,0

2,8 - 3,0

2,6 - 2,8

2,5 - 2,6

Bausteine, Pflaster

Schotter, Pflaster

Bausteine, Packlage, Schotter, Splitt

Bausteine, Schotter

Bausteine, Schotter

Packlage, Schotter, Splitt

Bausteine aller Art

einaxiale Rohdichte Verwendung Druckfestig[g/cm3] keit [N/mm2]

180 - 280

richtungslos-körnig

Technische Merkmale

4.7

widerstandsfähig, hart, spröde, regelmäßig teilbar, polierbar, gut bearbeitbar

Quarz, Feldspat, Glimmer, Hornblende, Augit

hellgrau bis rotbraun

Granit Granodiorit

Gefüge

Hauptminerale

Farbe

Name

Arbeitsblätter zum Kurs "GEOLOGIE IM BAUWESEN" Seite 4.9

Bautechnisch bedeutende Magmatite


Seite 4.10

Übungsaufgaben (siehe auch Kap. 3.7)

Ü 4.1 (a) Welche unterschiedlichen Vulkantypen kennen Sie? (b) Nennen Sie für die verschiedenen Typen jeweils Namensbeispiele Ü 4.2 Welche Temperaturbedingungen führen bei der Magmendifferentiation zu den folgenden Strukturen von Magmatiten? (a) grobkristallin, gleichkörnig, richtungslos (b) porphyrisch, richtungslos (c) glasig kristallin Ü 4.3 Üben Sie beim Gang über einen Friedhof, wo Sie typische Tiefengesteine als Grabplatten gesägt und poliert in großer Zahl entdecken können, oder an einem Bauwerk mit Natursteinverblendung die visuelle Bestimmung von Tiefengesteinen nach der folgenden Anleitung. (a)

Wählen Sie eine Platte aus Tiefengestein aus und dokumentieren Sie die beobachteten Merkmale in Worten und durch eine Skizze oder ein Foto:

(b)

Kann man die Kristalle mit dem bloßen Auge erkennen? • • •

(c)

Sind die Kristalle • • •

(d)

grobkörnig ? mittelkörnig ? kleinkörnig ?

gleichförmig, ungleichförmig oder porphyrisch

Wie könnte das betrachtete Tiefengestein entstanden sein? Hinweise: Gesteine der großen Intrusionen sind i. a. grobkörnig. Die Gesteine der kleineren Intrusionen kühlen wegen der Nähe zur Oberfläche schneller ab und haben daher mittelkörnige bis porphyrische Strukturen. Laven erstarren durch rasche Abkühlung zu feinkörnigen, porphyrischen oder amorphen Gesteinen. Bei den Tiefengesteinen überwiegen die granitischen wie Granit und Granodiorit, bei den vulkanischen Gesteinen die basischen wie Basalt und Andesit.


Seite 4.11

Ergänzende Stichworte zu Kap. 4 amorph: glasige Struktur, die bei vulkanischen Gesteinsgläsern durch sehr rasche Abkühlung entsteht Basaltsäulen: polygonale Säulen, die beim Abkühlen von Basaltergüssen entstehen basisch: Bezeichnung für quarzlose oder quarzarme Magmatite Caldera: durch Explosion oder Einsturz entstandener, kesselförmig stark erweiterter Krater eines Vulkans Diskordanz: Gegensatz von Konkordanz Einsprengling: Kristall, der in einer feinerkörnigen Grundmasse eingebettet ist (z.B. porphyrische Struktur bei magmatischen Gesteinen) Eruption: Empordringen von Magma oder Gasen aus dem Erdinneren bei einem Vulkanausbruch Eruptivgesteine (Eruptiva): die bei einer vulkanischen Eruption durch Erstarrung des Magmas entstandenen Gesteine ( = Tiefen-, Erguss- oder magmatische Gesteine) Fließtextur: liegt vor, wenn sich die unterschiedlichen Komponenten eines Gesteins im flüssigen oder gasförmigen Zustand so geordnet haben, dass die Fließrichtung der Schmelze auch im verfestigten Gestein noch erkennbar ist Gang: Füllung einer Felsspalte mit Mineralien, die jünger als das Nebengestein sind. Ganggesteine: Gesteine, die Spalten in anderen Gesteinen füllen; die Gänge können bis zu mehreren Kilometern mächtig und über hundert Kilometer lang sein. holokristallin: volle Kristallinität sämtlicher Gesteinsgemengteile idiomorph: Form von Kristallen in Magmatiten mit gut ausgebildeter Eigengestalt der Kristallflächen Intrusion: Eindringen einer Gesteinsschmelze in Teile der Erdkruste. Die bei der Erstarrung solcher Schmelzen entstehenden Intrusionskörper werden Plutone genannt; große rundliche Plutone heißen Batholithe. Konkordanz: ungestörte, schichtparallele Lagerung von Gesteinen. Gegensatz: Diskordanz Kristallisation: Hauptkristallisation: Zeitabschnitt, in dem der Hauptteil eines Magmas auskristallisiert; davor setzt die Frühkristallisation, danach die Restkristallisation ein. Lava: an der Erdoberfläche austretende zähflüssige Gesteinsschmelze. Beim Erstarren entstehen daraus Ergussgesteine.


Seite 4.12

leukokrat: Bezeichnung für Magmatite, die reich an felsischen (hellen) Mineralen sind Maar: meist kreisförmige, oft wassergefüllte, kraterartige Vertiefungen in vulkanischen Gebieten, die durch Explosion unterirdischer Gas- und Dampfmassen entstanden sind (z.B. in der Eifel oder in den Vogesen) Magma: Gesteinsschmelze mit gelösten Gasen aus größerer Tiefe der Erdkruste und des oberen Erdmantels: Grundsubstanz der Magmatite Magmatische Gesteine (Magmatite, Erstarrungsgesteine): Gesteine, die durch Abkühlung des Magmas entstehen (Abnahme der Temperatur und des Dampfdrucks). Wenn sie im Erdinneren erstarrt sind, heißen sie Tiefengesteine. Dagegen sind Ergussgesteine oder vulkanische Gesteine an der Erdoberfläche erstarrt. Magmendifferentiation: Änderung der mineralischen Zusammensetzung des Magmas; bei Abkühlung fallen durch stufenweise Erstarrung unterschiedliche Gesteinskomponenten aus. melanokrat: Bezeichnung für Magmatite mit vorwiegend mafischen (dunklen) Mineralen Pluton: Intrusivkörper in der Erdkruste, der aus kristallinen Tiefengesteinen besteht Porphyr: Magmatit mit grobkörnigen Einsprenglingen in einer feinkörnigen Grundmasse Ultrabasite: Magmatite, die vorwiegend aus mafischen Mineralen (z.B. Olivin, Pyroxen, Amphibol, Biotit) bestehen Vulkanische (a) Aschen, (b) Bomben, (c) Schlacken: vom Vulkan ausgeworfene (a) feinkörnige Lockermassen, (b) Gesteinsbruchstücke, (c) poröse, miteinander verbackene Auswurfsbrocken xenomorph: Form von Kristallen in Magmatiten, die durch Einzwängung bei der Erstarrung ihre natürliche Eigengestalt nicht ausbilden konnten. Gegensatz: idiomorph


