1. Einleitung 9
1.1 Wirtschaftliche Bedeutung kristalliner, poröser Kieselsedimente 9
1.2 Forschungsgeschichte authigener Kieselsedimente im Allgemeinen 10
1.3 Aufgabenstellung 10
2. Begriffsdefinition 11
2.1 Chemisch-biogene Kieselgesteine 12
2.1.1 Radiolarite, Diatomite und Spiculite 12
2.1.2 Kieselsinter 14
2.2 Diagenetische Bezeichnungen 14
2.2.1 Hornstein und Chert 14
2.2.2 Porzellanit 15
2.2.3 Opalit 15
2.2.4 Novaculit und Kieselschiefer 15
2.3 Technische Begriffe 15
2.3.1 Tripel 15
2.3.2 Polierschiefer 16
2.4 Regionale Begriffe 16
2.4.1 Kieselerde und Kieselweiß 16
2.4.2 Gaize 16
2.4.3 Opuka 16
2.5 Übergänge zu Karbonatgesteinen 17
3. Geochemisches Verhalten von Kieselsäure in Sedimenten 18
3.1 Geochemische Grundlagen: Mikrokristallines und nicht-kristallines SiO₂ 18
3.1.1 Opal 19
3.1.2 Quarz 20
3.2 Kieselgesteine 21
3.2.1 Natürliche Kieselsäure-Quellen 21
3.2.2 Diagenese biogener Kieselsedimente 21
3.2.3 Silifizierungsprozesse 24
4. Arbeitsmethoden 26
4.1 Untersuchung des Mineralbestands 26
4.1.1 Dünnschliff- und Auflichtmikroskopie 26
4.1.2 Rasterelektronenmikroskopie (REM) und EDX-Analyse 26
4.1.3 Röntgendiffraktometrie (XRD) 26
4.2 Chemische Analyse 27
4.2.1 Röntgenfluoreszenzanalyse (RFA) und Glühverlust (GV) 27
4.3 Ermittlung physikalischer Eigenschaften 27
4.3.1 Trockenrohdichte, Korndichte und Porosität 27
5. Tripel und vergleichbare Gesteine 29
5.1 Neuburger Kieselerde 29
5.1.1 Die Neuburger Kieselerde als Poliermittel und Füllstoff 29
5.1.2 Geologische Situation und Bildungsbedingungen 30
5.1.3 Petrographische Charakterisierung 33
5.1.4 Neuburger Kieselerde als Spiculit 47
5.2 Reinhausener Schichten und Amberger Tripel 48
5.2.1 Abgrenzung der Bezeichnungen »Amberger Tripel« und »Reinhausener Schichten« 50
5.2.2 Historische Nutzung 50
5.2.3 Stratigraphie 51
5.2.4 Der Regensburger Golf 51
5.2.5 Petrographische Charakterisierung 52
5.3 Kraichgauer Tripel 65
5.3.1 Vorkommen und Nutzung 65
5.3.2 Geologische Situation und Bildungsbedingungen 66
5.3.3 Lithostratigraphie 68
5.3.4 Petrographische Charakterisierung 69
5.3.5 Genese des Kraichgauer Tripels 73
5.4 Gaize d’Argonne 74
5.4.1 Verwendung als Naturwerkstein und Industriemineral 74
5.4.2 Pariser Becken 75
5.4.3 Lithostratigraphie 76
5.4.4 Petrographische Charakterisierung 77
5.4.5 Genesemodell 87
5.5 Opuka 88
5.5.1 Vorkommen und Nutzung 88
5.5.2 Das Böhmische Kreidebecken 90
5.5.3 Lithostratigraphie 91
5.5.4 Petrographische Charakterisierung der Opuka vom Džbán-Berg 91
5.5.5 Petrographische Charakterisierung der Opuka von Prední Kopanina 100
5.5.6 Vergleich und Diskussion der beiden Opuka-Varietäten (Prední Kopanina und Džbán) 107
5.6 Tripel von Castro Urdiales 109
5.6.1 Tripelgewinnung durch die Firma Tierras Industriales 109
5.6.2 Geologische Situation und Sedimentationsbedingungen 110
5.6.3 Petrographische Charakterisierung und Lokalisierung der Aufschlüsse 111
5.6.4 Der Tripel von Castro Urdiales als Spiculit 122
5.7 Tripelvorkommen in Jordanien 125
5.7.1 Vorkommen und Nutzung 125
5.7.2 Lithostratigraphie 125
5.7.3 Petrographische Charakterisierung 127
5.7.4 Ablagerungsbedingungen und Diagenese 129
5.8 Tripelvorkommen in den USA 129
5.8.1 Vorkommen und Nutzung 129
5.8.2 Tripel-Vorkommen in Illinois 130
5.8.3 Tripel-Vorkommen in Arkansas 130
5.8.4 Tripel-Vorkommen im Grenzgebiet Missouri-Oklahoma 131
5.8.5 Spiculitischer Tripel von Texas 133
5.9 Tripel und Opoka aus Russland und der Ukraine 133
5.9.1 Tripelvorkommen in Russland 133
5.9.2 Tripelvorkommen aus der Ukraine 137
5.10 Kieselsedimente mit authigenem Quarz in Kroatien 139
6. Die Genese feinkörniger, poröser Sedimente mit authigener Kieselsäure 140
6.1 Allgemeine Rückschlüsse aus den Untersuchungen 140
6.1.1 Einfluss der biogenen Kieselsäure-Quelle 141
6.1.2 Einfluss des geologischen Alters 141
6.1.3 Einfluss des geologischen Umfeldes und Werdegangs 142
6.1.4 Einfluss der petrographischen Zusammensetzung des Sediments 144
6.2 Modell für die Bildung von porösen Gesteinen mit authigen kristallisiertem SiO₂ aus spiculitischen Sedimenten 145
6.2.1 Gründe für unterschiedlichen Diagenesefortschritt 149
7. Ausblick 149
8. Quellen 150
8.1 Literatur 150
8.2 Archivalien 158
8.3 Normen 158
8.4 Karten 158
8.5 www-Quellen 159
Anhänge 160
Anhang 1: Probenlisten mit Probennummer, Kurzbeschreibungen und durchgeführten Untersuchungen 160
Anhang 2: Ergebnisse der Röntgenfluoreszenzanalysen 164
Anhang 3: Ergebnisse der Korndichtebestimmungen mittels Gaspyknometer nach DIN 18124 164
Anhang 4: Ergebnisse der Trockenrohdichtebestimmungen mittels Tauchwägung mit Paraffinieren nach DIN 18125-1 166
Index 169

