LÜ-Sedimentologie Ton-Einführung1

Ton – Korngröße oder Mineral?

TON (AIPEA 1995) :

ein natürliches Material aus sehrfeinkörnigen Mineralen, welches sich

beigeeignetem Wassergehalt plastisch verhält und beim Trocknen oder Brennenverhärtet.

TON istein klastisches Sediment mit einer medianen Korngröße

von weniger als 2 µm

LÜ-Sedimentologie Ton-Einführung2

Clay Mineralogy

Clay Chemistry

Soils and Agronomy

Ceramics

Sedimentary Petrology

Economic Geology

Civil Engineering

Waste disposal (landfills and radioactive)Slope stability

CatalysisColloid propertiesPaper coatingsDrilling fluidspharmaceuticals

Hydrothermal weathering

Environment of depositionStratigraphic correlationReservoir qualityBasin History

NutrientsTilthFertilizer

Wer untersucht Tone?

LÜ-Sedimentologie Ton-Einführung3

Ton, Keramik, Baustoffe, Papier

LÜ-Sedimentologie Ton-Einführung4

Ton, Chemie, Medizin und Pharmazie

LÜ-Sedimentologie Ton-Einführung5

Verwendung

• Porzellan (Kaoline)• Keramik, Ziegel (Tone, Auenlehme, wenig Smektit)• Deponiebau (min. 20% Tonminerale)• Papierindustrie (Kaolinit)• Bohrspülung (Bentonit)• Tunnelbau (Bentonit)• Pharmazie

LÜ-Sedimentologie Ton-Einführung6

Überbegriff TongesteinLutit (lat. lutum = Lehm): v.a. KarbonatgesteinePelit (gr. pelos = Schlamm): übergeord. BegriffMergel: Tongesteine mit 25-75% Karbonat

(Tonmergel 25-50% - Kalkmergel 50-75%)Letten: farbige Ton/Siltsteine (Keuper, Zechstein)Schlamm: Ton + SiltLehm: Ton + Sand, Verwitterungsprodukt Tonschiefer: metamorphe Tonsteine

NomenklaturTon (unverfestigt) - Tonstein (verfestigt)

LÜ-Sedimentologie Ton-Einführung7

clay Ton

claystone Tonstein ohne sedim. Paralleltextur

shale Tonstein mit sedimentärer Paralleltextur

argillite (Schieferton)

slate Tonschiefer mit tektonischer Paralleltextur

"tonstein" (engl.) Kaolinkohlentonstein

mud (Schlamm) mudstone (Schlammstein)

Nomenklatur II (engl.)

LÜ-Sedimentologie Ton-Einführung8

O2- Si4+, Al3+ OH- Al3+, Mg2+, Fe3+, Fe2+

[SiO4] tetrahedra [M(O,OH)6] octahedra

Bauelemente der Tonminerale

LÜ-Sedimentologie Ton-Einführung9

Tetraederschicht

LÜ-Sedimentologie Ton-Einführung10

Oktaederschicht

LÜ-Sedimentologie Ton-Einführung11

trioktaedrisch (2+ Kation) dioktaedrisch (3+ Kation)

Oktaederbesetzung

LÜ-Sedimentologie Ton-Einführung12

a) 1:1 (tetrahedral : octahedral) or (TO)b) 2:1 (tetrahedral :octahedral : tetrahedral) or (TOT)c) 2:1:1 (tetrahedal:octahedral : tetrahedral ) : octahedral or (TOT:O)

a)

b)

c)

Kombinationsmöglichkeiten für Tetraeder und Oktaederschicht

LÜ-Sedimentologie Ton-Einführung13

Begriffe (AIPEA):a) Ebene

(plane): b) Schicht

(sheet):c) Zwischenschicht

(interlayer):d) Schichtpaket

(layer): e) Struktureinheit

(unit structure):

Struktur der Tonminerale

LÜ-Sedimentologie Ton-Einführung14kaolinite, dickite, halloysite, serpentine

Dioctahedral: Al2[Si2O5(OH)4]