Seite 5.1

METAMORPHE GESTEINE (Regional-, Kontakt- und Ultrametamorphose, Schieferung)

Metamorphe Gesteine (Metamorphite) sind durch Temperatur- und Druckeinwirkungen umgewandelte sedimentäre oder magmatische Gesteine mit - gegenüber dem Ausgangsgestein - veränderten Mineralen, Strukturen und Texturen. Primäres Gefügemerkmal der Metamorphite ist i. a. eine mehr oder weniger stark ausgeprägte Paralleltextur (Schieferung). Bautechnisch wichtige Metamorphite sind z.B. Quarzit, Marmor, Phyllit, Glimmerschiefer und Gneis. 5.1

Temperatur- und Druckgradienten in der Erdkruste

Das Verhalten der Gesteine hängt stark von dem Druck und der Temperatur in der Erdkruste ab. In der Nähe der Erdoberfläche reagieren die festen Gesteine überwiegend als spröde Körper, während sie sich mit zunehmender Tiefe und damit steigendem Umgebungsdruck eher wie zähe Flüssigkeiten (duktil) verhalten. 5.1.1 Geothermischer Gradient Maß für die Temperaturzunahme mit der Tiefe: Je nach Region 25 °C/km bis 35 °C/km, durchschnittlich 30 °C/km Sein Reziprokwert ist die Geothermische Tiefenstufe. 5.1.2 Lithostatischer Druckgradient Die Druckzunahme durch das Eigengewicht der Gesteine beträgt in der oberen Kruste 270 - 300 bar (27 - 30 MPa) pro Kilometer. Der lithostatische Druck im Erdinneren ergibt sich aus dem spezifischen Gewicht und der Mächtigkeit des überlagernden Gebirges. 5.2

Metamorphose

Metamorphose ist die Umwandlung der Strukturen von vorhandenen Gesteinen unter Einwirkung von Druck und/oder Temperatur. Man unterscheidet Kontaktmetamorphose: (thermisch)

eine lokale Temperaturerhöhung beim Kontakt eines Gesteinskörpers mit seiner Umgebung (z.B. intrudierende Magmen) erzeugt eine Mineralumwandlung. Dabei entstehen die Kontaktgesteine

Dynamometamorphose: (mechanisch)

Veränderung durch gerichteten Druck: Einregelung der Mineral-Lagen (Textur), z. T. auch mechanische Zerscherung (Mylonitisierung)

Regionalmetamorphose: (mechanisch und thermisch)

großräumige Druck- und Temperaturänderungen z.B. bei Epirogenese, Orogenese: Versenkung von Gesteinspartien in größere Tiefen mit einem Anstieg von Umgebungsdruck und -temperatur. Dabei entstehen kristalline Schiefer (z.B. Gneise).


Seite 5.2

Impaktmetamorphose:

Metamorphose durch z.B. Meteoriteneinschlag

Retrograde Metamorphose:

läuft bei abnehmenden Temperaturen und Drücken ab; dabei werden Hochdruck- und Hochtemperaturmineralien in neue Mineralien umgewandelt, die bei relativ tieferen Temperaturen und Drücken stabil sind.

5.3

Einteilung der Metamorphite

a) Regionalmetamorphose

b) Kontaktmetamorphose

Abb. 5.1

Regional- und Kontaktmetamorphose (Press & Siever, 2003)

Tab. 5.1

Einteilung der Metamorphite


Seite 5.3

Migmatite

Unter den veränderlichen Druck- und Temperaturbedingungen in der Lithosphäre sind die Grenzen des Bereichs der Metamorphose gegen die Bereiche Diagenese und Wiederaufschmelzung (Anatexis) fließend. Die Migmatite entstehen bei teilweiser Aufschmelzung oder Vermischung mit Magma als besonders komplexe Gesteine. 5.5

Gefüge der Metamorphite

Das Gefüge ist der Oberbegriff für Struktur + Textur. Es ist ein Indiz für die bei der Gesteinsbildung herrschenden physikalischen und chemischen Umgebungsbedingungen. Je nach Grad der Metamorphose werden die ursprünglichen strukturellen Merkmale (z.B. Schichtung von Sedimentgesteinen) teilweise oder völlig überprägt. Die Metamorphose kann zu einer Homogenisierung und Verfestigung (z.B. Gneise aus Magmatiten oder Sedimentiten) aber auch - besonders bei Gesteinen mit hohen Anteilen an Glimmern, Graphit oder Tonmineralen - zu einer Anisotropie im Verformungs- und Festigkeitsverhalten führen. 5.5.1 Struktur Alle Metamorphite sind holokristallin (=vollkristallin). Ihre Struktur ist der Oberbegriff für Form, Größe und gegenseitige Abgrenzung der einzelnen Minerale: - fein- oder grobkristallin - gleich- oder ungleichkörnig - klastisch (tektonische Trümmerstrukturen, z.B. Mylonit) 5.5.2 Textur Textur ist die räumliche Anordnung der Mineralkörner im Gestein. Häufige Texturen der Metamorphite sind: (a) massig, richtungslos (b) schiefrig (c) gebändert, lagig (d) linear, gestreckt

Abb. 5.2

z.B. Marmor, Quarzit z.B. Glimmerschiefer z.B. Bändergneis

Texturmerkmale von Metamorphiten

Schieferung ist eine typische Gefügeeigenschaft metamorpher Gesteine ("kristalline Schiefer"). Die Paralleltextur der Schichtsilikate (z.B. Glimmerschiefer) entsteht nicht primär durch Schichtung sondern sekundär durch den Druck auf das Gestein während der Metamorphose.

Tab. 5.2: Bautechnisch bedeutende Metamorphite lepidoblastisch, grobkornig, gut geschiefert

Quarz, Glimmer, (Feldspat)

grau

Phyllit

Glimmerschiefer

Gneis

feinkörnig, stark geschiefert

Feinschuppiger Glimmer, Quarz

graugrün, seidigglänzend

mittelhart

weich, oft stark geklüftet, oft frostveränderlich

gut polierfähig

granoblastisch gebankt, trotz (lagenweise verbreiteter massiger Anordnung der Ausbildung Glimmer), anisotropes grobkörnig Verhalten

granoblastisch, mittel-, grobkörnig, gut bis nicht geschiefert

Kalkspat, (Silicatminerale)

weiß-grau (alle Marmor Färbungen möglich)

150 - 280

bis 100

bis 50

80 - 180

150 - 500

2,65 - 3,0

2,6 - 2,8

2,6 - 2,8

2,65 - 2,85

2,7 - 2,8

Packlage, Pflaster, Bausteine aller Art

Schüttmaterial

Schüttmaterial

Innenarchitektur, Verblender

Schotter, Splitt, Packlage, (Pflaster)

einaxiale Rohdichte Verwendung Druckfestig- [g/cm3] keit [N/mm2]

5.7

sehr hart, widerstandsfähig, spröde, oft massig

Technische Merkmale

5.6

Quarz, grau, rötlich Feldspat, Glimmer

granoblastisch, grobkörnig bis dicht, geschiefert

Quarz, (Serizit, Feldspat)

weiß, grau

Quarzit

Korngefüge

Hauptminerale

Farbe

Name


Fazies

Fazies ist die Gesamtheit der Merkmale eines Gesteins. Mineralogisch wichtig ist die metamorphe Fazies, die durch die Vergesellschaftung der Mineralien im Gestein eine Einordnung des Gesteins in bestimmte Metamorphosebereiche erlaubt.

