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- Herausgeber: Books on Demand
- Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
- Sprache: Deutsch
- Veröffentlichungsjahr: 2015
Die Bodenschätze unserer Mutter Erde sind natürliche Anreicherungen nutzbarer Rohstoffe, die als ober- und unterirdische Lagerstätten in der Erdkruste vorkommen. Sie sind Ausgangsstoffe für einen weiteren Verarbeitungsprozess. Die Gewinnung bzw. der Abbau erfolgt, wenn sie von volkswirtschaftlichem Nutzen sind. Die Erschließung (Prospektion) und Gewinnung (Förderung) der Rohstoffe aus den Lagerstätten sind Tätigkeitsbereiche des Bergbaus und der bergbaunahen Betriebe, wobei hierzu auch die Aufbereitung bestimmter Rohstoffe wie Kohle, Erze, Erdöl, Salze,Gesteine und Erden gehören.
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Seitenzahl: 472
Ähnliche
INHALTSVERZEICHNIS
Vorwort
G
RUNDLAGEN
DER
G
EOLOGIE
Allgemeines
Erdgeschichtliche Untergliederung
2.1 Das Erdaltertum (Paläozoikum)
2.2 Das Erdmittelalter (Mesozoikum)
2.3 Die Erdneuzeit (Känozoikum)
Aufbau des Erdkörpers
3.1 Die Erdkruste
3.1.1 Exogene (äußere) Kräfte
3.1.2 Endogene (innere) Kräfte
Die Festgesteine
4.1 Tiefen- und Ganggesteine
4.2 Ergussgesteine oder Vulkanite
4.2.1 Wichtige Vulkangesteine
4.3 Die Schichtgesteine
4.3.1 Allgemeines
4.3.2 Mechanische Schichtgesteine
4.3.3 Verfestigte Trümmergesteine
4.3.4 Verschiedene Trümmergesteine
4.3.5 Chemische Schichtgesteine
4.3.6 Organische Schichtgesteine
4.3.7 Umwandlungsgesteine
4.4 Gesteinsbildende Mineralien
4.5 Schlussbetrachtung
4.6 Lagerungsformen
4.6.1 Lagerungsformen der Erstarrungsgesteine
4.6.2 Lagerungsformen der Schichtgesteine (Sedimente)
4.6.3 Schichtenbiegungen (Falten)
4.6.4 Schichtenzerreißungen (Verwerfungen)
4.7 Zusammenfassung
Die Böden (Lockergesteine)
5.1 Allgemeines
5.2 Einteilung der Böden
Grundwasser und Quellen
6.1 Der Wasserkreislauf
6.2 Das Grundwasser
6.2.1 Grundbegriffe der Hydrologie
6.3 Die Quellen
6.3.1 Allgemeines
M
INERALE
Allgemeines
Entstehung
2.1 Physikalische Eigenschaften
2.2 Magnetische Eigenschaften
2.3 Elektrische Eigenschaften
2.4 Die wichtigsten Minerale
2.4.1 Metalle
2.4.2 Metalloide und Nichtmetalle
2.4.3 Sulfide
2.4.4 Haloidsalze
2.4.5 Salze der sauerstoffhaltigen Säuren
2.4.6 Einige Erläuterungen zu den Edelsteinen
C L
AGERSTÄTTEN
Allgemeines
Einteilung der Lagerstätten
2.1 Gliederung. nach Inhalt und Entstehung
2.2 Kennzeichnung nach der äußeren Form
2.3 Schlussbetrachtung
Die deutschen Lagerstätten
3.1 Der Torf
3.1.1 Entstehung
3.1.2 Vorräte
3.2 Die Braunkohle
3.2.1 Entstehung
3.2.2 Vorräte
3.3 Die Steinkohle
3.3.1 Entstehung
3.3.2 Steinkohlenvorräte
3.4 Salz und Kali
3.4.1 Entstehung
3.4.2 Der Mensch und das Salz
3.4.3 Entwicklung und Vorräte
3.4.4 Die Salzbergwerke und Salinen in Deutschland
3.4.5 Kalibergwerke in Deutschland
3.4.6 Näheres zu den genannten Salzstandorten
3.5 Erdöl und Erdgas
3.5.1 Entstehung
3.5.2 Muttergesteine
3.5.3 Biogene Gase
3.5.4 Gas aus Kohle
3.5.5 Wanderung der Kohlenwasserstoffe
3.5.6 Strukturen
3.5.7 Lagerstättenbildung
3.5.8 Tiefenlage der Lagerstätten
3.5.9 Unerwünschte Begleiter
3.5.10 Salzstöcke
3.5.11 Erdöl und Erdgas in Deutschland
3.5.12 Deutsche Erdgasprovinzen
3.5.13 Erdöl und Erdgas in der Nordsee
3.6 Gesteine, Minerale und Erden
3.6.1 Allgemeines
3.6.2 Gesteine
3.6.3 Nutzbare Erden
E
RKUNDUNGSARBEITEN
(E
XPLORATION
)
Allgemeines
Aufgaben der Bodenerkundung
Umfang der Bodenuntersuchungen
Einfache Verfahren der Bodenerkundung
4.1 Allgemeines
4.2 Geologische Karten
4.3 Auskünfte von Nachbarn
4.4 Boden- und Wasserverhältnisse anzeigende Pflanzen
4.4.1 Allgemeines
4.4.2 Wasseranzeigende Pflanzen
4.4.3 Pflanzen, die Bodenarten anzeigen
4.4.4 Zusammenfassung
4.4.5 Rutengänger
4.4.6 Schürfgruben
4.4.7 Handbohrer und Schlitzsonden
Weiterführende Bodenuntersuchungen
5.1 Bohrungen
5.1.1 Spülbohrungen
5.1.1.1 Kernbohrungen
5.1.1.2 Seilkernbohrtechnik
5.2 Bohrgeräte
Sondierungen
6.1 Allgemeines
6.2 Rammsondierungen
6.3 Drucksondierungen
Explorationsbohrungen
7.1 Vorbemerkungen
7.2 Klassifikation der Erdöl- und Erdgasbohrungen
7.3 Bohraktivitäten
7.3.1 Untersuchungsbohrungen
7.4 Aufschluss- und Teilfeldsuchbohrungen
7.5 Erdgas- und Erdölspeicher
Geowissenschaftliche Untersuchungen
8.1 Vorbemerkungen
8.2 Seismische Untersuchungen
8.3 Erdmagnetische Messungen
8.4 Gravimetrische Verfahren (Schweremessungen)
8.5 Geologische Auswertung
8.6 Auswertung der Messergebnisse
Exploration in den Steinkohlenlagerstätten
9.1 Vorbemerkungen
9.2 Exploration
9.3 Exploration über Tage
9.4 Bohrexploration
9.5 Exploration unter Tage
9.6 Sondervermessungen
9.7 Stereo Photogrammetrie
9.8 Bohrexploration
9.9 Bohrtechnik
9.10 Horizontalbohrtechnik im Gestein
9.11 Horizontalbohrtechnik in der Kohle
9.12 Vertikalbohrtechnik
9.13 Seismik
9.14 Flözwellenseismik
9.15 Zusammenfassung
Bohrtechnik
Allgemeines
Arten von Bohrungen
2.1 Bohrungen auf Erdöl und Erdgas
2.2 Bohrungen in der Bauindustrie
2.3 Bohrungen im Bergbau, Tunnel- und Stollenbau
2.4 Bohrungen für Bergbau, Kalk- und Zementindustrie
2.5 Bohrungen für die Wasserversorgung, Brunnenbau
2.6 Bohrungen für Entsorgung von Abfällen und Altlasten
Tiefbohrungen im Off- und Onshorebereich
3.1 Rotary-Bohrverfahren (direktes Bohrverfahren)
3.1.1 Top-drive-Verfahren
3.1.2 Die Bohrwerkzeuge
3.1.3 Muti-Frac-Verfahren
3.1.4 Intelligentes Bohren
3.1.5 Spezielle Bohrtechniken
3.1.6 Sicherung des Bohrlochs
3.1.7 Feldesentwicklung
3.1.8 Meißelantriebe
3.1.9 Vorort-Antrieb
3.1.10 Bohrkosten
3.2 Weitere Tiefbohrverfahren
3.2.1 Counterflush-Bohrsystem (indirektes Verfahren)
3.2.2 Lufthebe-Bohrverfahren (indirektes Verfahren)
3.2.3 Strahlsaug-Bohrverfahren (indirektes Verfahren)
3.2.4 Saugbohrverfahren (indirektes Verfahren)
3.2.5 Bohrlochsicherung
3.2.6 Neue Verfahren in der Bohrtechnik
Zusammenfassung
Gewinnung der Bodenschätze
Allgemeines
Gewinnung von Festgesteinen
2.1 Vorbemerkung
2.2 Erkundung
2.3 Aufschluss
2.4 Besonderheiten
2.5 Abbautechnik
2.6 Bohrtechnik
2.7 Gerätebeispiele
2.8 Sprengtechniken
2.8.1 Kesselsprengungen
2.8.2 Lassensprengungen
2.8.3 Schnüren
2.8.4 Knäppersprengung
2.8.5 Gefährdung durch Steinflug
2.8.6 Mischladetechnologie
2.9 Laden und transportieren
2.10 Einige Beispiele von Hartgestein- und Tonabbau
2.11 Rekultivierung und Umweltschutz
Gewinnung von Kies und Sand
3.1 Allgemeines
3.2 Gewinnungsverfahren
3.2.1 Trockengewinnung
3.2.2 Nassgewinnung Kies und Sand
3.2.3 Gerätebeispiele
3.3 Quarzsandgewinnung
3.3.1 Allgemeines
3.3.2 Nassabbau
3.3.3 Rekultivierung
3.3.4 Trockenabbau
Torfgewinnung
4.1 Allgemeines
4.2 Historischer Rückblick
4.3 Wirtschaftliche Bedeutung
4.4 Verwendung heute
4.5 Kultursubstrat
Braunkohle
5.1 Allgemeines
5.2 Rheinisches Braunkohlenrevier
5.2.1 Allgemeines
5.2.2 Grundsätzliches zum Abbau
5.2.3 Wasserhaltungen
5.2.4 Tagebau Garzweiler
5.2.5 Tagebau Hambach
5.2.6 Tagebau Inden
5.2.7 Die Kraftwerke der RWE Power
5.2.8 Rekultivierung
5.2.8.1 Allgemeines
5.2.8.2 Gesetzliche Regelungen
5.2.8.3 Landwirtschaftliche Rekultivierung
5.2.8.4 Forstliche Rekultivierungen
5.2.8.5 Ökologie
5.3 Lausitzer Braunkohlenrevier
5.3.1 Allgemeines
5.3.2 Tagebau Wetzlow-Süd
5.3.3 Tagebau Nochten
5.3.4 Tagebaue Jänschwalde und Cottbus-Nord
5.3.5 Die Kraftwerke
5.3.6 Rekultivierung
Steinkohle
6.1 Allgemeines
