Gesteinskunde: Ein Leitfaden für Einsteiger und Anwender

185 Pages·2012·32.28 MB·German

by  Dr. Ulrich Sebastian (auth.)

Gesteinskunde
Ulrich Sebastian
Gesteinskunde
Ein Leitfaden für Einsteiger und Anwender
2., erweiterte und verbesserte Auflage
Dr. Ulrich Sebastian
Obermarkt 3
09599 Freiberg/Sa.
Weitere Informationen zum Buch finden Sie unter www.spektrum-verlag.de/978-3-8274-2822-6
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2. Auflage 2012
© Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2012
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Planung und Lektorat: Merlet Behncke-Braunbeck, Dr. Christoph Iven
Satz: klartext, Heidelberg
Umschlaggestaltung: SpieszDesign, Neu-Ulm
Titelfotografie: verschiedene Bohrkerne im Querschnitt, Foto: Dr. Ulrich Sebastian
Fotos/Zeichnungen: vom Autor, wenn in den Abbildungsunterschriften nichts anderes angegeben
ISBN 978-3-8274 -2822-6
Vorwort zur 2. Auflage
Die gute Annahme der ersten Auflage durch die weg fast unverändert bleiben und trotzdem zu
Leser veranlasst den Verlag und mich eine zweite Standardwerken des jeweiligen Wissensgebietes
Auflage zu riskieren. Vor allem scheint das Kon- ge reift sind. Das heißt nicht, dass Fehler nicht
zept des Leitfadens aufgegangen und das Buch ausgemerzt und Aktualisierungen nicht vorge-
ein gutes Hilfsmittel bei der Einarbeitung in die nommen werden. So gesehen liegt in der zweiten
komplexe Welt der Gesteine, sowohl aus theoreti- Auflage der „Gesteinskunde“ ein Kompromiss
scher, als auch aus praktischer Sicht zu sein. Das vor. Mängel wurden abgestellt, die Vorschriften
ist der Grund weshalb die Zweiteilung in eine auf den neuesten Stand gebracht und einige tiefer
geologische und eine praktische Gesteinskunde gehende Erläuterungen eingefügt. Neu ist vor
beibehalten wurde. Dabei ist dieser Ansatz nicht allem eine kurze Abhandlung zu den geophysika-
unumstritten. Kritiker der ersten Auflage bemän- lischen Eigenschaften von Locker- und Festge-
gelten die knappe Abhandlung der geologischen steinen. Andererseits bleibt auch die zweite Aufla-
Gesteinsansprache bei gleichzeitiger Repetition ge der „Gesteinskunde“ das was die erste war: ein
von Grundlagen der Geomechanik im zweiten erschwinglicher Leitfaden für Einsteiger und An -
Teil. Mithin wäre das Buch eigentlich überflüss- wender.
sig. Dieser Kritik wohnt ein Körnchen Wahrheit Trotz größter Sorgfalt bleiben immer kleine
inne, denn tatsächlich kratzt die „Gesteinskunde“ Schnitzer. Beim Aufspüren dieser in der ersten
lediglich an der geologischen Oberfläche – zu- Auflage haben sich viele verdient gemacht, vor
meist bleibt es bei Nomenklatur. Und im ange- allem mein Kollege Christian Busch. Ihm und
wandten Teil geht es wirklich um Ingenieurgeo- allen Anonymen möchte ich hier danken. Dazu
logie. Aber beides zu verbinden macht neben kamen Vorschläge und Hinweise für eine Verbes-
der Knappheit des Stoffes die Einmaligkeit des serung. Vor allem sei den Rezensoren gedankt,
Buches aus. Für viele ist es gewiss sinnvoller die die vom Verlag aufgefordert wurden, Kritik zu
jeweiligen „Vollversionen“ beider Stoffgebiete zu üben, und das auch bereitwillig taten. Dabei
kaufen (z.B.Vinxfür die Petrologie und Prinz/ äußerten sich 19 Hochschulprofessoren und Lehr-
Strauß für die Ingenieurgeologie, beide Spek- verantwortliche zu verschiedenen Kategorien, wie
trum Akademischer Verlag). Eine sehr gute Alter- Themenauswahl und Aktualität. Sieht man von
native, die aber nicht jedem Einsteiger-Willen einer ungnädigen „5“ ab, dann hat am besten die
nach Vereinfachung und schon gar nicht dem Kategorie „Didaktik/Verständlichkeit“ mit dem
Geldbeutel von Schülern und Studenten gerecht Durchschnitt „1,4“ abgeschnitten. Im Gesamt-
wird. In dieser Einschätzung gibt uns der Absatz durchschnitt erreichte die „Gesteinskunde“ die
des Buches recht. Note „1,7“. Danke noch einmal für meine Zeug-
Nun erwartet aber der Verlag vom Autor einer nisse! Mit dem Wunsch und Vorsatz aus einer
zweiten Auflage eine Verbesserung und Vermeh- „Zwei plus“ eine „Eins minus“ zu machen, über-
rung des Wissensangebotes gegenüber der Erst- gebe ich hiermit die zweite Auflage dem geschätz-
ausgabe. Damit gerate ich in die Klemme. Das ten Leser – jedoch nicht, ohne zu guter Letzt
deutliche Anschwellen des Buchinhaltes hätte die Bernhard Wagenbreth für die fachliche Korrektur
Konkurrenzstellung der „Gesteinskunde“ zu den der neuen Geophysikkapitel und meinem Lektor
bestehenden Lehrbüchern zur Folge, und das Dr. Christoph Iven für seine Aufmunterung,
Grundkonzept des Leitfadens wäre verletzt. In seine Unermüdlichkeit und die Preisgabe seines
diesem Sinne sehe ich das Buch eher in der Tra- Sachverstandes zu danken.
dition von Formelsammlungen etwa in Mathe-
matik und Physik, die über viele Auflagen hin- Ulrich Sebastian
Inhaltsverzeichnis
I Einleitung
1 Der Baustoff der Gesteine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Entstehung der Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Schalenbau der Erde . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Minerale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2 Die Bestimmung gesteinsbildender Minerale . . . . . . . . . . 7
Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Mineralgliederung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Mineraleigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Gesteinsbildende Minerale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
3 Einteilung und Entstehung der Gesteine . . . . . . . . . . . . . 13
Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Geologische Systematik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Geotechnische Systematik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Plattentektonik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
Gesteinskreislauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Gesteinsvielfalt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
II Die Gesteine
4 Sedimente und Sedimentgesteine . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.1 Eigenschaften von Sedimenten und Sedimentgesteinen. . . . . . . . 21
Schichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
Sedimentäre Fazies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4.2 Klastische Sedimente und Sedimentgesteine . . . . . . . . . . . . . 21
Korngrößenklassifikation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Ansprache der klastischen Sedimentgesteine . . . . . . . . . . . . . . . 25
Mischgesteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.3 Chemische Sedimentgesteine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Entstehung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Evaporite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Weitere chemische Sedimentgesteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
VIII Inhaltsverzeichnis
4.4 Biogene Sedimentgesteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Entstehung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Karbonatgesteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Kieselige Sedimentgesteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Phosphatische Sedimentgesteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Organogene Sedimentgesteine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5 Magmatische Gesteine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.1 Entstehung und Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Entstehung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Chemischer Charakter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Magmatische Bildungsräume und Gefüge . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Vulkanische Förderprodukte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
5.2 Das QAPF-Doppeldreieck („Streckeisen-Diagramm“). . . . . . . . . . 40
5.3 Feldansprache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.4 Wichtige Magmatite im Bild . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Saure Magmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Intermediäre Magmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Basische Magmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Ultrabasische Magmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
6 Metamorphe Gesteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.1 Metamorphose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
6.2 Eigenschaften metamorpher Gesteine . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Metamorphose und Tektonik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Metamorphe Gefüge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Kataklasite und Mylonite. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.3 Benennung metamorpher Gesteine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
6.4 Die wichtigsten Metamorphite als Funktion von Ausgangsgestein
und metamorpher Fazies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Metamorphose von tonigen Gesteinen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Metamorphose von granitischen Gesteinen . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Metamorphose von Karbonaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Metamorphose von basaltischen Gesteinen . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Metamorphose von Sandstein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
6.5 Die Metamorphit-Nomenklatur nach IUGS . . . . . . . . . . . . . . . 62
6.6 Spezielle Metamorphite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Granulite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Metasomatose. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Impaktmetamorphose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Migmatite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
Serpentinite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Inhaltsverzeichnis IX
III Technische Gesteinskunde
7 Lockergesteine (Boden) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