Grünschieferfazies ist eine Sammelbezeichnung für metamorphe Gesteine der Epizone, die durch Gehalte an Epidot, Chlorit und anderen grünen Mineralien ausgezeichnet sind; sie entstehen meist aus Gabbros oder anderen basischen Gesteinen. Bautechnisch bedeutende Metamorphite


Seite 5.5

5.8 Übungen zu Kap. 5 (siehe auch Kap. 3.7) Ü 5.1 Wodurch unterscheiden sich die baugeologischen Eigenschaften des metamorphen Gesteins Gneis qualitativ von denen des Tiefengesteins Granit? Ü 5.2 (a) Was ist Metamorphose, wo tritt sie auf? (b) Was ist ein Quarzit, was ein Marmor, aus welchen Ausgangsgesteinen entstehen sie? Ergänzende Stichworte zu Kap. 5 Anatexis: Endstufe der Metamorphose mit teilweiser Aufschmelzung des Gesteins. Bei weiterer Temperaturerhöhung tritt eine vollständige Wiederaufschmelzung des Gesteins und die Bildung von Magma ein (Palingenese) Orthogesteine: (veraltete) Bezeichnung für metamorphe Gesteine mit magmatischen Ausgangsmaterialien Paragesteine: (veraltete) Bezeichnung für metamorphe Gesteine mit nichtmagmatischen Ausgangsmaterialien Schieferung: (Foliation). Makroskopisch im Wesentlichen parallel gerichtetes, engständiges Flächengefüge mit meist eingeregelten Mineralneubildungen. Charakteristische Gefügeeigenschaft der metamorphen Gesteine durch die Paralleltextur der Schichtsilikate (z.B. Glimmerschiefer). Struktur: beschreibende Bezeichnung für die Merkmale der Form, Größe und gegenseitige Abgrenzung der einzelnen Gemengteile (z.B. glasig, gleich- oder ungleichkörnig, klastisch, konglomeratisch, brekziös, fein- oder grobkristallin, porphyrisch). Indiz für die bei der Gesteinsbildung herrschenden physikalisch-chemischen Bedingungen. Struktur und Textur bilden das Gefüge eines Gesteins Textur: geometrische (räumliche) Anordnung der Mineralkörner in einem Gestein (z.B. richtungslos, geschiefert, gebändert, fließend, porig)


Seite 5.6


Seite 6.1

SEDIMENTGESTEINE (klastische, chemische und biogene Sedimente)

Die Sedimentgesteine entstehen im Kreislauf der Gesteine durch Verwitterung -> Abtragung (Erosion) -> Transport und Sortierung - > Ablagerung (Sedimentation) -> Verfestigung (Diagenese). Ein primäres Gefügemerkmal der Sedimentgesteine ist daher in den meisten Fällen eine Schichtung in Lagen mit unterschiedlichen Kornarten und -größen.

Abb. 6.1 Sedimentgesteine und ihre Vorkommen (Press & Siever, 2003) 6.1 Einteilung der Sedimentgesteine Nach der Art der Entstehung (Genese) werden die Sedimentgesteine in klastische, chemische und biogene Sedimente eingeteilt. Klastische Sedimente Kies, Sand, Schluff, Ton (Gesteinsbruchstücke, Quarz, Tonminerale u.a.) Sand, Schluff, Ton (Quarz, Tonminerale)

Chemische Sedimente Süßwasserkalk CaCO3 Travertin CaCO3

Organogene Sedimente Süßwasserkalk z. T. CaCO3

Travertin CaCO3 Seekreide CaCO3

Moore

-

Wind (Wüste, Steppe)

Dünensand (meist Quarz) Löß (Quarz, Tonminerale, Feldspat, Kalk) Geschiebemergel Bänderton Sand Kies, Sand, Schluff, Ton (Gesteinsbruchstücke, Quarz, Tonminerale u. a.)

Raseneisenerz Fe(OH)3 + Quarz -

Travertin z. T. CaCO3 Faulschlamm (Kohlenstoffverbindungen mit Ton) Torf, Braunkohle (Kohlenstoffverbindungen)

Festland Fließendes Wasser Teiche und Seen

Eis (Gletscher) Meer

Tab. 6.1

-

-

-

Kalkstein CaCO3 Dolomit CaMg(CO3)2 Gips CaSO4 2 H2O Anhydrit CaSO4 Steinsalz NaCl Kalisalze KCl u. a.

Kalkstein z. T. CaCO3 (Riffkalke u. a.)

Einteilung der Sedimente nach Entstehungsart und –ort


Seite 6.2

Klastische Sedimente (mechanische Sedimente, Trümmergesteine)

Klastische Sedimente sind aus den mechanisch zerkleinerten Bruchstücken älterer Gesteine aufgebaut. 6.2.1 Grobkörnige Trümmergesteine - Korndurchmesser - "Kies" - "Konglomerat", "Brekzie"

> 2mm Lockergestein mit gerundeten Geröllen, mit eckigen Gesteinsbrocken

6.2.2 Mittelkörnige Trümmergesteine - Korndurchmesser - "Sand" - "Sandstein"

2 - 0.06 mm Lockergestein Festgestein - Quarzsandstein, Kalksandstein - Arkosesandstein, Grauwacke - kalkiger, kieseliger, toniger Sandstein

6.2.3 Feinkörnige Trümmmergesteine - Korndurchmesser

Ältere wissenschaftl. Bezeichnung Psephite

Psammite

Pelite

Tab. 6.2

Korndurchmesser [mm] > 63

< 0.06 mm "Schluff, (Silt, Siltstein)“, "Ton", "Schieferton, Tonschiefer"; "Bentonit" (stark quellfähig)

Lockergesteine Gesteinsart Geröll, Steine

63-20 20-6 6-2 2-0,6 0,6-0,2

Grobkies Mittelkies Feinkies Grobsand Mittelsand

0,2-0,06

Feinsand

0,06-0,02 0,02-0,006 0,006-0,002 < 0,002

Grobschluff Mittelschluff Feinschluff Ton

Gesteinsunterarten (nach Bildungsart)

Festgesteine (mit Bindemittel verkittet)

Flussschotter Strandgeröll Konglomerat Flussschotter Standgeröll Flusssand Dünensand Seifensand Geschiebelehm Löss Bänderton Auelehm

Gesteinsunterarten

Gesteinsart

Brekzie Grauwacke

Sandstein

Quarzit Grauwacke Arkose

Schluffstein

Grauwackenschiefer Tonschiefer

Tonstein

Einteilung der klastischen Sedimentgesteine nach Korngröße


Abb. 6.2 6.3

Seite 6.3

Körnungslinien der Lockergesteine

Chemische Sedimente (Rückstands- und Ausfällungsgesteine)