6.2 Vorkommen und Entwicklung
6.3 Vorplanung
6.4 Aus- und Vorrichtung
6.5 Das Füllort und Strecken
6.6 Streckenvortriebe
6.7 Die Gewinnung
6.8 Transport vom Streb zum Schacht
6.9 Bewetterung und Kühlung
6.10 Hohlräume
6.11Wenn sich die Tagesoberfläche senkt
6.11.1 Allgemeines
6.11.2 Entstehung und Folgen der Bergschäden
6.12 Anthrazit Ibbenbüren
6.12.1 Allgemeines
6.12.2 Geologie und Lagerstätte
6.12.3 Gewinnung
6.12.4 Rekultivierung
6.12.5 Steinkohle-Kraftwerke
Salz und Kali
7.1 Allgemeines
7.2 Das Werra Kalirevier
7.2.1 Allgemeines
7.2.2 Die Gewinnung
7.2.3 Untertagewerkstatt
7.2.4 Bewetterung
7.3 Untertagedeponie von Abfällen
7.4 Aufbereitung und Verarbeitung
7.5 Besucherbergwerk Merkers
7.6 Umweltschutz und Rekultivierung
7.7 Das Südwestdeutsche Salzrevier
7.7.1 Allgemeines
7.7.2 Die Entdeckung des Vorkommens und der Abbau
7.7.3 Weiterverarbeitungen
7.7.4 Ein neuer Schacht wird abgeteuft
7.7.5 Abbau im Nassverfahren
7.7.6 Die alte Soleleitung
7.7.7 Natursolevorkommen Bad Reichenhall
7.7.8 Abfall- und Schadstoffentsorgung und Versatz
7.7.9 Besucherbergwerke
7.7.10 Traditionen
7.7.11 Historisches zum Salz
Erdöl und Erdgas
8.1 Allgemeines
8.2 Überwindung ungünstiger geol. Verhältnisse
8.3 Öl- und Gasreserven
8.4 Förderung
8.5 Horiontalbohrtechnik und Multi-Frac-Technik
8.6 Erdöl-Förderung
8.7 Sekundär- und Tertiärverfahren
8.8 Offshore-Förderung in der Nordsee
8.9 Erdölförderung im Wattenmeer
8.10 Erdöl-Aufbereitung
8.11 Exploration und Produktion 2007
8.12 Kurzfassung
8.13 Einleitung
8.14 Bohrtätigkeit
8.15 Explorationsbohrungen
8.16 Aufschlussbohrungen
8.17 Teilfeldsuchbohrungen im Gebiet Elbe-Weser
8.18 Feldesentwicklungsbohrungen
8.19 Bohrmeter
8.20 Aktuelle Kennzahlen der Erdöl- und Erdgasförderung
8.21 Erdgasspeicher
8.21.1 Allgemeines
8.21.2 Grundzüge der Untertage-Gasspeicherung
8.21.3 Lage und Kenndaten der Erdgas und Erdölspeicher
8.21.4 Speicher aus der Solegewinnung
8.21.5 Rekultivierung
8.21.6 Historik der Öl- und Gasgewinnung in Deutschland
G
EOTHERMIE
Allgemeines
Geothermiequellen
2.1 Allgemeines
2.2 Niedertemperatur-Geothermiequellen
2.3 Mitteltemperatur-Geothermiequellen
2.4 Hochtemperatur-Geothermiequellen
Gewinnungsarten
3.1 Erdwärmesonden
3.1.1 Allgemeine
3.1.2 Systembeschreibungen
3.1.3 Funktion einer erdgekoppelten Wärmepumpe
3.1.4 Erdwärmesonden-Felder
3.2 Bohr- und Einbautechnik für Erdwärmesonden
3.2.1 Allgemeines
3.2.2 Bohrverfahren
3.2.3 Einbau der Sondenrohre
3.2.4 Verpressung der Sondenbohrung
3.2.5 Bohrdurchmesser und Sondenrohre
3.2.6 Bohrrohre, Innengestänge und Bohrköpfe
3.2.7 Auswahl der Bohranlage
3.3 Erdberührte Bauteile
3.3.1 Allgemeines
3.3.2 Energiepfähle
3.3.3 Energie-Spiralkörbe
3.3.4 Erdwärmekörbe
3.3.5 Erdwärmekollektoren
3.4 Neuere Entwicklungen
3.5 Energie aus dem Grundwasser
3.5.1 Voraussetzungen
3.5.2 Lage der Brunnen
3.6 Saisonale Wärmespeicher
3.7 Erdwärmegewinnung aus Tunneln und Bergbauanlagen
Genehmigungsverfahren
4.1 Gesetzliche Grundlagen
Zusammenfassung
W
ASSER
– W
ALD
– B
ODEN
Allgemeines
Das Wasser
2.1 Allgemeines
2.2 Wasserverbrauch
2.3 Wasserversorgung
2.3.1 Trinkwasserspeicher Europa
2.3.2 Einzugsgebiet
2.3.3 Wasserinhalt
2.3.4 Trinkwasser aus dem Bodensee
2.3.5 Durchfluss
2.3.6 Schichtung
2.3.7 Die Wassergewinnung
2.3.8 Die Wasseraufbereitung
2.3.9 Die Wasserverteilung
2.3.10 Die Wasserqualität
2.3.11 Das Pfahldorf am Bodensee
2.4 Wasservorräte bzw. -speicher in Deutschland
2.5 Flüsse und Kanäle
2.6 Derzeitige Entwicklung
Der Wald
3.1 Allgemeines
3.2 Die Bedeutung des Waldes
3.3 Waldboden filtert und reinigt das Wasser
3.4 Der Wald trägt wesentlich zum Landschaftsbild bei
Der Boden
4.1 Allgemeines
4.2 Entstehung und Entwicklung von Böden
4.3 Bedeutung des Humus
4.4 Schadstoffe im Boden
4.4.1 Schwermetalle
4.4.2 Organische Schadstoffe
4.5 Bodennutzung
4.6 Schlusswort
CO
2
-S
PEICHERUNG
CCS – Was ist das?
Wo wird das Verfahren angewandt?
Wie gefährlich ist CO
2
?
Die CO
2
-Speicherung
Speicherungsforschung in Deutschland
Beispiel aus Norwegen
ERG-Pilotprojekt Altmark
Weitere Forschungen und Entwicklungen
8.1 Postcombustion – Rauchgaswäsche
8.2 Precombustion – Kohlevergasung
8.3 Oxyfuel-Verfahren
Die Rolle der Politik
R
ESÜMEE
Allgemeine Situation
Preis-Situation Kohle und Erz
Rohstoffsituation und Vorräte
Schlussfolgerung aus der Sicht des Autors
Literaturverzeichnis
Quellenverzeichnis
Hinweis zum Inhalt
Vorwort
Die Bodenschätze unserer Mutter Erde sind natürliche Anreicherungen nutzbarer Rohstoffe, die als ober- und unterirdische Lagerstätten in der Erdkruste vorkommen. Sie sind Ausgangsstoffe für einen weiteren Verarbeitungsprozess. Die Gewinnung bzw. der Abbau erfolgt, wenn sie von volkswirtschaftlichem Nutzen sind. Die Erschließung (Prospektion) und Gewinnung (Förderung) der Rohstoffe aus den Lagerstätten sind Tätigkeitsbereiche des Bergbaus und der bergbaunahen Betriebe, wobei hierzu auch die Aufbereitung bestimmter Rohstoffe wie Kohle, Erze, Erdöl, Salze, Gesteine und Erden gehören. Der Abbau erfolgt
bei ob erflächennahen Lagerstätten im Tagebau
und
bei tiefer liegenden im Untertagebau.
Neben den Grundlagen der Geologie und Mineralogie wird die Erkundung (Exploration) und Förderung bzw. Gewinnung der Bodenschätze ausführlich beschrieben. Weitere Themen sind die Bohrtechnik, die Geothermie, der Bereich Wasser-Wald-Boden und die Speicherung von CO2 im Untergrund.
Die Bodenschätze und damit der Bergbau haben nicht mehr die wirtschaftliche Bedeutung in Deutschland als Basis für ein Industrieland. Bei vielen Rohstoffen hat Deutschland die Förderung – insbesondere von Erzen – aus wirtschaftlichen Gründen eingestellt, obwohl z. T. noch große Vorkommen vorhanden sind. Hier sind wir inzwischen vollkommen auf Importe angewiesen. Dazu gehören insbesondere die Erze und mit der Steinkohle ist ähnliches geplant. Die Förderung soll hier 2018 ebenfalls gänzlich eingestellt werden.
Trotz etwas sinkender Fördermengen ist Deutschland mit Abstand weltweit der größte Produzent von Braunkohle mit modernster Abbautechnik und modernen Kraftwerken.
Die Stromproduktion aus Braunkohle deckt einen wesentlichen Teil des Gesamtbedarfs. Große Anstrengungen werden hier in Hinblick auf die Rekultivierung gemacht. Besonders in den deutschen Braunkohlerevieren besteht erheblicher Nachholbedarf durch den Raubbau des ehemaligen Regimes.
Bei Kalisalz und sonstigen Salzen – dem weißen Gold – stehen wir an dritter Stelle in der Weltproduktion.
Anders verhält es sich bei der Steinkohle, die sich in älteren geologischen Schichten befindet und aus Tiefen bis 1.500 m gefördert werden muss. Trotz ständig steigender Förderleistung und einer der modernsten Anwendungstechniken der Welt, konnten die Produktionskosten nicht auf das Niveau der Kosten auf dem Weltmarkt gebracht werden. Wegen der hohen Staatssubventionen wurden laufend modernste Förderzechen nicht nachvollziehbar geschlossen. Die wirtschaftliche Bedeutung der vorhandenen Bodenschätze hängt jedoch nicht nur von Massenproduktionen ab. Deutschland ist bei vielen Rohstoffen vom Import unabhängig. Hierzu gehören die Steine und Erden (Quarzsand, Kies, Basalt, Sandstein, Kalkstein und Ton). Über 7.66 Mio. Tonnen Quarzsand werden z. B. jährlich exportiert und sind somit an der Exportleistung Deutschlands maßgeblich beteiligt.