7.1 Technische Lockergesteinsansprache . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Summenkurven . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Lockergesteinsansprache in der geotechnischen Erkundung
(nach DIN EN ISO 14688) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Ungleichförmigkeitsgrad. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Lockergesteinsansprache in der Bautechnik (nach DIN 18196). . . . . . . 79
Wassergehalt und Zustandsgrenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Bodenklassen nach VOB (DIN 18300 und DIN 18311) . . . . . . . . . . . 83
Lockergesteinsansprache in Land-- und Forstwirtschaft
(nach DIN 4220 und DIN 19682) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Lockergesteinsansprache im Landschaftsbau
(nach DIN 18915) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
7.2 Technische Eigenschaften von Lockergesteinen . . . . . . . . . . . . 86
7.2.1 Laborbestimmte Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
7.2.2 Feldbestimmte Eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
7.3 Bohren in Lockergesteinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Bohrverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Bohrbarkeit von Lockergesteinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.4 Hydrogeologische Eigenschaften von Lockergesteinen . . . . . . . . 102
Wasserkreislauf und Gestein. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
Porosität und Permeabilität . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
Durchlässigkeitsbeiwert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
Bestimmung von Durchlässigkeitsbeiwerten in Pumpversuchen . . . . . . 104
Überschlägige Bestimmung von Durchlässigkeitsbeiwerten . . . . . . . . 110
7.5 Geophysikalische Eigenschaften von Lockergesteinen . . . . . . . . 111
Zum Wesen der Geophysik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
Geoelektrik (Widerstandsmessung) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
Radiometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
Kerngeophysik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Komplexe Auswertung geophysikalischer Bohrlochmessungen. . . . . . . 117
7.6 Verwendung von Lockergesteinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
Betonzuschlag . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
Straßenbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Filtersand und Filterkies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
Deponiebau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
8 Festgesteine (Fels) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
8.1 Technische Festgesteinsansprache . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Gestein, Fels und Gebirge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Bautechnische Benennung von Fels nach DIN EN ISO 14689-1 . . . . . . 128
Felsklassifikation von Natursteinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
X Inhaltsverzeichnis
8.2 Technische Eigenschaften von Festgesteinen . . . . . . . . . . . . . 132
8.2.1 Festigkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
8.2.2 Trennflächengefüge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
Häufigkeit der Trennflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
Raumlage von Trennflächen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
8.3 Hydrogeologische Eigenschaften von Festgesteinen. . . . . . . . . . 139
8.4 Bohren in Festgesteinen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
Bohrverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
Bohrbarkeit von Festgestein . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
8.5 Geophysikalische Eigenschaften von Festgesteinen . . . . . . . . . . 141
Geophysik und Festgesteine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
Gravimetrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Geomagnetik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Seismik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
Geophysikalische Bohrlochmessungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Geothermie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
8.6 Verwendung von Festgesteinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
8.6.1 Brecherprodukte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
8.6.2 Werksteine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
9 Darstellung von Gesteinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
9.1 Zeichen und Farben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
9.2 Graphische Auswertung von Erkundungsergebnissen . . . . . . . . . 159
Bohrergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Aufschlussdokumentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Kartierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
10 Lösungen der Aufgaben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
Zitierte Normen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
Kleines Lexikon der Gesteinsnamen. . . . . . . . . . . . . . . . 171
Index. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
I Einleitung