In der vorliegenden Arbeit werden deshalb einerseits die verschiedenen lokal geprägten Begrifflichkeiten definiert und andererseits eine Reihe von unterschiedlichen Tripelsedimenten und ähnlichen Gesteinen untersucht und verglichen. Analysiert wurden dabei mittels Dünnschliffmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie, Röntgendiffraktometrie, Röntgenfluoreszenzanalysen sowie Tauchwägung und Messungen mit Gaspyknometer der Mineralbestand und die chemische Zusammensetzung sowie die Porosität des Gesteins. Ein besonderer Schwerpunkt lag auf den Phasen der authigenen Kieselsäure.

Im Vorfeld der Untersuchungen wurde eine umfangreiche Literaturrecherche zu den Gesteinen durchgeführt, um bereits publizierte Untersuchungen zu berücksichtigen und Informationen zum Alter und Ablagerungsumfeld der Gesteine zu erhalten. Die daran anschließende Beprobung der Gesteine erfolgte größtenteils durch die Bearbeiterin selbst. Bei den untersuchten Gesteinen handelt es sich um die Neuburger Kieselerde, den Amberger Tripel und die Reinhausener Schichten (Reinhausen Member), den Kraichgauer Tripel, die Gaize d’Argonne, die Opuka aus Böhmen, den Tripel von Castro Urdiales und Tripel von Jordanien sowie verschiedene Tripelvorkommen aus den USA, Russland, der Ukraine und Kroatien.

Aus dem Vergleich der Untersuchungsergebnisse der verschiedenen Gesteine konnten vor allem folgende Faktoren als maßgeblich für die Entstehung der Gesteine festgestellt werden: die biogene Kieselsäure-Quelle, das geologische Alter, das geologische Umfeld und der geologische Werdegang sowie die petrographische Zusammensetzung.