Eine Besonderheit sei hierzu erwähnt. Es ist das Bergwerk der „Staatlichen Porzellan-Manufaktur Meißen“ in Seilitz. Das kleinstes Bergwerk Deutschlands und die älteste noch in Betrieb stehende Untertage-Kaolingrube in Europa ist von großer Bedeutung für die regionale Wirtschaft. Im engeren Sinne bietet die Grube heute Arbeit für drei Bergleute, im weiteren Sinne jedoch für etwa 900 Meißener Manufakturisten in der „Staatlichen Porzellan-Manufaktur Meißen“, in der das weltberühmte „Meißener Porzellan“ hergestellt wird. Hier zeigt sich, dass es nicht unbedingt große Massenproduktionen sind, die die Bodenschätze Deutschlands ausmachen.
Die großen Tuffvorkommen in der Eifel erlauben eine umfangreiche Bausteinindustrie und sichern viele Arbeitsplätze.
Im Westerwald prägen die Ton-Kaolinvorkommen eine ganze Region, das Kannebäcker Land. Durch modernste Bohr- und Fördertechnik wird versucht, den Anteil der Gewinnung von Rohöl und Gas in Deutschland zu steigern. Die deutsche Gasförderung deckt z. B. mit 20 % des Gesamtverbrauchs.
Die rohstoffgewinnenden Unternehmen sichern etwa 220.000 Beschäftigte direkt sowie 500.000 indirekt ihren Arbeitsplatz.
Zu den Bodenschätzen müssen auch die fruchtbaren Böden gezählt werden, die eine umfangreiche Landwirtschaft und weltbekannte Weinproduktion ermöglichen.
Die großen Waldgebiete liefern nicht nur Holz, sondern speichern und filtern auch das Wasser. Deutschland verfügt über etwa 400 Stauseen. Insgesamt 13 natürliche Seen haben eine Fläche von etwa 1100 km2. Von großer Bedeutung ist dabei der Bodensee (das „Badische Meer“) mit einer Fläche von 535,9 km2und einer jährlichen Trinkwasserleistung von 130 Mio. m3.
Für die Untertage-Speicherung von CO2 laufen mehrere Pilotprogramme, die wesentlich zur CO2-Austoßminderung im Kraftwerkbereich beitragen werden. Diese Technik und neue Kraftwerksentwicklungen mit wesentlich geringeren CO -Belastungen der Umwelt sind ebenfalls Teil des Buches.
Deutschland darf sich glücklich schätzen, über so vielseitige Ressourcen zu verfügen, wodurch viele kleine und mittelständige Betriebe vom Export unabhängig produzieren können. Ohne seine Bodenschätze wäre Deutschland nie zu dem Industrieland geworden, das wir kennen. Der Zweck des Buches ist, auf die einzelnen Bodenschätze näher einzugehen. Es soll Schülern der fortbildenden und berufsbegleitenden Schulen, Berufsschulen und Studenten der Fachrichtungen Geo- und Naturkundetechnik eine Studienhilfe sein.
Den Bewohnern unseres schönen Landes soll dieses Buch aber auch näher bringen, wie aufwendig die Gewinnung der Bodenschätze ist und wie wichtig Wasser, Wald und Boden sind. Es soll aber auch zeigen, welch gewaltige Aufwendungen für die Rekultivierung der Abbauflächen gemacht werden, um die Schäden des Abbaus zu minimieren.
Ein Wort zum Schluss: Bekannte und Freunde, mit denen ich über mein Buchprojekt gesprochen habe, stellten mir die Frage: „Haben wir den überhaupt Bodenschätze in Deutschland?“ Viele Mitmenschen verstehen leider unter Bodenschätze nur Gold, Silber und Edelsteine.
Der Chemiker Justus von Liebig hat den folgenden Satz geprägt:
„Unter allen Edelsteinen ist Salz der kostbarste.“
Murrhardt im Juli 2015
Heinrich Otto Buja
A Grundlagen der Geologie
1 Allgemeines
Wie die Geschichte aller Völker und Zeiten lehrt, hängt die Entwicklung eines Volkes, sein wirtschaftliches Leben sowie sein geistiger und kultureller Aufstieg weitgehend von der Beschaffenheit des Bodens, insbesondere den Mineralvorkommen und den Energiequellen seines Landes, ab. Auf dem Boden wachsen die für seine Ernährung und das Leben notwendigen land- und forstwirtschaftlichen Erzeugnisse. Die Gesteinsablagerungen bergen die für die Volkswirtschaft wertvollen mineralischen Rohstoffe, wie Brennstoffe, Salze und Erze. Die Erdkruste selbst baut sich aus verschiedenartigen Gesteinen auf, die Bau- und Industriezwecken dienen. In ihren Schichten fließt das zur Erhaltung des Lebens unentbehrliche Grundwasser. Auch die für die Gesunderhaltung so wichtigen Heilquellen und Mineralwässer entspringen dem Boden. Schon daraus geht hervor, welche Bedeutung eine genaue Kenntnis des Erdbodens und zwar seiner äußeren Oberflächenformen, seiner gesteinsmäßigen Zusammensetzung, seines inneren Aufbaus, seiner Mineralvorkommen und ihrer Bildungsgeschichte besitzt. Von ganz besonderem Wert sind diese Kenntnisse für den Bauingenieur, dessen Aufgabe es ist, auf bzw. in diesem Boden Gebäude, Verkehrswege (z. B. Gleisanlagen, Straßen, Tunnel) und Versorgungseinrichtungen (z. B. Trink- und Abwasserversorgung, Strom- u. Telefonleitungen) zu planen und zu bauen. Dieses Wissen soll die Geologie, d. h. die Lehre von der Erde im Sinne der Erforschung. der Erdgeschichte vermitteln. Genauer gesagt, ist unter Geologie die Lehre von der stofflichen Zusammensetzung, dem Aufbau und der Entwicklungsgeschichte unserer Erde sowie des Lebens auf der Erde zu verstehen.
Die Geologie1 ist zwar eine beschreibende und erklärende, letzten Endes aber eine „historische“ Wissenschaft.
In engster Verbindung mit der Geologie als Kernwissenschaft steht eine Reihe von Hilfswissenschaften, wie die Mineralogie, als Lehre von den Mineralen, d. h. den einzelnen Bausteinen der festen Erdkruste (Kohlen, Erze, Salze, Edelsteine und Bestandteile der Gesteine).
Weiterhin gehören zur Geologie die Gesteinslehre oder Petrographie2 bzw. Petrologie und Petrochemie; d. h. Lehre von den Gesteinen (am Aufbau der Erdkruste beteiligte, aus Mineralen zusammengesetzte Mineralmassen), ferner die Versteinerungslehre oder Paläontologie3, die Lehre von den pflanzlichen und tierischen Lebewesen früherer Zeiträume, und schließlich die Lagerstättenkunde als Lehre von dem Auftreten und den Entstehungsursachen der Anhäufungen nutzbarer Bodenschätze.
Für das Verständnis über Entstehung und Aufbau der Fels- und Bodenformationen ist ein kurzer Einblick in die Geologie unerlässlich. Diese Kenntnisse unterstützen nicht zuletzt die richtige Auswahl der Bohrverfahren und Werkzeuge und damit deren Effektivität.
Als Baugrund kommt dabei nur ein ganz geringer Teil der bis zu 60 km mächtigen Erdkruste in Frage. Davon sind gerade knapp 10 km durch Bohrungen oder Bergbau erschlossen. Für den Grundbau und damit den Baugrundaufschluss sind Tiefen bis zu 100 m möglich. Bedingt durch vulkanische Tätigkeiten, Verwerfungen, Faltungen usw. muss bei den Bohrarbeiten mit den unterschiedlichsten Gesteinsarten gerechnet werden. Daher ist eine kurze Betrachtung der in diesem Bereich vorkommenden Gesteine von Vorteil. Die Beschaffenheit der festen Gesteine ist durch unmittelbare Beobachtungen an der Oberfläche und in der Tiefe (Bergbau und Bohrlöcher) bekannt.
Der weitere Aufbau des Erdkörpers, insbesondere des Erdkerns, beruht auf seismologischen sowie geophysikalischen Beobachtungen und Untersuchungen, so dass die Erkenntnisse zum Teil noch als „Hypothese“ gelten müssen, kennen wir doch nicht einmal 1/1000 des Abstandes der Erdoberfläche zum Erdmittelpunkt.
Fest steht nur, dass die Wärme mit der Tiefe zunimmt, dass das Erdinnere eine hohe Wichte hat und zum Teil glutflüssig ist. Beweise für die ständige, wenn auch bisweilen unregelmäßige Zunahme der Wärme nach der Tiefe liefern uns u. a. Beobachtungen in Bohrlöchern, Bergwerken, Tunnels sowie heiße Quellen und die Vulkanausbrüche.
Aus entsprechenden Messungen in Mitteleuropa ergibt sich, dass hier im Allgemeinen eine Temperaturerhöhung von 1 °C auf je 30 m Tiefenzunahme eintritt (gegenüber um etwa 1 °C auf 50 - 120 m Tiefenzunahme z. B. auf dem amerikanischen Kontinent). Die „geothermische Tiefenstufe“ ist aber durchaus nicht überall gleich.
Beachtlich ist, dass sich in etwa 25 m Teufe um die ganze Erde eine neutrale Zone (mit gleich bleibender Temperatur von + 9 °C) hinzieht. Die erheblichen Schwankungen der Außentemperatur im Sommer und Winter reichen nicht bis zu dieser Zone, sondern halten sich im Gleichgewicht. Erst von hier ab kann man von der absoluten Gebirgstemperatur sprechen, die durch die geothermische Tiefenstufe bestimmt wird.
Deutschlands tiefste Bohrung, die so genannte „Kontinentaltiefbohrung“ in der Oberpfalz, musste bei 9101 m aufgegeben werden, da die plastische Zone erreicht wurde. Die tiefste Bohrung ist zurzeit noch eine Ölbohrung in Oklahoma, USA, mit 9558 m Endtiefe.
Die „Allgemeine Geologie“ untersucht den stofflichen Aufbau und die Struktur der Erde, die geologischen Kräfte, Prozesse und Phänomene sowie die dahinter stehenden Gesetzmäßigkeiten. Sie unterscheidet dabei zwischen exogenen und endogenen Kräften.
Mit den Platten und ihren Bewegungen befasst sich die Plattentektonik.
Gewissermaßen als Weiterentwicklung der „theoretischen Geologie“, die sich mit der Entstehung der Erde befasst, hat im Laufe der Zeit die „praktische Geologie“, zu der auch die „Ingenieurgeologie“ gehört und die u. a. auch für den Bereich der Bauwirtschaft maßgebend ist, an Bedeutung zugenommen. Man versteht darunter den Zweig der Geologie, der sich auf die Bedürfnisse des praktischen Lebens erstreckt.
