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| GLIEDERUNG | |
| Zusammenfassung | Interpretation der Ergebnisse |
| Einleitung | Literatur |
| Darstellung der Ergebnisse | |
| ABBILDUNGEN | |
Abb. 1 |
Abb. 3 |
Abb. 2 |
Abb. 4 |
Im folgenden wird eine Möglichkeit die chemische Zusammensetzung von Tonmineralen eines Sediments genauer zu charakterisieren, vorgestellt. Grundlage sind Berechnungen, die es ermöglichen aufgrund der molaren Kalium-Gehalte die Schichtladung zu ermitteln. Weiterhin wird eine Methode vorgestellt, mit deren Hilfe anhand des K2O/Al2O3-Vehältnisses die Aluminium-Substitution in den Tetraederschichten der Tonminerale berechnet werden kann. Grundlage der folgenden Darstellung sind die mineralogischen (RDA, IR) Analysen von 63 Proben und die chemischen Analysen (RFA) von 33 Proben der Korngrößenfraktion < 20µm des 279m langen Profils der Bohrung Kirchrode II (Benesch 1998). Die Sedimente des Kerns stammen aus dem Mittel- und Unter-Alb des Niedersächsischen Beckens (Fenner et al. 1996).
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Abb. 1: Tonmineralgehalte (Montmorillonit, Kaolinit, Illit) |
Projiziert man in der Abbildung 1 von dem Kaolinitpunkt
ausgehend die Probenpunkte auf die Basislinie, erhält man die Darstellung
der pseudo-binären Mischung aus Montmorillonit und Illit. Die Variation
der Zusammensetzung der Mischung aus Illit und Montmorillonit drückt
sich auch in Veränderungen der chemischen Analysedaten aus. So bietet
neben den mineralogischen Methoden auch die chemische Analyse die Möglichkeit,
die Illit- und Montmorillonit-Minerale genauer zu charakterisieren. Ein
Vergleich der Tonmineralgehalte mit den chemischen Analysen läßt
eine deutliche Korrelation zwischen den Illit- und Montmorillonit-Gehalten
und dem K2O erkennen (Abb. 2). Ebenfalls
besteht eine Korrelation zwischen dem Illit-Gehalt und dem K2O/Al2O3-Verhältnis
(Abb. 3). Die Darstellungen zeigen somit, daß
die Zunahme des K2O-Gehalts sowie die des K2O/Al2O3-Verhältnisses
eine Funktion der Illitzunahme bzw. der Montmorillonit-Abnahme ist.
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Abb. 2: Illit- und Montmorillonit-Anteil < 20 µm verglichen mit dem K2O-Gehalt der Proben (Kirchrode II) |
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Abb. 3: Illit- und Montmorillonit-Anteil < 20 µm verglichen mit dem K2O/Al2O3-Verhältnis (Kirchrode II) |
Dieser Wert von 7,2% entspricht dem durchschnittlichen K2O-Gehalt eines Illit-Minerals der untersuchten Sedimente.mit xIllit = Anteil an Illit (1)
Der durchschnittliche Kalium-Gehalt des Montmorillonits läßt sich anhand des Schnittpunkts der Geraden bei 0% Illit ermitteln (Abb. 2). Da die extrapolierte Gerade nicht durch den Nullpunkt verläuft, muß auch der Montmorillonit geringe Anteile an Kalium in seiner Struktur enthalten. Anhand der Darstellung (Abb. 2) kann man den durchschnittlichen K2O-Anteil der Montmorillonitphase bezogen auf die Gesamtprobe ermitteln:
Mit Hilfe der Beziehung zwischen dem K2O/Al2O3-Verhältnis und dem Illit-Gehalt (Abb. 3) kann man auch Rückschlüsse auf den Al2O3-Gehalt im Illit ziehen. Hierzu muß man ebenfalls den Kaolinit-Anteil berücksichtigen, da auch der Kaolinit Aluminium in seiner Struktur enthält. Folgende allgemeine Formel läßt sich für die Mischung der drei Komponenten aufstellen:mit yMont = Anteil an Montmorillonit (2)
Aus der Extrapolation der Korrelationsgerade (Abb. 3) auf 100% Illit und 100% Montmorillonit ergeben sich folgende K2O/Al2O3-Verhältnisse: RIllit = 0,229 und RMont = 0,096, unter der Voraussetzung eines konstanten Al2O3-Gehalts im Kaolinit von 45,9%. Für die Berechnung des Al2O3-Gehalts eines reinen Illits beziehungsweise eines reinen Montmorillonits ergeben sich aus Formel (3) folgende Beziehungen:(3)
Die durchschnittlichen K2O-Gehalte des Illits und der Montmorillonit-Phase sind aus den Formeln (1) und (2) bekannt. So läßtt sich ein Al2O3-Gehalt für den Illit von 21,3% und für den Montmorillonit von 8% errechen.(4)