Chemische Sedimente sind durch chemische Umwandlung von Gesteinen entstanden. In den meisten Fällen sind sie diagenetisch zu Festgesteinen mit kristallinem Gefüge umgewandelt (z.B. Kalkstein. Gips, Steinsalz). 6.3.1 Rückstandsgesteine (Residuate) Unlösliche Reste der chemischen Verwitterung: Böden 6.3.2 Ausfällungsgesteine (Präzipitate) Ausfällungsgesteine sind anorganische Feststoffausfällungen aus übersättigter Lösung (meistens Karbonate) bei Verringerung des Kohlensäuregehaltes (CO2-Verbrauch) - kalkige Gesteine

Hauptbestandteil Ca CO3 - Kalksand, Kalkstein (auslaugungsgefährdeter Baustoff) - Mergel, Mergelstein

- dolomitische Gesteine

Hauptbestandteil Ca Mg (CO3)2 - Dolomit - dolomitischer Kalkstein, dolomitischer Mergelstein

Karbonatgesteine mit Tonanteilen zwischen 25% und 75% heißen "Mergelsteine". 6.3.3 Oxidgesteine (Oxidate) Feststoffausfällungen unter Einwirkung von Sauerstoff (z.B. Eisen-Oolith)


Seite 6.4

6.3.4 Eindampfungsgesteine (Evaporite) Ausscheidungen bei Wasserverdunstung aus Lösungen (Verdunstung von See- oder Meerwasser) bei relativ hohen Temperaturen, warmem Klima, geringem Niederschlag und zeitweiser Sperre des Wasserzuflusses (z.B. Lagune, Barre). - Sulfatgesteine - Anhydrit - Gips

Hauptbestandteil Ca SO4 Ca SO4 (bei Wasserzutritt quellfähig) Ca SO4 * 2 H2O (wasserlöslich)

- Chloridgesteine - Steinsalz - Kalisalz (Sylvin) - Carnallit

Na Cl K Cl K Cl * Mg Cl2 * H2O

6.4

Biogene Sedimente (kalkig, kieselig, bituminös)

Biogene Sedimente sind vorwiegend durch die Hart- und Weichteile von abgestorbenen Organismen aufgebaut. - kalkig-organogene Sedimente - kieselig-organogene Sedimente - bituminöse Sedimente

Eindampfungsgesteine (Evaporite) Ausfällungsgesteine

Kaustobiolithe

Tab. 6.3

z.B. Kalkalgen Korallen, Riffkalk z.B. Kieselalgen, Kieselgur z.B. Faulschlamm, Torf, Kohle, Anthrazit

Anorganisch Gips (Anhydrit), CaSO4 2 H2O Steinsalz, NaCl Kalisalz, KCl Kalkstein CaCO3 Oolithkalk Spatkalk Dichter Kalk Mergel (Ton und Kalk) Dolomit, CaMg(CO3)2 Eisen- und Mangansedimente Kieselige Sedimente Hornstein Kieselschiefer

Organogen

Kalkstein CaCO3 Foraminiferenschlick Riffkalk Schillkalk (Schalentrümmer) Bone bed (Knochentrümmer) Kieselige Sedimente Kieselkalk (vorw. Aus Schwammnadeln Radiolarite (aus Radiolarien) Kieselgur (aus Diatomeen) Torf/Kohle (vorw. aus Pflanzen) Ölschiefer (vorw. aus Plankton) Erdöl, Erdgas (vorw. aus Plankton)

Gliederung der chemischen und biogenen Sedimentgesteine

Tab. 6.4 Kalkspat Dolomitspat, Kalkspat

grau, gelb, braun

grau

Kalkstein

Dolomitstein

Tonschiefer

Glimmer, Chlorit, Tonminerale Quarz

Quarz (Glimmer), (Feldspat) mit TonMergel-FeOOH

Quarz (Feldspat), (Glimmer) mit SiO2 CaCO3 Fe2O3

Hauptminerale

dunkelgrau bis schwarz

Schieferton

witterungsempfindlicher Sandstein

alle Tönungen je nach Beimengung u.a. grauweiß, graubraun, rötlich

Farbe

Bautechnisch bedeutende Sedimentgesteine massig, bankig bis feingeschichtet, dicht bis grobkörnig

feingeschichtet und geschiefert, dicht

feingeschichtet, dicht bis feinkörnig

fein geschichtet bis gebankt, fein- bis grobkörnig

Schichtung

bearbeitbar, polierbar, dichte Abarten sind schlagempfindlich hart, gut

hart, gut teilbar, zusammenhängendes Glimmer-"gewebe" wirkt wasserabweisend, witterungsbeständig

weich bis mittelhart, witterungs- empfindlich

zerfällt bei Luft- und Wasserzutritt bzw. Frosteinfluss zu bindigem Lockermaterial

hart bis weich und bröcklig (je nach Bindemittelart und -typ)

Technische Merkmale

80 - 180

20 - 40

20 - 30

80 - 10

30 - 180

einaxiale Druckfestigkeit [N/mm2]

Schüttmaterial, Platten

Schüttmaterial

vielseitig verwendbarer Werkstein

1,8 - 2,85 Schotter, Splitt, Baustein

2,7 - 2,8

1,9 - 2,6

Rohdichte Verwendung [g/cm3]

6.5

witterungsbeständiger Sandstein

Name


Bautechnisch bedeutende Sedimentgesteine


Seite 6.6

Übungsaufgaben (siehe auch Kap. 3.7)

Ü 6.1 (a) Woraus besteht Mergel? (b) Was ist ein Schluff, was ist ein Sand? Ü 6.2 (a) Was ist Diagenese, wodurch unterscheidet sich die Diagenese von einer Metamorphose? Ü 6.3 (a) Welche Bindemittel halten die festen Sedimentgesteine zusammen? (b) Wie anfällig sind diese Bindungen gegen Wasser? Ü 6.4 Wie unterscheidet man eine Brekzie von einem Konglomerat nach Struktur und Bildungsbedingungen? Ergänzende Stichworte zu Kap. 6 Boden: Anhäufung (Sedimente) von Gesteinspartikeln (Körner) verschiedener Größe und Beschaffenheit ohne chemische Kornbindung (Verkittung). Unterteilung: bindige Böden und rollige Böden Evaporite: chemische Sedimente: Gruppe der Salzgesteine. Salzlagerstättenbildung durch Eindampfung von Wasser in isolierten Buchten, Neben- oder Binnenmeeren Kalksinter: poröser, sehr lockerer Kalkstein, der sich um Pflanzenreste herum abgesetzt hat (z.B. Travertin) Kies: klastisches Lockergestein mit Korngrößen von 2 - 200 mm klastisch: Bezeichnung für Sedimente, die aus Bruchstücken anderer Gesteine gebildet sind (z.B. Gerölle, Gesteinsschutt) Konkordanz: ungestörte, parallel übereinander gelagerte Schichtung von Gesteinen. Gegensatz: Diskordanz Konkretion: knollenförmige Mineralanreicherungen in Sedimentgesteinen, die ganz vom Nebengestein eingeschlossen sind (z.B. Feuerstein, Drusen) Lehm: stark mit Sand vermischter, meist kalkarmer Ton; wegen des Eisenoxydgehaltes oft gelblichbraun bis braun gefärbt Letten: grauer, oft sandiger Ton mit geringem Kalkgehalt, der Spalten und Klüfte füllt marin: im Meer entstanden; z.B. Sedimente wie Evaporite, Muschelkalk, Kreide Mergel: Kalksteine mit hohen Tongehalten, die nur wenig verfestigt sind Sand: klastisches Lockergestein aus überwiegend Quarzkörnern mit Korngrößen von 0.02 - 2 mm; weitere Einteilung in Fein- Mittel- und Grobsand