Hierzu gehört die Beschaffenheit der Erdkruste für die Sonderzwecke der Technik und Wirtschaft (Lagerstättenkunde, Grundwasserverhältnisse, Bauwesen, Wasserwirtschaft usw.). Sie liefert für den Bereich der Bauindustrie sowie den planenden und berechnenden Ingenieuren die notwendigen Grundlagen und Parameter.
2 Erdgeschichtliche Untergliederung
2.1 Das Erdaltertum (Paläozoikum)
Vor 530 bis 245 Millionen Jahren.
Abb. A-1: Steinkohlenwald des Karbons [RWE Power]
2.2 Das Erdmittelalter (Mesozoikum)
Vor 245 bis 65 Millionen Jahren. „Zeitalter der Dinosaurier“
Abb. A-2: Dinosaurier des Erdmittelalters [V]
2.3 Die Erdneuzeit (Känozoikum)
Vor 65 Millionen Jahren bis heute
Abb. A-3: Tiere der Eiszeit (Mammut)
Folgende Seiten:
Tafel 1-A: Erdgeschichtliche Untergliederung nach „Dachroth“ Teil 1
Tafel 2-A: Erdgeschichtliche Untergliederung nach „Dachroth“ Teil 2
3 Aufbau des Erdkörpers
Aufgrund der vorgenannten Feststellungen und Annahmen kam man zu einer Einteilung des gesamten Erdkörpers in vier Kugelschalenzonen. (Abb. A-4).
a) Erdkruste, etwa 29 bis 56 km mächtig, aus sauren und basischen Gesteinen mit einer mittleren Wichte von etwa 26 bis 30 kN/m3.
b) Erdmantel, etwa 1200 km mächtig, aus den kieselsauren Verbindungen der Leicht- und Schwermetalle mit einer mittleren Wichte von etwa 34 kN/m3.
c) Zwischenschicht (Chalkossphäre4), etwa 1700 km mächtig, aus verschiedenen Eisenverbindungen mit einer mittleren Wichte von 64 kN/m3.
d) Eisen-Nickel-Kern (Barysphäre5), etwa 3500 km mächtig, vorwiegend aus Eisen (etwa 90 %) sowie Nickel, Platin, Gold und anderen Bestandteilen. Die mittlere Wichte wird mit 90 bis 100 kN/m3 angenommen.
3.1 Die Erdkruste
Aufbau und Form der Erdkruste werden bestimmt durch exogene (äußere) und endogene (innere) Kräfte.
3.1.1 Exogene (äußere) Kräfte
Exogene Kräfte wirken von außen; dazu gehören Luft (Wind), Wasser, Eis, die Sonneneinstrahlung. Exogene Vorgänge sind u. a. Erosion, Verwitterung und Sedimentation; sie sind maßgebend für die Entstehung der Böden.
Die an einer Freilegung der Festlandsoberfläche durch Verwitterung bzw. flächenhafte Erniedrigung der Geländeformen beteiligten Abtragungskräfte werden unter dem Begriff der Denudation zusammengefasst. Ihr Endziel ist die Einebnung von Hochflächen zu Rumpfflächen. Sie erfolgt durch die zwar langsam, aber pausenlos fortschreitende Ausräumung und Wegführung des verwitterten Gebirgsschuttes durch Regen, Eis und Wind (Erosion).
Durch die Erosion werden Gesteine und Minerale der Erdoberfläche, besonders die durch Verwitterung entstandenen Lockermassen und Böden, abgetragen und in ein tieferes Niveau verfrachtet. Unterschieden wird Erosion durch fließendes Wasser, durch Gletscher (Exaration6, durch Wind (Deflation, Ablation) und durch die Brandung an Meeresküsten (Abrasion).
Die Erosion hat die Tendenz – im Gegenspiel mit den erdinneren Kräften – die Relief- und Niveauunterschiede der Erdoberfläche auszugleichen und Gefälle zu verflachen (Abb. A-5).
Abb. A-5: Durch Sandschliff (Deflation) entstandene Gesteinsreliefs [V]
Neben der abblasenden und transportierenden Tätigkeit (z. B. Dünen) leistet der Wind auch noch eine ausnagende Arbeit (Deflation, Ablation). Er greift den durch die Wirkung der Sonnenbestrahlung zermürbten Felsen durch den ständigen Anprall der von Wind bewegten Sandkörnchen (gleichsam wie ein Sandstrahlgebläse) mehr oder weniger stark an und schleift ihn dabei ab.
Auf diese Weise entstehen ausgeprägte Gesteinsreliefs, besonders, wenn härtere und weichere Gesteinsbänke miteinander wechsellagern.
Die Meeresbrandung (Abrasion) hat einen wesentlichen Einfluss auf die Gestaltung der Küste und anschließender Landgebiete. Hierbei wirkt sowohl die Kraft der Meereswogen als auch der Angriff der der Küste vorgelagerten und durch die Wellen bewegten Gesteinstrümmer auf diese ein.
Die Wirkung des Meeres setzt vielfach mit der Herausbildung einer Brandungshohlkehle (Abb. A-6a) ein. Je nach der Beschaffenheit des Gesteins kommt es dabei nicht selten zu merkwürdigen Bildungen wie Felsentore (Abb. A-6b), Grotten, Felsnadeln u. a. Im Laufe der Zeit kann die gesamte Steilküste landeinwärts rücken. Gleichzeitige Senkung des Landes unter den Meeresspiegel beschleunigt diese Vorgänge.
Eindrucksvoll ist die Arbeit von fließendem Wasser, die unter anderem zu sonderbaren Erscheinungen führt. So hat das Wasser Am Ritten bei Bozen Erdpfeiler „Erdpyramiden“ herausgewaschen (Abb. A-7).
Abb. A-6a: Durch Abrasion (Einfluss der Meeresbrandung) entstandene Gesteinsreliefs
Abb. A-6b: Durch Abrasion entstandene Hohlkehle
Abb. A-7: Erdpyramiden bei Bozen [V]
3.1.2 Endogene (innere) Kräfte
Endogene Kräfte wirken aus dem Erdinneren. Sie gehen auf thermische Energie zurück, denn die Erde wird durch radioaktiven Zerfall aufgeheizt, und sie enthält Restwärme ihres ehemals glutflüssigen Urzustandes. Wärmeunterschiede bewirken Dichteunterschiede. Diese versuchen sich durch Bewegung auszugleichen. Die dadurch hervorgerufenen Kräfte sind für Plattenbewegungen, Vulkanismus und Platonismus, für Erdbeben sowie Hebungen und Senkungen der Erdkruste verantwortlich.
Die Tektonik untersucht speziell die Strukturen, Deformationen und Störungen der Erdkruste (z. B. Schichten, Falten, Verwerfungen). Mit den Platten und ihren Bewegungen befasst sich die Plattentektonik.
Die Vulkane sind eine Landschaftsform, die auf dem Festland oder auf dem Meeresboden durch vulkanische Aktivitäten, insbesondere durch die Förderung von Lava, vulkanischen Lockermassen und Gasen entstanden ist. Das Magma dringt aus dem Erdinneren durch einen oder mehrere Schlote oder durch Spalten an die Erdoberfläche. Aus der erstarrten Lava und dem vulkanischen Lockermaterial (Vulkanite) baut sich der flache, deckenförmige oder kegelförmige Vulkan auf (Abb. A-10). Je nach der Zusammensetzung der Lava kann diese relativ ruhig ausfließen oder aber explosionsartig ausbrechen.
Am Ort der Eruption bildet sich meist ein Krater (Abb. A-8), der vielfach als Kratersee (Maar) ausgebildet ist (Abb. A- 9).
Nach Form und Aufbau des Vulkans werden u.
a. unterschieden in Schildvulkan, Schichtvulkan und Stratovulkan. Die Zahl der heute oder in historischer Zeit aktiven Vulkane wird auf etwa 500 geschätzt, wobei untermeerische Vulkane oder gletscherbedeckte Vulkane nicht berücksichtigt sind. Vulkane sind besonders zahlreich an den aktiven Rändern von Platten.
Abb. A-8: Schematische Darstellung eines Vulkans [V]
Abb. A-9: Schematischer Querschnitt durch ein Maar der Eifel [V]
Für die weiteren Betrachtungen wollen wir uns nur mit der Erdkruste befassen. Diese besteht aus den zwei Gesteinsarten-Hauptgruppen, und zwar:
Festgesteine und Lockergesteine
4 Die Festgesteine
Die Festgesteine werden unterteilt in:
Erstarrungsgesteine oder Eruptivgesteine
Kristalline Schiefer oder metamorphe Gesteine
Schichtgesteine oder Sedimentgesteine
Die Erstarrungsgesteine lassen sich weiter unterteilen in die
Tiefen- und Ganggesteine (hierzu gehören: Granit, Gabbro, Diorit)
Ergussgesteine (hierzu gehören: Quarz, Basalt, Diabas)
Kristalliner Schiefe (hierzu gehören: Gneis, Glimmerschiefer)
Schichtgesteine.
Abb. A-10: Verschiedenartige Gesteinsablagerungen der Erstarrungsgesteine im Hinblick auf ihre Entstehung [V]
4.1 Tiefen- und Ganggesteine
Bei den Tiefen- und Ganggesteinen handelt es sich um Erstarrungsgesteine, die aus der Erdtiefe in Form lavaartiger Gesteinsschmelzen von hoher Temperatur unter Luftabschluss erkaltet und erstarrt sind. Vielfach ist das begrenzende Kontaktgestein durch die Hitzewirkung verändert. Zu den wichtigsten Vertretern gehören Granit (Abb. A-11), Syenit, Diorit, Gabbro, Diabas, Quarzporphyr und Piridoit.
Hiervon ist der Granit wohl der bekannteste und am weitesten verbreitete Vertreter. Er hat ein sehr feines Gefüge und besteht vorwiegend aus Feldspat, Quarz und Glimmer. Kennzeichnend für den Granit ist seine besonderen Gesetzen unterworfene Teilbarkeit und Klüftung. Er bildet den Kern vieler deutscher Mittelgebirge und der Alpen.
Abb. A-11: Beispiel für Granit mit deutlich großen Feldspatanteilen [V]
4.2 Ergussgesteine oder Vulkanite
Die Ergussgesteine stellen aus der Tiefe hochgestiegene und an der Erdoberfläche (bzw. am Meeresboden) schnell ohne Luftabschluss erstarrte Eruptivmassen dar, die meist ausgedehnte Decken bilden. Infolge des stark verminderten Druckes konnten die Gase schneller entweichen, so dass die Ausbildung der Einzelkristalle eine sehr unvollkommene war.