Anhand der berechneten K2O- und Al2O3-Gehalte lassen sich Strukturformeln der Minerale entwickeln. Dazu wird zunächst für den Illit das K2O/Al2O3-Gewichtsverhältnis in ein molares K/Al-Verhältnis (Rmol = 0,366) umgerechnet. Im Illit wird die Schichtladung durch Al3+-Substitution des Si4+ in den Tetraederschichten hervorgerufen. Damit die negative Ladung der Elementarzelle ausgeglichen wird, müssen sich entsprechend viele Kationen in der Zwischenschicht befinden. Ist in der Verwitterungslösung K+ im Überschuß vorhanden, gleicht der Anteil an K+ in den Zwischenschichten den Anteil an Al3+ in der Tetraederposition aus. Daher kann in der Formel (5) der K+-Anteil dem Al3+-Anteil gleichgesetzt werden. Dieser Anteil x läßt sich wie folgt errechnen:
(K = AlTet = x) (5)
Für die Illit-Komponente erhält man auf diese Weise einen durchschnittlichen K+-Anteil von 1,16. Ein "idealer Illit" beziehungsweise ein Muskowit mit folgender Elementarschicht enthält dagegen einen maximalen K+-und AlTet-Anteil von jeweils 1:(6)
Der Grund dafür; daß der berechnete Wert über dem eines idealen Illits liegt, ist in der Extrapolation des K2O/Al2O3-Verhältnisses zu suchen. Tatsächlich handelt es sich in Abbildung 4 um eine leicht gekrümmte Beziehung, da die lineare Beziehung zwischen dem K2O/Al2O3-Verhältnis und dem Illit-Gehalt durch den konstanten Al2O3-Gehalt im Kaolinit beeinflußt wird. Man muß daher bei der Berechnung ein niedrigeres K2O/Al2O3-Verhältnis von ca. 0,2 im Illit ansetzen. Eine weitere Ursache für den zu hohen berechneten K+-Gehalt liegt in der Annahme, daß die Si4+- Substitution in der Oktaederposition nur durch Al3+ stattgefunden hat. Tatsächlich ist von einem geringen Eisen-Anteil in der Oktaederposition auszugehen, da die chemischen Analysen erhöhte Fe2O3-Gehalte in der tonmineralreichen Fraktion < 0,63mm erkennen lassen. Daher erniedrigt sich der Faktor 2 in Formel (6) auf » 1,9. Setzt man in die Formel (6) diesen Faktor und ein K2O/Al2O3-Verhältnis von 0,2 ein, erhält man somit einen Illit mit einer negativen Schichtladung von ca. 0,8. Anhand dieses Wertes kann folgende Strukturformel für den Illit der Alb-Sedimente entworfen werden:
K0,8 (Fe, Al)2 (OH)2 [Si3,2 Al0,8 O10]Die entwickelte Strukturformel für den in den Proben enthaltenen Illit zeigt eine große Ähnlichkeit mit der des oben dargestellten "idealen" Illits.
Für die Montmorillonit-Phase läßt sich mit der gleichen
Methode ein theoretischer Wert für den durchschnittlichen K+-Gehalt
in der Zwischenschicht bzw. Al3+-Gehalt in der Tetraederposition
von ca. 0,4 errechnen. Eine Strukturformel läßt sich anhand
dieser Werte jedoch nicht entwerfen, da es sich hier nicht um einen reinen
Montmorillonit handelt, sondern um eine Mischung aus Montmorillonit und
Smektit-Illit-Wechsellagerungs-Mineralen. Die berechnete geringe Al3+-Substitution
in der Tetraederschicht unterstreicht jedoch die Interpretation, daß
es sich bei dem Smektitmineral überwiegend um Montmorillonit handelt.
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Abb. 4: Ideale Mischung von Illit und Montmorillonit mit jeweils 20 Gew.% Kaolinit |
Benesch, M, Heydemann, A., Usdowski, E. (1998): Mineralogy of the Lower Aptian sediments from the borehole Hoheneggelsen KB 40 with special emphasis on clay mineralogy - Cretaceous Research (in press)
Fenner, J., Bruns, A., Cepek, P., Köthe, A., Owen, H.G., Prauss, M., Riegel, W., Thies, A., Tyszka, J., Weiá, W. & Wiedmann, J. (1996): Palaeontological results from the boreal Albian (cores Kirchrode I and II) biostratigraphy, paleoenvironment and cycle analysis.- In: Reitner, J., Neuweiler, F. & Gunkel, F. (Hg.): Global and Regional Controls on Biogenic Sedimentation. II. Cretaceous Sedimentation. Research Reports.- Göttinger Arbeiten zur Geologie und Paläontologie, Sb3: 5-12