Seite 6.7

Schichtung: Typisches Gefügemerkmal der Sedimentgesteine; sie entsteht durch unterschiedliche Ablagerungsbedingungen und bewirkt unterschiedliche Festigkeitseigenschaften, Farben usw. der einzelnen Schichten Schluff: Lockergestein mit Korngrößen von 2 - 60 µm Sedimentgesteine: fein- bis grobkörnige Verwitterungssprodukte, die z.B. durch Wasser, Gletscher oder Wind transportiert und danach wieder abgesetzt worden sind. Sie können locker (z.B. Sand, Kies) oder fest (z.B. Kalkstein, Sandstein) sein. Sie sind oft geschichtet und können Überreste von Tieren und Pflanzen (Fossilien) enthalten Sieblinie: Logarithmische Auftragung des Siebdurchganges Korndurchmesser; sie charakterisiert den Kornaufbau eines Bodens

über

dem

terrestrisch: auf dem Festland entstanden; z.B. Dünen oder Bergsturzmassen Ton: klastisches Lockergestein mit Korngrößen < 2 µm, bei Wasseraufnahme quellfähig Toneisenstein: Konkretionen von Eisenoxyden in Tongesteinen Tonschiefer: durch Druck verfestigter und geschieferter Ton. Schieferton ist weniger verfestigt. Zement: meist kristallines Bindemittel zwischen den Sedimentkörnern aus Calcit (CaCO3), Quarz (SiO2) oder Eisenoxyden (Fe2O3)


Seite 6.8


Seite 7.1

ENTSTEHUNG UND KLASSIFIKATION VON LOCKER- UND FESTGESTEINEN

Die Sedimentgesteine sind Produkte von Verwitterung, Abtragung, Transport und Sedimentation, deren Ursache die exogene Dynamik der Erde mit Sonne, Wind und Wasser ist. 7.1

Klima als Motor der Gesteinsbildung - exogene Dynamik: Thermodynamik der Atmosphäre (Hoch- und Tiefdruckzonen) Hydrodynamik der Ozeane (globale Meeresströmungen) - Wind, Niederschläge, Wasserkreislauf: humides, semi-arides, arides Klima (erdgeschichtlich veränderlich)

Abb. 7.1:

Schema der Windzirkulation und Niederschlagsverteilung auf der Erde


Abb. 7.2:

7.2

Faktoren der Verwitterung und Bodenbildung in einem Profil vom Pol zum Äquator

Verwitterung

7.2.1 Physikalische Verwitterung - Temperaturänderungen, Frostverwitterung - Salzsprengung, Umkristallisation, Quellung

Abb. 7.3:

Physikalische Verwitterung: Abhängigkeit der Böschungsneigung von der Gesteinsart (Press & Siever, 1995)

Seite 7.2


Abb. 7.4:

Seite 7.3

Physikalische Verwitterung

a. unverwitterter Kluftkörper b. kantengerundeter Kluftkörper c. gerundeter Block in Ursprungslage d. abgestürzter Block e. in Verwitterungsschutt eingebetteter Block f. Geröll g. Verwitterungsschutt -> Bodenbildung 7.2.2 Chemische Verwitterung - Lösung, Oxidation, Hydrolyse, Kohlensäureverwitterung

Abb. 7.5:

Auslaugung eines Salzstockes mit Einsturztrichter des Deckgebirges


Abb. 7.6:

Seite 7.4

Karst-Erscheinungen 1. Karstquelle 2. Flussversickerung 3. unterirdischer Fluss 4. Tropfsteinhöhle

5. Spaltenhöhle 6. Erdfälle (Dolinen) 7. Überdeckung 8. verstürzte Karsthohlräume

7.2.3 Biogene Verwitterung Gesteinsauflockerung durch Organismen und Pflanzen: Fäulnis, Zersetzung 7.2.4 Verwitterungsprodukte (Lockergesteine, Hangschutt, Humus, Torf) Feste Gesteine haben i.a. ein massives, festes Gefüge und erfahren unter Wassereinfluß kurzzeitig weder chemisch noch physikalisch eine Veränderung. Sie zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus: - relativ hohe Kohäsion - meist fester Raumgitterbau der Minerale - geringere Wasserlöslichkeit als Kalk - längerfristige Volumenbeständigkeit gegenüber klimatischen Einflüssen Exogene oder endogene Prozesse können aus ursprünglich festen Gesteinen veränderlich-feste Gesteine erzeugen: -

Verwitterung unter Bildung sekundärer Mineralien, z.B. Kaolinisierung von Feldspäten Freilegung von wasser- und luftunbeständigen Gesteinseinschlüssen zerstörerische tektonische Einwirkung auf das Gesteinsgefüge (z.B. Mylonitisierung) Veränderliche Gesteine verlieren an Festigkeit durch Berührung, Zersetzung und Lösung mit Wasser


Seite 7.5

Zu den Lockergesteinen zählen die nichtbindigen Sedimentgesteine (z.B. Blockschutt, Geröll, Kies, Sand), die sich durch geringe oder fehlende Kohäsion und relativ hohe Porositäten (>25%) auszeichnen, sowie die bindigen Lockergesteine (Ton, Löß).

Bezeichnung unverwittert angewittert

entfestigt

zersetzt

Abb. 7.7:

Merkmal Gestein

Merkmal Gebirge

Unverwittert, frisch, kein Verwitterungseinfluss erkennbar Auf frischer Bruchfläche Verwitterung von einzelnen Mineralkörnern erkennbar (Lupe), beginnende Mineralumbildung und Verfärbung Durch Verwitterungsvorgänge gelockertes, jedoch noch im Verband befindliches Mineralgefüge, meist in Verbindung mit Mineralumbildung, insbesondere mit und an Trennflächen Noch im Gesteinsverband befindliches, durch Mineralneubildung verändertes Gestein ohne Festgesteinseigenschaften (z.B. Umwandlung von Feldspäten zu Tonmineralien, von Tonschiefer zu Ton)

Keine verwitterungsbedingte Auflockerung an Trennflächen Teilweise Auflockerung an Trennflächen

Vollständige Auflockerung an Trennflächen

Kluftkörper ohne Festgesteinseigenschaften

Bodenbildung durch Verwitterung von Festgestein Beschreibung des Verwitterungsgrades von Fels