Abb. A-12: Vulkanische Basaltsäule in Wyoming [TMA]
Ergussgesteine und Vulkanite sind der beste Baugrund. Sie haben die größte Tragfähigkeit und geben unter den Bauwerkslasten so gut wie nicht nach. Außerdem sind sie hervorragend als Baustoff verwendbar (Straßenbau, Stützmauern usw.). Zu den Ergussgesteinen zählen ebenfalls die so genannten Tuffe. Diese sind aus lockeren Auswurfmassen (Vulkanasche) entstanden, die nach ihrem Absatz durch plötzliche Entgasung bzw. Quellung wieder zu festen Gesteinen wurden und sehr häufig geschichtet sind (Abb. A-12). Je nach Ursprungsgestein werden die Tuffe unterteilt in: Porphyr-, Diabas-, Trachyt-, Phonolith- und Basalttuffe. Große Vorkommen von Die Gesteine zeigen daher meist eine feste kristalline Grundmasse oder Einzelkristalle als Einsprenglinge. Bei noch schnellerer Erstarrung wird ihre Beschaffenheit „glasig“ oder „schaumig“. Zu den Ergussgesteinen zählen u. a. Basalt (Abb. A-12 + A-13), Quarz, Trachyt, Diabas, Porphyr, Leparit, Dolerit und Andesit.
Abb. A-13: Basaltstirnflächen [V]
Tuffen, die ebenfalls größtenteils schichtartig gelagert sind, kann man in der Eifel antreffen.
Abb. A-14: Tuffgestein (Vorkommen in der Eifel) [V]
4.2.1 Wichtige Vulkangesteine
Granit (Abb. A-11) ist ein fein- bis grobkörniges, kristallinisch gemengtes, magmatisches Gestein mit richtungslos-körniger Struktur. Es setzt sich aus Feldspat, Quarz und Glimmer sowie kleinen Anteilen weiterer Minerale wie Zirkon, Apatit, Magnetit, Ilmenit und Titanit zusammen. Er ist hell, meist grau oder leicht rötlich, und mit dunkleren Kristallen gesprenkelt. Granit ist ein Tiefengestein, das in größeren Tiefen der Erdkruste aus einem Magma erstarrt. Vom Magmaherd können Gänge ausstrahlen, in denen sich der grobkörnige Pegmatit bildet. Granit gehört zu den verbreitetsten Gesteinen der Erdkruste.
Die Dichte von Granit beträgt 2,63 bis 2,75 g/cm3. Seine Bruchfestigkeit reicht von 7 bis 30 kN/cm2. Granit hat eine höhere Festigkeit als Sandstein, Kalkstein und Marmor und ist folglich schwieriger abzubauen.
Da er äußerst widerstandsfähig gegen Witterungseinflüsse ist, dient er als vielseitiges Baumaterial, z. B. für Pflastersteine, Brückenpfeiler o. ä. Er kommt hauptsächlich in geologisch älteren Gebirgen vor, z. B. im Schwarzwald oder im Bayerischen Wald, und bildet dort das so genannte Grundgebirge.
Basalt ist das verbreitetste vulkanische Gestein. Es ist ein feinkörniges, dichtes und dunkles, graues bis schwarzes Gestein. Es enthält Feldspat, Quarz und Foide sowie Spuren von Hornblende, Pyroxene, Biotit, Olivin, Magnetit, Ilmenit und Apatit. Basalt sondert oft bei der Erstarrung der Lava schöne polyedrische (vielflächige) Säulen ab (Abb. A-12 + A-13), die senkrecht zur Abkühlungsfläche stehen. Er bildet Kuppen und mächtige Decken und Plateaus. Basalt ist ein besonders zähes und wetterfestes Gestein; es wird u. a. zu Gleisschotter und Splitt verarbeitet. Basalt kommt in Deutschland u. a. im Siebengebirge, Westerwald, Vogelsberg und in der Rhön vor.
Diorit (Abb. A-15), ein klein- bis mittelkörniges Tiefengestein von meist grauer oder dunkelgrauer Farbe, wird in Form von Nadeln oder Körnern sowie beigemengter Hornblende auch Grünstein genannt. Diorit besteht vorwiegend aus Feldspat, Quarz und geringeren Mengen Hornblende, Augit, Biotit, Titanit, Apatit, Zirkon und Granat.
Abb. A-15: Quarz-Diorit [V]
Porphyr (griechisch porphyros: purpur), ist ein Eruptivgestein, das große, gut ausgebildete, in einer feinkörnigen Masse eingebettete Kristalle besitzt, die in einer dichten, gleichartigen bis glasartigen Grundmasse abgelagert sind. Die feinkörnige Matrix nennt man Grundmasse und die größeren Kristalle Einsprenglinge. Es ist die ursprüngliche Bezeichnung für ein in Ägypten gefundenes Gestein, das markante, in eine rote oder purpurne Matrix eingelagerte Feldspatkristalle besaß.
Syenit (Abb. A-16), ein mittel- bis grobkörniges, hell- bis dunkelgraues Tiefengestein, besteht vorwiegend aus Feldspat und Hornblende. Im Unterschied zum ansonsten ähnlichen Granit enthält Syenit keinen oder nur wenig Quarz. Statt Quarz kann Syenit auch geringe Mengen an Feldspatvertretern enthalten. Nebengemengeteile sind Magnetit, Apatit, Zirkon. Syenit kommt in Deutschland im Schwarzwald und bei Dresden vor.
Diabas ist dem Diorit ähnlich, aber heller. Er besteht hauptsächlich aus Augit und Feldspat.
Abb. A-16: Beispiel für Syenit [V]
4.3 Die Schichtgesteine
4.3.1 Allgemeines
Die Schichtgesteine umfassen die Absätze zerstörter ehemaliger Ergussgesteine, kristalliner Schiefer oder älterer Sedimente vorwiegend im Wasser. Sie wurden hauptsächlich im Meerwasser der flachen Kontinentalränder (Schelfgebiete), in der Tiefsee oder in den Sammelmulden vor den Gebirgen durch Flüsse bzw. durch Schmelzwasser abgesetzt. Das besondere Kennzeichen der Schichtgesteine sind die plattenförmigen Lagen, die wie Blätter eines Buches übereinander liegen. Ungeschichtete Absätze (wie z. B. Geschiebemergel, Terrassenschotter u. a.) gehören zu den Ausnahmen. Weitere Kennzeichen sind der Mangel an kristalliner Struktur und ihre von den Ergussgesteinen nicht selten abweichende chemische Zusammensetzung.
Entsprechend der Art und Weise ihrer Entstehung können unterschieden werden:
mechanische Schichtgesteine (Sedimente)
chemische Schichtgesteine
organische Schichtgesteine
Umwandlungsgesteine
4.3.2 Mechanische Schichtgesteine
Die mechanischen Schichtgesteine sind in der Hauptsache aus den durch Verwitterung zerstörten Bruchstücken älterer Gesteine entstanden, die durch Regen, Wind, Eis oder fließendes Wasser weggeführt und abgesetzt wurden (Diagenese genannt). Sie werden auch als Trümmergesteine bezeichnet.
Die wesentlichen mechanischen Schichtgesteine sind: Sandstein, Schiefer, Schieferton bzw. Tonschiefer, Kalkstein, Marmor, Alabaster. Der Sandstein unterscheidet sich durch die Korngröße und (je nach Eisengehalt) nach der Farbe (z. B. roter Sandstein).
Auch die anderen Gesteine können je nach Zusammensetzung sehr unterschiedliche Strukturen und Farben zeigen (z. B. der Marmor).
Abb. A-17: Absatz lockerer Schichtgesteine, gesondert nach Wichte und Entfernung von der Küste [V]
Die durch fließendes Wasser in Küstennähe abgesetzten lockeren Gesteinsbrocken werden je nach ihrem Abstand von der Küste bzw. ihrer Wichte meist immer kleiner und unterliegen einer natürlichen Aufbereitung (Abb. A-17). Die vulkanischen Tuffe können aufgrund ihrer Schichtung auch als Sedimente angesehen werden.
Je nachdem, ob die Gesteinsbrocken oder Körner noch nicht miteinander verbunden oder schon wieder verfestigt sind, unterscheidet man zwischen lockeren Trümmergesteinen (die im Allgemeinen als Böden bezeichnet werden) und verfestigten Trümmergesteinen.
4.3.3 Verfestigte Trümmergesteine
Diese sind wiederverfestigte Trümmergesteine und bestehen vorwiegend aus mehr oder weniger abgerundeten Quarzkörnern mit Einzelkorngrößen von:
Sie sind durch ein toniges, dolomitisches, kieseliges oder mehr mergeliges Bindemittel verkittet. Ein von jedem Bohrmeister gefürchteter Vertreter dieser Gesteinsart ist das „Nagelfluhgestein“ der Alpenvorberge.
Sein Gefüge ähnelt dem des Betons. Bohrtechnisch lässt es sich jedoch wesentlich schlechter beherrschen als der Beton. Breccien sind ebenfalls Konglomerate, jedoch mit nicht abgerundeten, eckig-kantigen Gesteinsbruchstücken. Ebenso ist die Grauwacke, ein unvollkommen ausgearbeitetes graues Gestein mit eckigen Bruchstücken aus Gesteinen wie Feldspat, Kieselschiefer, Ton und Schiefer, zu den Konglomeraten zu zählen.
Nachfolgend einige Vertreter der verfestigten Trümmergesteine.
Es entstand aus:
Abb. A-18: Beispiel für Breccie (hier bunte Breccie) [V]
4.3.4 Verschiedene Trümmergesteine
Sandstein (Abb. A-19a) besteht aus Sandkörnchen, die durch nach Art und Menge sehr verschiedene Bindemittel zusammengekittet sind. Nach der Art der Bindemittel (Quarz, Calciumcarbonat, Eisenoxid) unterscheidet man kieselige oder Quarzsandsteine, kalkige, tonige, mergelige, eisenhaltige u. a. Sandsteine. Die Farbe hängt weitgehend von den Bindemitteln ab. Eisenoxid führt zu einer roten oder rotbraunen, andere Bindestoffe zu einer weißen, gelblichen oder grauen Farbe. Sandstein ist nicht nur ein natürlicher Speicher für Öl- und Erdgasvorkommen, sondern wird auch als Baumaterial verwendet.
Abb. A-19a: Beispiel für Buntsandstein [V]
Ein besonderes Sandsteinvorkommen befindet sich im Teutoburgerwald und zwar die Externsteine (Abb. A-19b). Bei einem Vorkommen von hartem Sandstein wurden weicheren Schichten durch Verwitterung und Deflation (Sandschliff ) zu einem einmaligen Felsmassiv geformt. Sie sind zu einer großen Touristenattraktion geworden.
