Zusammenfassung:
Diese Exkursion führt euch zu einem über zweihundert Meter langen Aufschluss. Er zeigt zunächst zwei Hauptgesteinsarten ganz verschiedener Entstehung:
Oben geschichtete Mergel der Tertiärformation, entstanden in dem von einem Meeresarm erfüllten Oberrheingraben.Unten Phonolith, der als heiße Schmelze entlang der Schichten aufgedrungen ist. Karbonatit, ein aus einer Schmelze gebildetes Kalkgestein, durchsetzt als schmale, steil stehende Gänge die beiden älteren Gesteine des Aufschlusses. Das darin vorkommende Mineral Magnetit lässt sich mit einem Magneten oder einer Taschenmesser-Spitze herausziehen.
Abb.1: Am Ziel der Exkursion
Zu den geologischen Erscheinungen im Einzelnen:
1. Mergel
Mergel ist ein Sedimentgestein. Bei stark verfestigten Ablagerungen spricht man auch von Mergelstein oder Mergelgestein. Er entsteht, wenn das feine Material (Ton, Schluff) abgelagert und gleichzeitig Kalk ausgefällt oder ebenfalls abgelagert wird. Das Gestein enthält sowohl Kalk als auch silikatische Bestandteile meist kleiner Korngröße. Gröberes Material (Sand und Kies) kann vorhanden sein.Bei höheren Kalkgehalten spricht man auch von Kalkmergel, bei hohem Tongehalt von Tonmergel. Je nach dem Anteil des Kalk- bzw. des Tongehaltes können folgende Karbonat-Ton-Mischgesteine unterschieden werden:
Abb. 2: Nomenklatur der natürlichen Karbonat/Ton-Mischgesteine nach Correns
Mergel ist ein wichtiger Rohstoff zur Zementherstellung. In der Landwirtschaft wurden in der Vergangenheit hauptsächlich trockengelegte Feuchtgebiete mit Mergel aufgewertet; der Kalk neutralisierte die sauren Böden, der Ton stabilisierte den weichen Boden, damit die Äcker begehbar und befahrbar wurden.
2. Phonolith
Die Phonolithe des Kaiserstuhls gehören zu den ältesten Intrusionen des miozänzeitlichen, im Zeitraum des vor 19 - 16 Millionen Jahren entstandenen Vulkanmassivs. Phonolith, zu Deutsch Klingstein, hat seinen Namen aufgrund des hellen Klanges beim Anschlagen. Das vulkanische Gestein ist von grünlicher bis grauer Farbe, welches als helle Bestandteile überwiegend Alkalifeldspat und Feldspatvertreter enthält, während Quarz vollständig fehlt und Plagioklas maximal 10 % der vorhandenen Feldspäte ausmacht. Die Phonolithe sind fein- bis grobkörnig und in der einheitlich gefärbten Grundmasse befinden sich Einsprenglinge. Sie haben ein porphyrisches Gefüge. Häufig enthält Phonolith Sekundärminerale aus der Gruppe der Zeolithe, beispielsweise Natrolith oder Chabasit.
Abb. 3: Klassifikationsdiagramm nach Streckeisen
Der darstellende Punkt im Diagramm wird bestimmt anhand des modalen Bestandes der felsischen Minerale und dessen prozentualem Anteil am Gesteinsverband. Berücksichtigt werden beim Streckeisendiagramm folglich lediglich die Mineralphasen Quarz (Q), Alkalifeldspäte (A), Plagioklase (P) und Foide (F). Im Klassifikationsdiagramm nach Streckeisen liegt Phonolith im Feld 11. Bei zunehmendem Plagioklasgehalt geht er in den phonolitischen Tephrit, bei zunehmendem Foidgehalt in den phonolitischen Foidit über.
Phonolith ist ein verbreitetes vulkanisches Gestein und tritt weltweit, vergesellschaftet mit weiteren Alkaligesteinen wie Tephrit, Foidit, Melilithit und auch Karbonatit auf. Wie diese ist Phonolith ein typisches Produkt des Intraplattenvulkanismus. Phonolitische Magma wird oft durch explosiven Vulkanismus an die Erdoberfläche gefördert und bildet pyroklastische Ablagerungen, Lavaströme, Dome und oberflächennah erstarrte Gänge und Intrusionen.
Der Kaiserstühler Phonolith wird heute aufgrund seines hohen Zeolithanteiles für eine große Zahl an Spezialprodukten für den Bau und die Landwirtschaft gewonnen. Dieses Gestein wurde früher auch für den Bau von Mauern und Sockeln verwendet. Der Phonolith war übrigens das Gestein des Jahres 2014.