Erosion, Transport, Sedimentation

7.3.1 Erosion (Abtragung) - Schwerkraft, Gletscher, Wasser

Abb. 7.8:

Entwicklung eines alpinen Gletschertals a. Vergletscherung Trogtal b. Trogtal mit seitlichen Hängetälern nach Gletscherschmelze c. teilweise Auffüllung des Trogtales durch alluviale Sedimente

Abb. 7.9:

Erosion und Sedimentation durch einen Fluss auf dem Festland a. Oberlauf: b. Mittellauf: c. Unterlauf:

V-Tal mit Schichtrippen Sohlental mit Mäander Auental mit Mäander

Seite 7.6


Seite 7.7

Abb. 7.10: Schema eines Flussmäanders mit Prall- und Gleithängen 7.3.2 Transport - Gletscher, Wasser, Wind - Teilchengröße und Strömungsgeschwindigkeit - Moränen, Oberflächenwasser, Karstwasser

Abb. 7.11:

Frachtvermögen des fließenden Wassers als Funktion von Korngröße und Strömungsgeschwindigkeit (Hjulström-Diagramm)


Bewegung Transport

Typische Sedimente

Formen in der Landschaft

Tab. 7.1:

Wasser rasch, laminar – turbulent

Eis langsame, zähe Fließbewegung

rollend, Größe je nach Wassergeschwindigkeit, Auslese nach Härte und Gestalt Kies, runde Komponenten, stark sortiert, Sand, Schrägschichtung

schiebend, keine Auslese nach Härte und Korngröße

Rinnen, Canyons, V-Täler, Schwemmlandschaft, Terrassen, Deltas

Moräne, unsortiert, feine und grobe Korngrößen nebeneinander, locker, geschrammte Geschiebe, Fehlen der Schichtung Rundhöcker, ältere Formen abgeschliffen und überprägt, U-Täler, Moränenhügel, Toteisdellen

Seite 7.8 Wind stoßweise wehend, unregelmäßig, flächenhaft arbeitend feiner Staub kann über riesige Entfernungen verfrachtet werden Flugsand, Löß, Verbreitung bedeutend, bestimmte Korngrößen (60-70 Gew.-% aus Korngrößenbereich 0,10,02 mm) Unzahl von Kleinformen in der Wüste durch Ausblasung und Ausschleifen, Dünen, Lößdecken

Transportmittel bei der Verwitterung

7.3.3 Sedimentation (Ablagerung) - Sortierung, Kumulation - Schichtung

Abb. 7.12:

Längsschnitt durch einen Flussdeltakegel: Schrägschichtung Abnahme der Korngröße mit zunehmendem Transportweg


Abb. 7.13:

Seite 7.9

Sedimentäre Abschnitte des Gesteinskreislaufs (Press & Siever, 2003)


Seite 7.10

Ansprache von Locker und Festgesteinen

7.4.1. Unterteilung von Locker- und Festgesteinen Definition: Festgesteine weisen atomare Bindungskräfte zwischen den einzelnen Kristall- und Materialkörnern auf (echte Kohäsion). Festgestein wird auch als Fels bezeichnet. Lockergesteine besitzen keine echte Kohäsion. Treten intergranulare Bindungskräfte auf, beruhen sie auf Bindungskräften des Wassers (kapillare Kohäsion). Lockergestein wird auch als Boden bezeichnet. Veränderliche, pseudofeste Gesteine sind Gesteine, deren atomare Bindungskräfte so schwach sind, dass sie bei 24-stündiger Wasserlagerung mehr als 20% ihrer Masse durch Zerfall verlieren. Festgesteine

Magmatische Gesteine

Verfestigte Sedimente

Tiefengesteine oder Plutonite

Ganggesteine oder Subvulkanite

Ergussgesteine oder Vulkanite

Trümmergesteine

Chemische Sedimente

Organische Ablagerungen

Granite Syenite Diorite Gabbros

Lamprophyre Aplite

Basalte Rhyolithe Andesite

Brekzien Konglomerate Grauwacken Sand- u. Tonst.

Kalke Dolomite Mergel, Salz, Gips, Anhydrit

Braun- und Steinkohlen, Anthrazite Stinkkalke Ölschiefer

Metamorphe Gesteine Gneise, Schiefer, Phylite, Serpentinite, Quarzite, Marmor

Abb. 7.14: Untergliederung der Festgesteine Lockergesteine

Mineralische Ablagerungen

Organische Ablagerungen

nicht bindig

schwach bindig

stark bindig

Steine Kiese Sande

Schluffe tonige, lehmige oder mergelige Sande

Tone Lehme Mergel

Faulschlammhaltige Ablagerungen

Humusböden

gemengte: anmoorige Sande und Lehme

reine: Moore Torfe

Abb. 7.15: Untergliederung der Lockergesteine

Mudden faulschllammhaltige Sande und Tone


Seite 7.11

7.4.2. Benennung und Beschreibung von Bodenarten Lockergesteine werden nach ihrer Körngröße eingeteilt und benannt. Benennung

Kurzzeichen

Korn-Ø [mm]

Erkennung

Fels, allgemein

Z

-

kompakte Kluftkörper im Verband

Blöcke

Y

-

Steine

X

> 60

Kies

G

2 – 60

kleiner Hühnerei, größer Streichholzkopf

Sand

S

0,06 – 2

kleiner Streichholzkopf bis Grenze der Sichtbarkeit

Schluff

U

0,02 – 0,06

niedrige Trockenfestigkeit

Ton

T

< 0,02

hohe Trockenfestigkeit

einzelne kompakte Kluftkörper nicht im Verband (größer Kopfgröße) einzelne kompakte Kluftkörper nicht im Verband (größer Hühnerei)

Tab. 7.2: Benennen und Beschreiben von Bodenarten nach DIN 4022 Die in Tab. 7.2 genannten Bodenarten Kies, Sand, Schluff und Ton kommen in der Natur nur selten ohne Beimengungen vor. Man spricht dann von gemischtkörnigen Böden.

Attribute der Benennung

Kurzzeichen

Haupt-Bodenart

G, S, U, T

Beimengungen

g, s, u, t

Attribut "grob"

gG, gS, gU

Attribut "mittel"

mG, mS, mU

Attribut "fein"

fG, fS, fU

Nebenanteil "schwach" < 15%

g´, s´, u´, t´

Nebenanteil "stark" > 30%

g, s, u , t

Tab. 7.3: Attribute der Benennung von gemischtkörnigen Bodenarten nach DIN 4022


Seite 7.12

Tab. 7.4: Kurzformen, Zeichen, und Farbkennzeichnungen für Bodenarten nach DIN ISO 14688-1


Seite 7.13

Tab. 7.5: Beispiele von Kurzformen, Zeichen, und Farbkennzeichnungen für gemischtkörnige Boden- und Felsarten nach DIN ISO 14688-1

Abb. 7.16: Beispiel für die Darstellung von Bohrprofilen (E DIN 4023:2004-09)