Grauwacke (Abb. A-20) ist farblich bunt, vorwiegend dunkelgrau. Die Korngröße schwankt in weiten Grenzen, so dass sie auch als Bindeglied zwischen der Breccie bzw. den Konglomeraten und dem Sandstein angesehen werden kann. Das Bindemittel ist meist kieselig.
Abb. A-19b: Die Externsteine im Teutoburger Wald [V]
Schieferton (Abb. A-21) ist ein Sedimentgestein, das aus verfestigten Tonen entstanden ist, meist grau bis graublau, kann noch mit dem Messer geschnitten werden. Bei Wasseraufnahme quillt er und zerfällt beim Austrocknen blättrig. Roter, grüner und violetter Schieferton und schwach verfestigter Ton wird Tonstein oder mancherorts Letten genannt; diese Bezeichnung soll jedoch in der Bodenmechanik nicht verwendet werden. Die Korngrößen liegen unter 0,02 mm. Das Gestein enthält noch Wasser, ist aber im Unterschied zum Ton nicht mehr plastisch verformbar.
Abb. A-21: Beispiel für Schieferton [V]
Die im Meer sedimentierten Tone werden durch den Druck überlagernder Schichten verfestigt. Dabei wird das in den Poren sitzende Wasser ausgepresst und das Gestein komprimiert. Durch den Druck bilden sich manche Tonminerale um, und es entstehen zum Teil neue Tonminerale. Steigt der Druck weiter an, kann die Grenze zur Metamorphose (Umwandlung) erreicht werden; dabei entsteht Tonschiefer, der eine Mittelstellung zwischen Schichtgesteinen (Sedimenten) und Umwandlungsgesteinen (Metamorphiten) einnimmt. Bei Verfestigung des Gesteins werden die Tonminerale parallel ausgerichtet. Der Schieferton erhält dadurch ein paralleles oder plattiges Gefüge, die „Schieferung“. Berühmt ist der Schieferton für die gut abgebildeten Fossilien (Versteinerungen von Meerestieren und Pflanzen (z. B. Fische und Muscheln, Farne usw. Abb. A-22).
Abb. A-20: Beispiel für Grauwacke [V]
Abb. A-22: Fossilien aus dem Schieferton [V]
Tonschiefer (Abb. A-23) ist stärker verfestigt, hart und quillt im Wasser nicht auf, verwittert aber leicht an der Oberfläche. Tonschiefer geht durch erhöhten Druck aus einem Schieferton hervor und ist durch eine echte Schieferung geprägt. Weitere Druckerhöhung wandelt Tonschiefer zu kristallinem Schiefer um. Tonschiefer ist sehr feinkörnig und dicht, meist durch Bitumen oder Graphitschüppchen grau oder schwarz gefärbt, durch eisenhaltige Minerale auch rötlich bis braun.
Neben Tonmineralen enthält Tonschiefer Quarz und Glimmer und vor allem Muskovit, der sich aus Tonmineralen gebildet hat. Das Rheinische Schiefergebirge ist nach den hier weit verbreiteten Tonschiefern benannt. Hier wird auch, ebenso wie im Frankenwald, der sehr gleichmäßig geschieferte, gut spaltende und leicht zu verarbeitende so genannte Dachschiefer abgebaut, der aus dem Karbon stammt. Man verwendet ihn zum Dachdecken und Verkleiden von Wänden.
Abb. A-23: Beispiel für Tonschiefer [V]
Sandschiefer (streifiger Schieferton) ist eine häufig im Karbongebirge vorkommende Abwandlung des Schiefertons. Es weist eine feine Wechsellagerung von sandigen (hellen) und tonigen (dunklen) Streifen verschiedener Dicke auf. Mal überwiegen die einen, mal die anderen Streifen nach Häufigkeit und Dicke. Man wird sandstreifige Schiefertone bei Überwiegen der sandigen Streifen, tonstreifige Schiefertone bei Überwiegen der tonigen Streifen und einfach streifige Schiefertone bei ungefähr gleichem Verhältnis unterscheiden können.
Je nach der Zusammensetzung verhalten sie sich verschieden gegen Schlagen, Ritzen, Beißen, Tasten usw. Ihre Härte und technischen Eigenschaften wechseln nach dem Vorherrschen der einen oder anderen Komponente.
Sandstein (Abb. A-24 + 25) entsteht durch die Verkittung (Zementation) von lockerem Sand und hat daher die gleichen Entstehungsbedingungen wie dieser. Er besteht also aus Trümmern verwitterter und abgetragener Gesteine. Da Quarz ein relativ verwitterungsresistentes Mineral ist, welches außerdem in sehr vielen Gesteinen vorkommt, reichert es sich beim Verwitterungs- und Transportprozess stark an, während andere Mineralkörner zerfallen. Deshalb bestehen die Sandsteine ganz überwiegend aus diesem Mineral.
Abb. A-24: Oben: Sandsteinbruch bei Wehlen [V] Unten: Sandsteingeröll [Foto: N. Kaiser, Wikipedia]
Die wichtigsten Entstehungsräume für Sandsteine sind die Meere, dabei vor allem die küstennahen Flachmeere, die Schelfe. Der Sand stammt aber meist vom Festland und wird durch Flüsse und Meeresströmungen an seinen endgültigen Ablagerungsort transportiert. Es gibt aber auch zahlreiche Sandsteinvorkommen, die auf dem Festland entstanden sind.
Abb. A-25: Durch Erosion entstandene Sandsteinformation (Coyote/Arizona) [Wikipedia]
Im Meer abgelagerte Sandsteine finden sich in Deutschland zum Beispiel im Elbsandsteingebirge sowie im Zittauer Gebirge. Die in Deutschland weit verbreiteten Sandsteine des Buntsandsteins sind hingegen meist auf dem Festland abgelagert worden.
Durch den Auflastdruck der jüngeren, überlagernden Ablagerungen, durch den Druck und die natürlichen Chemikalien des Meer- oder Grundwassers und teilweise auch durch Beimischungen im Sandstein selbst kommt es zur Verfestigung (Diagenese) des Sandes.
Dieser Prozess läuft unterschiedlich schnell ab und dauert zwischen wenigen Jahrzehnten und mehreren Millionen Jahren.
4.3.5 Chemische Schichtgesteine
Zu den chemischen Schichtgesteinen gehören Salze und Kalisalze, Gips und Anhydrit, Erze,Mineralien und Kieselsteine. Auch einige Ablagerungen von Kalksteinen und Dolomiten sowie Marmor gehören dazu. Sie entstanden durch chemische Prozesse infolge von Ausfällung leicht löslicher Stoffe an Ort und Stelle aus übersättigten Lösungen bzw. durch natürliche Eindampfung. Chemische Schichtgesteine sind wesentlich seltener als mechanische Sedimente.
4.3.6 Organische Schichtgesteine
Hierzu können gezählt werden: Korallenkalke, Kieselerden, Humusgesteine (Torf, Braunkohle, Steinkohle, Anthrazit), bituminöse Gesteine (Kohlenwasserstoff, Erdöl), Phosphatgesteine (Phosphorit, Asphalt), Schreibkreide. Streng genommen sind die organischen Sedimente nicht mehr als eigentliche Absatzgesteine zu bezeichnen, da es sich bei ihnen vornehmlich um Bildungen handelt, die auf Lebenstätigkeit von Organismen zurückzuführen sind z. B.:
Der Kalkstein, ein typischer Vertreter der organischen Sedimentgesteine, besteht vorwiegend aus Calcit (Calciumcarbonat, CaCO3). Er entsteht im Meer und in geringem Umfang auch in Seen und an Quellen. Der Kalk fällt entweder direkt aus der Lösung aus oder entstammt den kalkigen Schalen und Skeletten (Abb. A-26) abgestorbener Muscheln, Schnecken, Korallen, Schwämme oder Algen. Er kann Druckfestigkeiten bis 35 kN/cm2 aufweisen und ist zum Teil reich an Fossilien.
4.3.7 Umwandlungsgesteine
Diese metamorphen7 Gesteine sind Gesteine, die infolge gewaltiger Drücke bei Gebirgsfaltungen oder hohen Temperaturen ihr Gefüge derart verändert haben, dass eine neue Gesteinsart mit kristalliner oder auch schiefriger Textur entstanden ist. Hierzu gehören auch die Kontaktzonen der Ganggesteine. Als Beispiel hierfür gilt Augengneis. So ähneln die kristallinen Schiefer den Eruptivgesteinen durch ihre Kristallinität und ihren Mineralbestand, unterscheiden sich aber von ihnen durch ihre gerichtete Textur. Von den Sedimentgesteinen sind sie durch den meist auftretenden Mangel an gut erhaltenen Versteinerungen verschieden. Die wichtigsten Vertreter der kristallinen Schiefer sind die Gneise, lagenförmige Gemenge kristallinischkörniger Gesteine, bestehend aus Quarz, Feldspat und Glimmer mit einigermaßen paralleler Textur.
Abb. A-26: Kalkstein mit Fossilien – oben: Fischsaurier – unten: Fisch [V]
Metagneise (von granitischen Lösungen durchdrungene Sedimente) und in Paragneise8 (frühere Sedimente): Dazu gehören Phyllite, feinschuppige farbige oder dunkle Gesteine mit großem Tongehalt, Glimmerschiefer und andere. In wirtschaftlicher Beziehung stehen die metamorphen Gesteine weit hinter den Eruptiv- und Sedimentgesteinen zurück.
Das Vorkommen der kristallinen Schiefer beschränkt sich aber nicht auf die Gesteine der Urzeit. Gesteine weit jüngerer Formationen können infolge starker metamorpher Veränderung kristalline Struktur zeigen, wie z. B. die fossil führenden Bündnerschiefer in den zentralen Teilen der Westalpen und anderen Orten.
4.4 Gesteinsbildende Mineralien
Die wichtigsten Mineralien für die Gesteinsbildung sind:
Feldspat
Quarz
Glimmer
Der Feldspat gehört zur Gruppe der wichtigsten, gesteinsbildenden Mineralien. Feldspäte sind Mischkristalle im Dreistoffsystem zwischen den Endgliedern Kalifeldspat (Orthoklas9), Natronfeldspat (Albit) und Kalkfeldspat (Anorthit). Feldspäte sind Hauptbestandteile vieler magmatischer und metamorpher Gesteine wie Granit, Gneis oder Basalt. Durch Verwitterung dieser Gesteine und Sedimentation in trockenen Klimaten gelangen sie auch in Sedimente. Feldspäte sind die häufigsten Minerale; sie sind zu etwa zwei Dritteln am Aufbau der kontinentalen Erdkruste beteiligt. Bei einer Härte von 6 bis 6,5 liegt die Dichte zwischen 2,5 und 2,8 g/cm3. Sie zeigen einen glasigen Glanz und variieren in ihrer Farbe von weiß oder farblos bis hin zu verschiedenen rosafarbenen, gelben, grünen und roten Schattierungen. Feldspäte verwittern leicht, dabei entstehen unter anderem Tone und Kaolinit. Diese Verwitterungsprodukte sind wichtige Komponenten bei der Bodenbildung.