3. Karbonatit
Hierbei handelt es sich um das Highlight dieses Aufschlusses. Karbonatite sind seltene vulkanische Gesteine, die auf Schmelzen aus dem Erdmantel zurückgehen. Diese drangen aus tiefreichenden intrakontinentalen Bruchzonen auf; der Oberrheingraben stellt eine solche Bruchzone dar. Als Karbonatite werden Magmatite mit einem Karbonatmineralanteil von mehr als 50 % bezeichnet. Weltweit treten sie als Schlote, Gänge und Lavaströme auf; meist sind sie mit foidführenden Alkalimagmatiten vergesellschaftet. Von wirtschaftlichem Interesse sind sie wegen ihres Gehalts an Kupfererzen und seltenen Metallen wie Niob, Tantal, Seltenen Erden, Thorium und Uran.
Abb. 4: Karbonatit
Der Karbonatit im vulkanischen Zentrum des Kaiserstuhls ist das weitaus größte oberflächennahe Vorkommen in Europa. Das Gestein besteht überwiegend aus Calcit in bis zu cm-großen, weißen bis hellgelblichbraunen Körnern. Als häufigstes Erzmineral tritt Magnetit auf.
Bei der Gesteinsgruppe der Karbonatite wird eine Vielzahl an Varietäten unterschieden. Auf diese hier im Einzelnen einzugehen, würde den Rahmen sprengen. Stattdessen sei anschließend unter Punkt 4. ein kurzer Exkurs zu dem Mineral Magnetit unternommen.
Abb. 5: Karbonatit als helle Einlagerungen
Karbonatitschmelzen haben gegenüber alkalischen Silikatschmelzen bemerkenswerte physikalische Eigenschaften. So sind beisielsweise ihre Löslichkeiten für Elemente, die in Silikatschmelzen nur selten anwesend sind, sehr hoch. Ihr Aufnahmevermögen für Wasser und andere flüchtige Substanzen wie beispielsweise Halogene sind bei den in der Erdkruste herrschenden Drucken unter allen Schmelzen am höchsten. Karbonatitschmelzen sind überdies sehr effizient im Transport von Kohlenstoff aus dem Erdmantel in die überlagernde Kruste, da sie über weite Temperaturbereiche hinweg flüssig bleiben. Sie zeichnen sich außerdem durch eine sehr geringe Viskosität aus. Auch haben sie eine hohe elektrische Leitfähigkeit, die in mehrfachen Größenordnungen die anderer Schmelzen übersteigt.
Der Kaiserstühler Karbonit gehört zu den ungewöhnlichsten und seltensten Gesteinen Mitteleuropas. Zeitweise wurde er zur Erzeugung von Branntkalk gewonnen und in zwei kurzen Phasen auch als Trägergestein seltener Nioberze abgebaut. Bis in die 1930er Jahre wurden aus größeren Blöcken auch Werkstücke hergestellt.
4. Exkurs: Magnetit
Abb. 6: Magnetit, eingewachsen in Plagioklas
Magnetit ist die stabilste Verbindung zwischen Eisen und Sauerstoff. Aufgrund seines hohen Eisenanteils von bis zu 72,4 % und seines starken Magnetismus gehört Magnetit zu den wichtigsten Eisenerzen und Rohstoffen für die Elektroindustrie. Magnetit ist eines der am stärksten (ferri)magnetischen Kristalle Magnetit ist von dunkler bis schwarzer Farbe. Der Bruch ist muschelig bis spröde. Mittels eines Magneten lässt sich dieses Mineral leicht separieren.
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1. Zum aufwärmen: Der vor Ort geschichtete Mergel ist wieviele Millionen Jahre alt ? (Infotafel vor Ort)
2. Wie stellt sich der Übergang vom Mergel zum Phonolith dar ? Vergleiche dies an mehreren Stellen des langgezogenen Aufschlusses.
3. Beschreibe der vorgefundenen Phonolith (Farbe, Bestandteile, Körnung). Sind andere Minerale im Phonolith zu erkennen ?
4. Suche am Fuße des Aufschlusses nach einem geeigneten Phonolith-Handstück. Schlage mit einem Hammer auf ein dünnes Bruchstück. Ergebnis ?
5. Beschreibe, in welcher Art und Weise der Karbonatit die beiden älteren Gesteine des Aufschlusses durchsetzt. Ist ein Winkel erkennbar ?
6. Nimm eine feinkörnige Probe des Karbonatit und halte einen Magneten an diese. Beschreibe das Ergebnis.
Quellen.
Carl Wilhelm Correns: Einführung in die Mineralogie (Kristallographie und Petrologie), Berlin 1949
Werner Wolfgang, Wittenbrink Jens, Bock Helmut & Kimmig Birgit: Naturwerksteine aus Baden-Württemberg, Freiburg 2013
Wikipedia
Abb. 1, 4, 5 und 6: Eigene