Trioctahedral: Mg3[Si2O5(OH)4]

d001

T

0

T

0KAOLINITE (view along b axis)

1:1 Typ

LÜ-Sedimentologie Ton-Einführung15

pyrophyllite, talc, montmorillonite, illite, micas

Dioctahedral: M+x+y Si4-xAlx Al3+

2-yMg2+y O10(OH)2

Trioctahedral: M+x+y Si4-xAlx Mg2+

3-yLi+y O10(OH)2

d001

T0

T

T0

T

SMECTITE (view along b axis)

2:1 Typ

LÜ-Sedimentologie Ton-Einführung16

Tr,Tr chlorites; Di,Di chlorites; Di,Tr chlorites

d001

T0

TT0

T

0

CHLORITE (view along b axis)

2:1:1 Typ

LÜ-Sedimentologie Ton-Einführung17

Tonminerale-Struktur (4)

LÜ-Sedimentologie Ton-Einführung18

Tonminerale-Sytematik

LÜ-Sedimentologie Ton-Einführung19

Tonminerale-Sytematik

LÜ-Sedimentologie Ton-Einführung20

Unit-layer formula for an unsubstituted 2:1 clay mineral: Al4Si8O20(OH)4

Unit-layer formula for a substituted 2:1 clay mineral: [Al3.5 Mg0.5]Si8O20(OH)4

Isomorpher Ersatz

4 x Al3+ + 12 3.5 x Al3+ + 10.5

8 x Si4+ + 32 0.5 x Mg2+ + 1

20 x O2- - 40 8 x Si4- + 32

4 x OH- - 4 20 x O2 - 40

Net charge 0 4 x OH- - 4

Net charge - 0.5

LÜ-Sedimentologie Ton-Einführung21

Wechsellagerungsminerale

• regelmäßig (50:50) oder unregelmäßighäufig:• Illit-Smectit (regelmäßig und unregelmäßig) z.B. Rectorit• Chlorit-Smectit (regelmäßig und unregelmäßig) z.B. Corrensit

LÜ-Sedimentologie Ton-Einführung22

Wechsellagerungsminerale

LÜ-Sedimentologie Ton-Einführung23

Polytypen

Moore&Rynolds, 1997

Glimmer

1M

2M1

3T

LÜ-Sedimentologie Ton-Einführung24

Verwitterung

LÜ-Sedimentologie Ton-Einführung25

LÜ-Sedimentologie Ton-Einführung26

Silikatverwitterung

Apello&Postma, 1993

LÜ-Sedimentologie Ton-Einführung27

Tonminerale-Genese

Kaolinitgruppe• Verwitterung magmatischer und metamorpher Geteine in humidem

KlimaSerpentingruppe• Hydrothermale Umwandlung Mg-reicher (z.B. olivinhaltiger),

ultrabasischer GesteineTalk-Pyrophyllitgruppe• Talk wie Serpentin, Pyrophyllit durch hydrothermale Umwandlung Al-

reicher GesteineSmektitgruppe• Verwitterung vulkanischer Aschen oder hydrothermale Spätphase des

Vukanismus• Auch Verwitterung ultrabasischer, Fe-haltiger Gesteine (Nontronit)

LÜ-Sedimentologie Ton-Einführung28

Tonminerale-Genese

Vermiculitgruppe• Hydrothermale Umwandlung von Biotit oder Phlogopit oder durch

Verwitterung dunkler, gesteinsbildender MineraleIllitgruppe• Hydrothermale Bildung bei gleichzeitigem K+ und H3O+ Angebot oder

durch Austausch von K+ gegen H3O+ aus Muskovit• Dehydratation von Smectiten bei der DiageneseGlimmergruppe• Magmatische Bildung (meist saure Gesteine) und metamorphChloritgruppe• Metasomatische Veränderung Mg-reicher Gesteine

LÜ-Sedimentologie Ton-Einführung29

Diagenese / Metamorphose

Meunier, 2005

LÜ-Sedimentologie Ton-Einführung30

Smectit – Illit Umwandlung

Meunier, 2005