Der Quarz (Abb.A-27) ist ebenfalls eine gesteinsbildende Mineralgruppe verschiedener Modifikationen der Kieselsäure oder des Siliciumdioxids, SiO2. Die wichtigste Modifikation, der so genannte Tiefquarz, ist nach Feldspat das zweithäufigste Mineral der oberen Erdkruste. Quarz tritt gesteinsbildend in Magmatiten, Sedimentgesteinen und Metamorphiten auf.
Quarz besitzt eine Härte von 7 und eine Dichte von 2,65 g/cm3. Quarzkristalle können glasig oder speckig glänzen. In reiner Form sind sie farblos und durchsichtig, meist jedoch durch
Abb. A-27: Reiner Quarz [V]
Beimengungen milchig getrübt, weiß oder verschieden gefärbt.
Der Milchquarz etwa verdankt seine milchigweiße Farbe zahllosen winzigen, flüssigen oder gasförmigen Einschlüssen.
Als Sand ist Quarz Ausgangsstoff für die Herstellung von Glas sowie wichtiger Bestandteil von Zement und Mörtel. Gemahlener Quarz dient als Schleifmittel beim Steinschneiden, Sandblasen und Glasschleifen. Pulverisierter Quarz findet in der Herstellung von Porzellan, Scheuerseifen, Schmirgelpapier und Holzfüllern Anwendung.
Der Glimmer (Abb. A-28) ist vor allem enthalten in Magmatiten, Metamorphiten und einigen Sedimenten. Er bildet Kristalle im monoklinen System und lässt sich sehr gut in dünne, biegsame und elastische Blättchen spalten. Glimmerminerale sind komplexe Aluminiumsilikate. Ihre Härte liegt zwischen 2 und 3 und das spezifische Gewicht zwischen 2,7 und 3,3 kN/m3.
Abb. A-28: Beispiel für Rubinglimmmer [V]
4.5 Schlussbetrachtung
Insgesamt sind 40 Gesteinsarten bekannt, die hier nicht alle genannt werden konnten. Zudem sind sie für die Bohrtechnik und das Baugeschehen nicht alle von Bedeutung.
In der Bohrtechnik haben wir es vielfach mit einer Vermischung vieler hier aufgeführten Gesteinsarten zu tun. So können wir in einem Bohrloch Gerölle, Kiese, Sande, Ton, Torf und die unterschiedlichsten Arten von Festgesteinen antreffen. Einen sehr einheitlichen Schichtenaufbau findet man dagegen in den deutschen Küstenregionen, wo im wesentlichen Sande, Tone, Schluffe und Torf anzutreffen sind. Diese Böden sind zwar zum Teil ein schwieriger Baugrund, verursachen aber keine besonderen Probleme hinsichtlich der Bohrtechnik.
4.6 Lagerungsformen
Der entstehungsbedingten Verschiedenheit der drei Hauptgesteins-gruppen entsprechend weichen auch ihre natürlichen Lagerungsformen sehr voneinander ab. Sie sind davon abhängig, ob die Steine aus dem Schmelzfluss erstarrt, aus dem Wasser abgesetzt bzw. mit Hilfe von Organismen entstanden sind oder ob sie metamorph verändert wurden.
4.6.1 Lagerungsformen der Erstarrungsgesteine
Die Erstarrungsgesteine haben – im Gegensatz zu der bei den Schichtgesteinen vorzugsweise in einer Ebene entwickelten Ausdehnung – vielfach nach allen Richtungen verschiedene Erstreckungen. Handelt es sich doch in den aus der Tiefe in schmelzflüssigem Zustand aufgestiegenen Gesteinsmassen um so genannte Eindringungskörper und nur ausnahmsweise um Auflagerungsgesteine.
An der Erdoberfläche fallen diese Gesteine zunächst als Vulkanberge ins Auge. Sie bilden bei Dickflüssigkeit des Lavamaterials über der Ausflussöffnung zum Teil gewaltige Kuppen (so genannte Quellkuppen) oder bei Dünnflüssigkeit des ausfließenden Materials flussartige Lavaströme mit wulstförmigen Erstarrungsformen auf der Ober- und Unterseite sowie teppichartige Decken.
Abb. A-29: Lagerungsformen der Ergussgesteine – oben: Kuppen unten: Decken [V]
4.6.2 Lagerungsformen der Schichtgesteine (Sedimente)
Im Gegensatz zu den aus der Tiefe aufgestiegenen Tiefengesteinen haben wir es bei den Schichtgesteinen mit ursprünglich flächenartig abgelagerten Gesteinsbrocken zu tun. Die Mächtigkeit der Schichten kann sehr verschieden sein.
Örtlich zeigen die Schichten erhebliche Abweichungen von der horizontalen Lage. So sieht man nicht selten Gebirgsfaltungen (Abb. A-30) an den zutage tretenden Gesteinsbänken und nahezu steil stehende Schichten. Sie können gleichförmig oder auch ungleichförmig zueinander gelagert sein, das heißt verschiedene Neigungen zeigen. Dabei werden geneigt stehende Schichten teilweise abgetragen und durch horizontale Schichten überlagert.
Abb. A-30: Gebirgsfaltungen [V]
Für das Baugeschehen können solche Ablagerungsformen von großer Bedeutung sein, insbesondere für die Tragfähigkeit und die Gefahr von Rutschungen, sofern die geneigt liegenden Schichten von Bändern aus Schluff oder Ton unterbrochen sind und in Verbindung mit Wasser zu Abschiebungen führen können. Dies ist besonders bei Bauvorhaben in Hanglage zu beachten.
Ihre richtige Kenntnis ist für die Baupraxis bedeutungsvoll, weil durch sie nicht selten an der Oberfläche und den darauf stehenden Gebäuden Schäden entstehen können, für die der Bauherr unter Umständen dann verantwortlich gemacht werden kann.
Auch bohrtechnisch können derartige Lagerungsformen zu großen Schwierigkeiten führen. Es kann unter anderem zu Bohrabweichungen, Kernverlusten und Verklemmen der Futterrohre kommen.
4.6.3 Schichtenbiegungen (Falten)
Falten und Faltungen sind durch erdinnere Kräfte hervorgerufene Verbiegungen von geschichteten Gesteinen. Es handelt sich hierbei um tektonische Einengungs- oder Stauchungsformen. Sie hängen oft mit Gebirgsbildung zusammen (Faltengebirge), bei denen starke horizontale Kräfte wirksam werden. Sie treten hier nicht einzeln auf, sondern meist in so genannten Faltengemeinschaften.
Jede Falte besteht aus einem Scheitel und zwei Flanken, Flügeln oder Schenkeln. Sind die Flügel nach unten geöffnet, spricht man von einem Sattel, bei nach oben geöffneten Flügeln von einer Mulde. Die gedachte Linie, um die die Falte gebogen ist, heißt Faltenachse (Sattelachse, Muldenachse). Ist die Faltenachse geneigt, so taucht die Falte ab, d. h., sie verschwindet nach einer gewissen Strecke unter einer (gedachten) horizontalen Fläche. Die Ebene, in der alle Faltenachsen liegen, heißt Achsenfläche. Sie kann eben oder gekrümmt sein. Je nach Neigung der Achsenfläche unterscheidet man stehende Falten (mit senkrechter Achsenfläche), mehr oder weniger geneigte Falten (mit entsprechend geneigter Achsenfläche) und liegende Falten (mit stark geneigter oder waagerechter Achsenfläche). Die Achsenfläche kann sogar über die Waagerechte hinaus weiter geneigt werden, dann nennt man die Falte überkippt.
Da sich große Gebiete der Erde, besonders ihre Gebirge, aus Faltengebirgen zusammensetzen, gehört die Faltung (Abb. A-30 + A-31) von Gebirgsschichten zu den bekanntesten, aber auch wichtigsten geologischen Erscheinungen.
Abb. A-31: Schematische Darstellung der Faltung [V]
4.6.4 Schichtenzerreißungen (Verwerfungen)
Im Gegensatz zu den nur die Lage der Schichten verändernden Faltungen stehen Zerreißungen von Gebirgsschichten längs steil einfallender Klüfte oder Spalten. Derartige Brüche oder Risse (Scherrisse) entstehen, wenn Schichten ihre Zusammensetzungskraft verlieren. Diese Erscheinungsformen nennt man auch Störungen (bergmännischer Ausdruck).
Abschiebungen (Abb. A-32)
Vergleichbar mit den Verwerfungen sind Abschiebungen oder Sprünge. Unter einer Abschiebung versteht man die abwärts gerichtete Bewegung eines Gebirgsstücks.
Abb. A-32: Abschiebung (Schema)[V]
Überschiebungen (Abb. A-33).
Eine vergleichbare Erscheinungsform sind Überschiebungen. Hierbei können sich ebenfalls durch seitlichen Schub Schichten übereinander schieben, so dass sich eine Schichtenfolge in einer bestimmten Tiefe wiederholen kann.
Abb. A-33: Überschiebung [V]
Verschiebung (Abb. A-34)
Unter Verschiebungen sind Gebirgsstörungen zu verstehen, längs deren meist steilgestellten Flächen mehr oder wenigen söhlige Bewegungen von Gebirgsteilen eingetreten sind. Sie werden später von anderen mehr oder weniger starken Schichten überlagert.
Abb. A-34: Verschiebung (Schema) [V]
Überlagerungen (Abb. A-35)
Bei den Überlagerungen werden steil bzw. geneigt stehende Schichten durch Wasser und Wind abgetragen und später durch die gleichen Kräfte wieder von zum Teil mächtigen Schichten überlagert.
Abb. A-35: Überlagerung [V]
Gräben und Horste sind durch Zerrungen während und nach Gebirgsfaltungen entstanden. Durch das Auseinanderklaffen konnten großflächige Gebirgsteile absacken und so Gräben oder Horste (Abb. A-36) bilden. Diese Erscheinungen dürfen nicht mit den Gräben verwechselt werden, die durch Flüsse eingeschnitten wurden, z. B. Grand Canyon (Arizona, Amerika). Die hier gemeinten Gebirgsformen sind heute jedoch in dieser scharfkantigen Form nicht mehr zu erkennen, sondern sind zum Teil aufgefüllt oder stark abgerundet bzw. abgeflacht (z. B. Rheingraben).