Boden

Benennung

Seite 7.14

Kurzzeichen

Zeichen

A B C D E F

Abb. 7.17: Übung zur Benennung von Bodenarten 7.4.3 Benennung und Beschreibung von Felsarten - Ansprache von klastischen Sedimentgesteinen Klastische Sedimentgesteine (Trümmergesteine) werden nach ihrer Bodenart angesprochen, aus der sie durch Verfestigung entstanden sind: aus Ton aus Schluff aus Sand aus Kies

wird wird wird wird

Tonstein (Tst) Schluffstein (Ust) Sandstein (Sst) Konglomerat (Gst)


Seite 7.15

Wie bei den Bodenarten kommen auch bei den Sedimentgesteinen in der Natur Gemenge verschiedener Korngrößengruppen vor. Weiterhin ist bei allen Festgesteinen der Verwitterungszustand von großer bautechnischer Bedeutung. Tabelle 7.6 zeigt die Attribute der Benennung des Verwitterungszustandes mit jeweiligen Kurzzeichen Attribute der Benennung

Kurzzeichen

Felsarten

Gst, Sst, Ust, Tst

leichte Verwitterung

(Gst),( Sst), (Ust), (Tst)

starke Verwitterung

((Gst)),(( Sst)), ((Ust)), ((Tst))

völlige Zersetzung

Kurzzeichen für Bodenarten

nicht bekannte oder nicht benannte Felsart

Z

bedeutungsvolle und bekannte Felsart

Kst, Mst, Ma (siehe Tab 3, DIN 4023)

Tab. 7.6: Attribute der Benennung von klastischen Sedimenten nach DIN 4022

- Ansprache von Magmatiten, Metamorphiten und nicht klastischen Sedimenten Die Ansprache von Magmatiten, Metamorphiten und nicht klastischen Sedimenten ist in den Kapiteln 4 bis 6 dargestellt und erfordert z. T. aufwändige geologische und mineralogische Untersuchungen. - Trennflächengefüge im Fels Die bautechnischen Eigenschaften von Festgesteinen werden maßgeblich vom vorhandenen Trennflächengefüge (Schicht-, Schieferungs- und Kluftflächen) mitbestimmt. Gestein - Gebirge Definitionen: Gestein ist charakterisiert durch seine Mineralvergesellschaftung. Gebirge ist die Erscheinungsform des Gesteins in der Natur, gekennzeichnet durch die Mineralvergesellschaftung und das Trennflächengefüge. Gesteinsfestigkeit = Substanzfestigkeit Gebirgsfestigkeit = Verbandsfestigkeit


Abb. 7.18: Räumliche Darstellung eines mehrscharig durchtrennten Felskörpers

Seite 7.16

Abb. 7.19: Typen von Kluftkörperverbänden a) → d): Zunahme der Materialbrücken

Abb. 7.20: Schematische Klassifizierung einer Gesteinsmasse nach dem Grad seiner Zerlegung (nach L. Müller) a) Einkörpersystem (nicht geklüftet) c) Vielkörpersystem (durchklüftet) b) Mehrkörpersystem (angeklüftet)

d) Vielkörpersystem des Lockergesteins

- Ebener Kluftflächenanteil κe

κe =

Fk Fges

Abb. 7.21: Ebener Kluftflächenanteil κe Darstellung an drei orthogonalen Kluftscharen (K1, K2, K3)


Seite 7.17

Prinzipieller Zusammenhang zwischen Klüftung und Gebirgsfestigkeit (nach L. Müller)

Abb. 7.22: Abhängigkeit der Gebirgsfestigkeit vom ebenen Kluftflächenanteil und von der Klüftigkeit

Abb. 7.23: Abhängigkeit der Gebirgsfestigkeit von der Klüftigkeit und der Verwitterung - Homogenität – Inhomogenität und Isotropie - Anisotropie Homogenität Ein Körper ist in einem Betrachtungsbereich homogen, wenn seine Eigenschaften ortsunabhängig sind. Repräsentative Teilbereiche sind beliebig austauschbar, ohne das Gesamtgefüge statistisch zu verändern.


Seite 7.18

Isotropie Ein Körper ist in einem Betrachtungsbereich isotrop, wenn die betrachtete physikalische Eigenschaft in jedem Punkt richtungsunabhängig ist. Betrachtungsbereich

Abb. 7.24: Betrachtungsbereich


a)

b)

Seite 7.19

c)

Abb. 7.25: Homogenität - Inhomogenität und Isotropie – Anisotropie (nach Wittke, 1984) a) homogen und isotrop, d. h. gleichmäßig und richtungslos (z. B. Porphyr) b) homogen und flächig anisotrop, d. h. gleichmäßig und richtungsabhängig (z. B. Gneis) c) homogen und linear anisotrop, , d. h. gleichmäßig und richtungsabhängig (z. B. Säulenbasalt)

7.5

Übungsaufgaben

Ü 7.1

Welche Hauptursachen der Verwitterung kennen Sie?

Ü 7.2

Beschreiben Sie die verschiedenen Arten der chemischen Verwitterung, wie wirken sich diese Vorgänge auf den Baugrund aus (Stichwort: Karst)? Aus welchen Regionen Deutschlands sind entsprechende Baugrundprobleme bekannt?

Ü 7.3

Wodurch unterscheiden sich Locker- von Festgesteinen?

Ü 7.4

In welche Kornfraktionen werden die klastischen Sedimente Kies, Sand, Schluff und Ton untergliedert?

Ü 7.5

Welches sind die Hauptursachen für Talbildungen?

Ü 7.6

Nennen Sie verschiedene Transportmittel der Abtragung und deren typische Sedimentarten. Wie unterscheiden sich die Sedimente hinsichtlich Kornform, Korngröße und Sortierung?

Ü 7.7

(a) Wie sind fluviatile Talform, Schleppkraft und transportierte Korngröße miteinander verknüpft? (b) Was sind Mäander, wie entstehen Altwasserarme und Umlaufberge?

Ü 7.8

Wodurch unterscheiden sich fluviatile Sedimente von glaziogenen in den baugeologischen Eigenschaften?

Ü 7.9

Was sind (a) Geschiebemergel und (b) erratische Blöcke? (c) Welche geotechnischen Probleme können sie bereiten?

Ü 7.10

Was versteht man unter einem aggressivem Wasser?


Seite 7.20

Ü 7.11

Nennen Sie chemische Sedimentgesteine, die im Grundwasser (a) leicht löslich, (b) schwer löslich sind.

Ü 7.12

Warum eignet sich Marmor als Ornamentenstein besser als Kalkstein?

Ü 7.13

Welche Lockergesteine sind als Baugrund (a) gut, (b) schlechter geeignet? Warum?

Ü 7.14

Beim Neubau einer Autobahn wurde ein Tunnel in veränderlich-festem Schiefergestein aufgefahren. Da sich das Gebirge beim Sprengvortrieb als standfest erwies, beschloss man, das Aushubmaterial für eine Dammschüttung in der Fortsetzung der Fahrbahntrasse zu verwenden. Diese zeigte sich in der Folgezeit als nicht tragfähig. Wie lässt sich das erklären?

Ü 7.15:

Was ist der Unterschied zwischen Gestein und Gebirge?

Ü 7.16:

Benennen Sie die in den Kornverteilungslinien in Abb. 7.16 dargestellten Bodenarten!