Viele der untersuchten Gesteine haben ein kreidezeitliches Alter und sind Spiculite. Ob es sich bei den älteren der untersuchten Gesteine ebenfalls um Spiculite handelt, konnte nicht festgestellt werden, da diese Gesteine keine biogenen Relikte (mehr) enthalten. Die Wahrscheinlichkeit einer Auflösung von biogenen Partikeln nimmt mit zunehmendem Alter des Gesteins zu (ZIMMERLE 1991). In der Kreide herrschten durch ein günstiges Zusammenspiel von Nährstoffangebot und Lebensräumen optimale Entwicklungsbedingungen für Kieselschwämme (MEHL 1992: 150 f.). Ab der Oberkreide etablierten sich Diatomeen als Konkurrenten zu den Kieselschwämmen, wodurch ihr Sedimentationsbeitrag stark zurückging. Nach ZIMMERLE (1991) besitzen insbesondere Spiculite primär und sekundär eine hohe Porosität. Grund dafür ist die relativ geringe Löslichkeit im Gegensatz zu Diatomeen und Radiolarien, sodass spiculitische Sedimente eine längere Zeit für die Verfestigung besitzen, bevor sich die Schwammnadeln lösen. Daher wird die Porosität erhalten, welche durch Auflösung der Skleren erzeugt wird. Gemäß verschiedener Autoren (GREENWOOD 1973; LANCELOT 1973, 1974; KEENE 1976; KASTNER et al. 1977) haben vor allem der Magnesiumgehalt und der Detritus eines Gesteins einen maßgeblichen Einfluss auf die Diagenese von authigenen Kieselsedimenten. Daneben spielen insbesondere die Permeabilität und die Porosität eine erhebliche Rolle. Die Geschwindigkeit, mit der die Diagenese von Kieselsedimenten abläuft, wird maßgeblich von Druck- und Temperaturbedingungen gesteuert. Niedriger Druck und niedrige Temperatur tragen zur langen Erhaltung der Porosität und kleinen Kristallgröße von Kieselgesteinen bei. Die Recherchen bestätigten, dass alle Tripelproben aus einem geologischen Umfeld, ohne stark erhöhte Temperatur- und Druckbedingungen, stammen. Daneben wurde festgestellt, dass alle Gesteine über längere Zeit unter dem Einfluss einer intensiven Verwitterung (> 50 Mio. Jahre) standen.

Für die Entstehung von Tripelgesteinen aus authigenen Kieselsedimenten wird als Ausgangssediment ein kieseliger Kalk- oder Mergelstein angenommen. Als biogene Quelle für die authigene Kieselsäure dienen dabei vor allem Schwammnadeln. Diese lösen sich postsedimentär im Porenwasser auf, bis das Porenwasser gesättigt ist, und die Kieselsäure fällt dann als Opal-CT wieder langsam im Sediment aus. Als Vorlage für den Silifizierungsprozess dient das Modell von KNAUTH (1979), der die Silifizierung von Kalksteinen im Mischbereich von Salz- und Süßwasser ansiedelt, wo das Wasser untersättigt an Calcit und Aragonit und übersättigt an gelöster Kieselsäure (bezogen auf Opal-CT und Quarz) ist. Dichter silifizierte Knollen oder Gesteinsbereiche werden dabei durch lokale Unterschiede in diesem System gebildet. Im Weiteren beginnt der ausgefällte Opal-CT zu altern, wandelt sich in Opal-C um und wird schließlich mittels eines Lösungs-Wiederausfällungsprozesses in Quarz übergeführt. Der von der Verkieselung verschonte Karbonatanteil des Gesteins (Calcit und Dolomit) wird im Zuge der anschließenden Verwitterungsprozesse gelöst. Da Dolomitkristalle generell von dem genannten Verkieselungsprozess nicht erfasst werden und sich auch bei der Verwitterung (im Vergleich zu Calcit) verzögert auflösen, werden sie erst zu einem Zeitpunkt gelöst, zu dem die Verkieselung bereits weitgehend abgeschlossen ist. Die verbleibenden Hohlräume wachsen daher nicht zu (im Gegensatz zu gelösten Calcitkristallen) und es bleiben von diesen rhomboedrische Formrelikte im Gestein als Hohlräume zurück. Die weitere Verwitterung führt zu einer Oxidation des gesamten Gesteins und zu einer Bleichung. Aufgrund der geringen chemischen Verwitterungsrate während des Quartärs waren diese Prozesse sehr wahrscheinlich bereits vor dessen Beginn abgeschlossen.

Das heute vorliegende, unterschiedliche Erscheinungsbild etwa gleich alter authigener Kieselgesteine beruht vorrangig auf unterschiedlichen petrographischen Zusammensetzungen (Unterschiede im Tonmineral- und Karbonatgehalt), unterschiedlicher Porosität sowie Permeabilität und auf einer daraus resultierenden, unterschiedlich starken Silifizierung des ursprünglichen Karbonats.