Abb. A-36: Schematische Darstellung von Gräben, Horsten und Brüchen [V]
4.7 Zusammenfassung
Die hier gezeigten Beispiele von Ablagerungs- und Schichtenformen stellen nur eine kleine Auswahl dar und erheben damit auf keinen Fall Anspruch auf Vollständigkeit. Weitere Erläuterungen zu diesen geologischen Erscheinungen würden zu weit führen und sind auch im Zusammenhang mit dem Kapitel „Grundzüge der Geologie“ und dem Gesamtthema des Buches wenig sinnvoll.
5 Die Böden (Lockergesteine)
5.1 Allgemeines
Alle Böden haben ihren Ursprung in den Festgesteinen. Zunächst wurden die Festgesteine durch Sonne, Regen, Schnee, Frost, Wind und die verschiedenartigen Einflüsse der Pflanzen in ihrem Gefüge verändert, gelockert und zerkleinert. Der Wind trug die Feinstteile fort und lagerte sie irgendwo ab. Den größten Teil allerdings nahmen Gletscher und fließendes Wasser auf und transportierten den Trümmerschutt zum Teil über sehr große Strecken. Dabei erfolgte eine weitere Zerkleinerung und Sortierung. Wenn die Transportkraft z. B bei abnehmender Fließgeschwindigkeit oder Niedrigwasser nicht mehr ausreichte, erfolgten die Ablagerung und eventuell später auch ein Weitertransport bei höherem Wasserstand oder erneute Überlagerungen. Je weiter der Abstand vom Ursprung, desto feinkörniger wurde das Material bis zur Küste hin. Feinsand, Schluff und Schlick wurden im Küstenbereich abgelagert.
Auf den Gletschern gelangten auch Gerölle und große Findlinge bis in die Norddeutsche Tiefebene, wo sie bei Ausschachtungsarbeiten noch heute gefunden werden.
In der Flussmitte verblieben im Wesentlichen die Gerölle (vom Transport abgeschliffene und abgerundete Gesteinsbrocken). In den Flussbiegungen lagerten sich außen die Feinteilchen und innen die gröberen Materialien ab. Schifffahrt, Hochwasser, Veränderungen der Fließgeschwindigkeit durch Begradigungen der Flüsse usw. haben dazu geführt, dass heute fast überall die gesamte Korngrößenpalette anzutreffen ist, insgesamt also der Verwitterungsschutt des vom Fluss bewegten Materials (Gerölle) bzw. die vom Eis (Gletscher) mitgeführten und zum Teil abgeschliffenen Gesteinsbrocken und Moränenschutt. Die Unterteilung erfolgt in den Größenbereichen Schotter, Kies, Sand, Schluff und Ton (siehe unten).
Die Böden werden zunächst unterteilt in die Hauptgruppen:
nichtbindige (rollige) Böden
und
bindige Böden
Im Wesentlichen haben wir es allerdings mit Mischböden zu tun, die aus sehr unterschiedlichen Korngrößen, Zusammensetzungen und Beimengungen bestehen. Zu den Ausnahmen gehören u. a. der Fluss- bzw. Meeressand, der aus nahezu gleich großen und dicht gelagerten Quarzkörnern besteht, und Schluffe, die in mächtigen Schichten anzutreffen sind (z. B. Löß). Kiese sind dagegen überwiegend gemischt abgelagert.
Als typische Mischböden, die begrifflich nicht genau festgelegt sind, bezeichnet man:
Lehm ist ein weit verbreitetes Verwitterungsprodukt, das aus Ton, Schluff und Sand besteht. Da der Anteil der verschiedenen Körnungsklassen sehr verschieden sein kann, präzisiert man ihn durch die Begriffe sandig, tonig und schluffig.
Lehm entsteht durch die Verwitterung der verschiedensten Gesteine und enthält Tonminerale und Eisen. Die Eisenverbindungen sorgen für die gelblich bis braune Farbe. Je nach der Entstehung unterscheidet man Lößlehm, Geschiebelehm, der aus entkalktem Geschiebemergel entstanden ist, und Auelehm, der sich aus den Sedimenten der Flusstäler bildet.
Mergel ist ein sedimentäres Lockergestein, das aus Ton, Kalk und gelegentlich sehr wenig Sand besteht. Die genaue Bezeichnung richtet sich nach dem Verhältnis der Bestandteile: z. B. Tonmergel, Mergelton, sandiger Mergel oder Kalkmergel. Die so genannten Geschiebemergel der Norddeutschen Tiefebene sind in der Eiszeit entstanden. Sie enthalten abgerundete Gesteinsbrocken, die so genannten Geschiebe.
Organische Böden bestehen vollständig aus organischen Stoffen (z. B. Torf ) oder auch aus einem Gemisch von Feinsanden und Schluffen mit einem hohen Anteil an organischen Stoffen (z. B. Humus, Faulschlamm).
Der Humus ist ein im Zersetzungsprozess befindliches organisches Material im Boden, das von toten Tieren und Pflanzen stammt. Im Anfangsstadium der Zersetzung wird ein Teil des Kohlenstoffes, Wasserstoffes, Sauerstoffes und Stickstoffes rasch als Wasser, Kohlendioxid, Methan und Ammoniak abgeleitet. Die anderen Bestandteile zersetzen sich langsam und bleiben als Humus zurück.
Der Löß, ein gelblich-braunes Lockersediment, der in Deutschland großflächig in zum Teil mächtigen Schichten auftritt, muss etwas genauer betrachtet werden. Er besteht in der Regel aus etwa 10 bis 25 % Ton (Korndurchmesser < 0,002 mm) und 70 bis 80 % Schluff (Korndurchmesser 0,002 bis 0,063 mm). Der Rest von ungefähr 10 bis 15 % ist Fein- (Korndurchmesser 0,063 bis 0,2 mm) und Mittelsand (Korndurchmesser 0,2 bis 0,63 mm). Die Zusammensetzung variiert je nach Herkunftsgebiet sehr stark. Hauptbestandteil ist immer Quarz (zwischen 60 und 70 %). Daneben treten Glimmer, Feldspat und Kalziumkarbonat in wechselnden Anteilen auf Löß entstand aus einem vom Wind ausgeblasenen, verfrachteten und abgelagerten Flugstaub aus den vegetationslosen Schotter- und Sandflächen des Pleistozäns (Eiszeitalter). Die Mächtigkeit der Ablagerungen und die Korngrößen nehmen mit der Entfernung zum Liefergebiet ab.
Die Ablagerung erfolgt meistens vor Mittelgebirgsschwellen. So gibt es in Deutschland die mächtigsten Lößschichten nördlich der Mittelgebirge in den so genannten Börden (Magdeburger Börde, Soester Börde usw.) und im Rheintal.
Die Vorkommen im Voralpenland sind, bedingt durch das Liefergebiet (Kalkalpen), sehr karbonatreich (bis zu 35 %). Die Mächtigkeiten der Lößablagerungen können in Deutschland bis zu 40 Metern (in China zum Teil mehrere hundert Meter) betragen.
Daneben sind auch örtliche Bezeichnungen verschiedener Mischböden bekannt. Dazu gehören Klei, Essener Grünsand, Mudde, Seeton, Keupermergel, Bänderton, Seekreide, Granitzersatz usw., deren Zusammensetzungen sehr unterschiedlich sind.
Diese Böden sind, mit Ausnahme der Gebirgs- und Vorgebirgsgegenden, das wesentliche Betätigungsfeld des Grundbaus. Sie sind es auch, die mit ihren vielen Erscheinungsformen die Probleme bei den Gründungen liefern. An dieser Stelle muss aber der Ansicht widersprochen werden, dass Festgesteine wesentlich problemloser sind. Dies trifft nur zu, wenn es sich um nahezu flache Lagerungen einheitlicher Schichten handelt. Sobald diese Schichten stark wechseln, geneigt, gestört und von Gleitschichten unterbrochen sind, beginnen die Schwierigkeiten. Diese werden verstärkt, wenn wasserführende Schichten hinzukommen und Hanglagen zu beachten sind. Hier sind zuverlässige Baugrundaufschlüsse unerlässlich, um größere Bauschäden zu vermeiden.
5.2 Einteilung der Böden
Taf. 2-A: Bezeichnungen und Korngrößen
6 Grundwasser und Quellen
6.1 Der Wasserkreislauf
Auf der Erde gibt es über 1,4 Milliarden Kubikkilometer Wasser, das sich fortwährend im Kreislauf durch Flüsse, Meere, Atmosphäre, Böden und Gesteine befindet.
Gemessen an der Wassermenge, die in jedem Teil des Kreislaufes ist, sind Flüsse nur ein sehr kleiner Teil des Systems. Der weitaus größte Teil des Wassers ist salzig, wobei die Meere 96,5 % des gesamten Wassers der Erde enthalten. Von den übrigen 3,5 %, die Süßwasser sind, ist der größte Teil entweder in den Kälteregionen in polaren Eisdecken, Gletschern und Schnee (69 %) oder unterhalb der Erdoberfläche als Grundwasser (30 %) gebunden. In Seen befinden sich weitere 0,25 %, während die Atmosphäre 0,04 % enthält. In Flüssen sind nur 0,006 % des gesamten Süßwassers der Erde enthalten. Hier fließt das Wasser unter dem Einfluss der Schwerkraft, wodurch es die Energie erhält, die Landschaft durch Erosion, Transport und Ablagerung von Gesteinen zu gestalten. Der Wasserkreislauf ist eine dynamische, erneuerbare und natürliche Grundlage für menschliches, pflanzliches und tierisches Leben. Der Wasserkreislauf (Abb. A-37) beginnt, wenn Wasser aus den Meeren verdunstet und dabei in die Atmosphäre gelangt. Das atmosphärische Wasser gelangt als Niederschlag in Form von Regen, Hagel oder Schnee auf die Erdoberfläche zurück. Welche Wassermenge den Boden erreicht, hängt von vielen Faktoren ab. Im Allgemeinen erhalten höhere Lagen mehr Niederschlag als tiefere. Die meisten Flüsse entstehen im Gebirge. Ein Teil des Niederschlages wird von Pflanzen, insbesondere Bäumen, abgefangen und kehrt durch Rückverdunstung direkt in die Atmosphäre zurück, bevor er auch nur den Boden erreicht. Der Wasserverlust durch diesen Vorgang kann beträchtlich sein.
Die Rodung von Bäumen für den Nutzpflanzenanbau (Entwaldung) kann die Menge und Geschwindigkeit des Niederschlags, der den Boden erreicht, bedeutend erhöhen. Örtlich kann es zu einer verstärkten Bodenerosion und zu einem erhöhten Hochwasserrisiko kommen.
Abb. A-37: Der Wasserkreislauf (schematische Darstellung)[Wiki]