Ü 7.17:

Was versteht man unter bindigen und nicht-bindigen Böden?

Ü 7.18:

Welche Faktoren bestimmen maßgeblich die Festigkeit von geklüftetem Fels?

Ergänzende Stichworte zu Kap. 7 Abrasion: Abtragung von Meeresküsten durch Brandung und Sturmfluten (Kliffbildung) äolisch: vom Wind verursacht (z.B. Löß, Dünen mit Luv- und Leeseite) arid: wüstenhaft (z.B. heißes, trockenes Klima); Gegenteil: humid Blockwerk: Ansammlung von Gesteinsbruchstücken in Größen bis zu mehreren Metern Boden: Anhäufung (Sedimente) von Gesteinspartikeln (Körner) verschiedener Größe und Beschaffenheit ohne chemische Kornbindung (Verkittung). Unterteilung: bindige Böden und rollige Böden


Seite 7.21

Canyon (Cañon): steilwandiges, tief eingeschnittenes, nach unten schluchtartig verengtes Flusstal; es bildet sich vor allem dort, wo reißende Flüsse aus regenreichen Gebirgen ein Trockengebiet durchfließen (z. B. Grand Canyon des Colorado River) Delta: Mündungsgebiet eines Flusses mit einem Netz von Flussarmen, das sich durch fortwährende Ablagerung von Sedimentschichten in das Meer oder in einen See hinein erweitert (z.B. Rhein-, Donau-, Nil-, Ganges-, Mississippi-, Amazonas-Delta) Doline: Auslaugungshohlraum oder Einsturztrichter in Karstgebieten endogene und exogene Dynamik: Die endogenen Energien, die zur Umgestaltung der Erde und ihrer Gesteine führen, stammen aus dem Inneren der Erde. Dagegen haben die exogenen, auf die Erde einwirkenden Energien einen kosmischen Ursprung: Klima, Wetter und Gesteinsverwitterung werden vorrangig von der Sonne gesteuert. Erosion: Abtragung und Einebnung der Erdoberfläche durch Verwitterung und Abtransport des Gesteins: fluviatile E., marine E., glaziale E., äolische E., anthropogene E. fluviatil: mit einem Fluss zusammenhängend, z.B. fluviatile Erosion; fluvio-glazial: mit Gletscherwasser zusammenhängend, z.B. fluvio-glaziale Sedimente Fjord: Tief in das Land eingreifender Meeresarm, entstanden aus ehemaligem Flusstal, das während der Eiszeiten von Gletschern zu einem Trogtal umgestaltet worden ist Geest: Langwellige, eiszeitlich geprägte Aufschüttungslandschaft aus trockenen Sandböden mit Heide, feuchten Wiesen und Mooren (z.B. Norddeutschland) Geröll: durch fluviatilen oder marinen Transport gerundete klastische Sedimente: z.B. Fluss-Schotter, eiszeitliche Geschiebe mit erratischen Blöcken (Findlinge) glazial: eiszeitlich; z.B. glaziale Erosion, glaziale Landschaft (Moränen mit Findlingen) Gletscher: der Schwerkraft folgende, plastisch fließende, von Längs- und Querspalten durchzogene Eisströme in Hochgebirgen und Polargebieten humid (=feucht): im humiden Klima überwiegen die Niederschläge die Verdunstung; dort gibt es starke chemische Verwitterung und dauerhaft wasserführende Flüsse. Korngrenze: Grenze zwischen den einzelnen miteinander verwachsenen Mineralkörnern; wegen der relativ geringeren Festigkeit setzt von dort her i.a. die Verwitterung ein. Lehm: stark mit Sand vermischter, meist kalkarmer Ton; wegen des Eisenoxydgehaltes oft gelblichbraun bis braun gefärbt Letten: grauer, oft sandiger Ton mit geringem Kalkgehalt, der Spalten und Klüfte füllt Löß: eiszeitlich-äolische Sedimente von ca. 10-50 µm feinen Quarz- und Tonpartikeln mit relativ hohen Kalkgehalten (8-20%); gelbgrau, porös; sie bilden fruchtbare und i.a. standfeste Böden Mäander: geschlängelte, halb- bis fast vollkreisförmige Windungen eines Flusses mit geringem Gefälle


Seite 7.22

Marsch: aus Sand und Ton bestehende Anschwemmungen an flachen Gezeitenküsten; fruchtbare, schwierig bebaubare, weiche Böden (z.B. Niederelbe, holländische Nordseeküste) Moräne: von Gletschern transportierter und abgelagerter Schutt aus Sanden, Lehmen, Schotter und Gesteinsblöcken (Findlingen); unter dem Eis bildet sich die Grundmoräne, an den Rändern jeweils die Seitenmoräne und an der Spitze die Endmoräne. Oberlauf/Unterlauf: Der Oberlauf eines Flusses ist wegen des relativ großen Gefälles vorwiegend von Erosion geprägt; mit wachsendem Transportweg und abnehmender Strömungsgeschwindigkeit werden die Korndurchmesser der Ablagerungen gegen den Unterlauf hin zunehmend feiner (vgl. Hjulström-Diagramm) Schichtstufenlandschaft: Durch Erosion geprägte Landschaft mit Wechsel von steilen, Gebirgsstufen und sanft geneigten Hängen (z.B. Schwäbische Alb) Schlucht: durch Tiefenerosion entstandene Talform mit fast senkrecht fallenden Hängen Schuttkegel: kegelförmig aufgeschüttete klastische Sedimente, z.B. in Flussdeltas Tafelberg: durch fluviatile Erosion entstehende Bergform mit horizontaler Oberfläche Trogtal (U-Tal): von Gletscherstrom umgeformtes ursprüngliches Flusstal (V-Tal) Urstromtal: durch Schmelzwässer der eiszeitlichen Gletscher erzeugtes breites, flaches Tal mit Sand- und Schotterablagerungen (z.B. Elbe, Oder, Donau, Po) veränderlich feste Gesteine: verändern unter Wassereinfluß deutlich ihre Festigkeitseigenschaften in relativ kurzer Zeit Vergrusung: Mechanische Zerstörung des Gesteins durch Lockerung der Korngrenzen. Dabei entsteht der Gesteingsgrus als lockere Anhäufung eckiger Gesteinspartikel (z.B. Granitgrus) Verwitterung: An der Erdoberfläche durch exogene Kräfte (Sonneneinstrahlung, Frost, Wasser und Gase der Atmosphäre) verursachte Zerstörung und Umwandlung von Mineralien und Gesteinen - physikalisch-mechanisch: Temperatur-V. (Insolation), Frost-V., Salz-V. - chemisch: durch Wasser, Salze, Säuren, Basen, CO2, O2 usw. - biologisch: biologisch-physikalisch (z.B. mechanisch durch Pflanzenwurzeln) biologisch-chemisch: (z.B. Ätzung durch Humussäuren) Die Verwitterung ist der wichtigste bodenbildende Vorgang. Sie liefert auch das Ausgangsmaterial für die Sedimentgesteine und gestaltet die Morphologie der Landschaft.

Geologie Im Bauwesen

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