Entstehung und Seite Zusammensetzung von Boden und Fels B.1

Entstehung und Zusammensetzung von Boden und Fels

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Lehrstuhl für Grundbau, Bodenmechanik, Felsmechanik und Tunnelbau

B Entstehung und Zusammensetzung von Boden und Fels B.1

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Der Erdkörper Geoid: ruhend gedachte Meeresoberfläche, die sich auch unter den Kontinenten durchzieht ist nahezu Rotationsellipsoid mit a = 6378,25 km und b = 6356,78 km innen: Kern, darüber: Mantel, ganz außen: Kruste  ozeanische Kruste 10 km, kontinentale Kruste 30 km bis 70 km  Kruste besteht aus Kontinental-Platten, die sich relativ zueinander bewegen. Dabei entsteht in den ozeanischen Rücken stets neues Ergussgestein.

Bild B01.10: Schalenbau der Erde, schematische Darstellung, Kern, Mantel, Kruste; (SPAUN, 2000)

Bild B01.20: Die frühere Erde war vermutlich homogen und hatte keine Kontinente oder Ozeane. Mit zunehmender Erwärmung des Erdinnern kam es zur Differenziation: Eisen sank ab, leichteres Material stieg an die Oberfläche und bildete die Kruste. (PRESS / SIEVER, 1995) Der Aufbau der Erde ist aufgrund ihrer Masse, die aus den Planeten- sowie Mond-Umlaufbahndaten ermittelt werden kann, und aus geophysikalischen Messungen (Laufzeiten von Kompressions- und Scherwellen) bekannt. Aus unmittelbarem Aufschluss kennt man nur die obersten Kilometer der Kruste. Das bislang tiefste Bohrloch innerhalb der kontinentalen Kruste auf der Kolahalbinsel in Russland ist rund 12 km tief, die kontinentale Tiefbohrung der Bundesrepublik Deutschland bei Windischeschenbach in der Oberpfalz hat 9101 m Tiefe erreicht.

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Bild B01.30: Verlauf der Erdbebenwellen in der Erde und typische Laufzeit-Diagramme (Seismogramme) (RICHTER, 1994)

Bild B01.40: Die äußere Schale der Erde ist die Lithosphäre, eine starre, feste Schicht, die aus der Kruste und dem äußeren Bereich des Mantels besteht. Sie schwimmt auf dem plastischen, teilweise geschmolzenen Bereich des Erdmantels, der Asthenosphäre genannt wird. (PRESS / SIEVER, 1995)

Bild B01.50: Geoidoberfläche und Rotationsellipsoid-Oberfläche in Nordamerika: Kruste und Mantel (SPAUN, 2000) Die Kruste schwimmt auf dem Mantel. Wegen ihrer geringeren Dichte hebt sie sich aus ihm heraus. Die Dicke der Kruste auf den Kontinenten und unter den Ozeanen ist deutlich voneinander verschieden.

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Bild B01.60: vereinfachte plattentektonische Karte der Erde: Platten, Rücken, Subduktion (SPAUN, 2000)

Tiefe [km] 10 – 30

6 - 50

Schalen-Gliederung

K r u s t e

100 200 400 900 2900

6380

M a n t e l

K e r n

Obere Kruste (Oberkruste) (Kontinentale Kruste)

Stoffliche Zusammensetzung Sedimente, Gneise, Granite, Granodiorite, (saure Silikate)

Conrad Diskontinuität Untere Kruste Gabbro (Unterkruste) (basische Silikate) (Ozeanische Kruste) Mohorovicic Diskontinuität Oberer -

Dichte Zustand 3 [g/cm ] inhomogen, lokal granitische Magma2,7 kammern, Metamorphose. Aufschmelzung 3,0

Gutenberg-Zone Mantel Mittlerer Mantel Unterer Mantel

Peridotit (Eklogit)

Sulfide und Oxide ultrabasische Silikate in Hochdruckmodifikationen Wiechert-Gutenberg-Diskontinuität Äußerer Kern Hochdruckminerale mit metallischen Eigenschaften oder Innerer Kern Eisen und Nickel

3,3

Temperatur [°C] < 25

Druck [kbar] >0

Geschwindigkeit P-Wellen [km/s]

1300

8,1 9,4

fest

3000 5000

–

> 3500

11,3

Tabelle B01.10: Schalen-Gliederung, stofflicher Aufbau und physikalischer Zustand des Erdkörpers (SPAUN, 2000)

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Bild B01.70: Die Plattenbewegung von einer divergierenden zu einer konvergierenden Grenze und damit zusammenhängende Erscheinungen: Spreizung: Seafloor-Spreading und damit einhergehende Vulkane und Erdbeben. Subduktionszonen verbunden mit Tiefseegräben, Vulkanen, Gebirgsbildung (Anden), sehr tiefliegenden Erdbebenherden. (PRESS / SIEVER, 1995)

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Kreislauf der Gesteine

Kreislauf der Gesteine: Bei Aufsteigen und langsamem Abkühlen entstehen Tiefengesteine, z.B. Granit, Syenit, Diorit, Gabbro, bei Erguss z.B. Basalt, Andesit, Rhyolit. Gesteine mit geringem Anteil an Siliziumdioxid (basische Gesteine: Basalt, Gabbro) werden bei ihrer Verwitterung eher zu Ton zerlegt als solche mit hohem Anteil (saure Gesteine, z.B. Granit), die zu Kies und Sand zerrieben werden. Die durch Verwitterung zerlegten Gesteine erfahren Erosion, Transport durch Wasser, Eis, Wind, sowie erneute Ablagerung. Die Sedimente wandeln sich unter Druck und Temperaturen unter 300° zu sedimentären Festgesteinen (Diagenese). Dabei wird Wasser ausgepresst, es kommt zu Lösungs- und Ausfällungsprozessen sowie verfestigenden chemischen Umbildungen. Unter hohem lithostatischem Druck und Temperaturen über 300° bilden sich in größeren Tiefen der Erdkruste Minerale wieder neu (Metamorphose).

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Verwitterung Abtrag u. Transport Ergussgesteine

Magmenherd

Tiefengesteine (Plutonite) Kristallisation Schmelzeaufstieg

Bild B02.10: Kreislauf der Gesteine, schematische Darstellung: Magma, Verwitterung, Transport, Sediment, Diagenese, Metamorphose

magmatisches Gestein

Verwitterungsprozesse mechanische Zerlegung

Lösung

Sand

gelöste Salze

Ton

Bild B02.20: chemische und mechanische Verwitterung: Zerlegung, chemische Umsetzung, Lösung (SPAUN, 2000)

Geologie ist geschichtete Zeit: Nacheinander abgelagerte, also sedimentierte Schichten werden übereinander geschichtet. Bei Außerachtlassung von Erosion, Tektonik, Faltung etc. zeigt ein vertikales Profil durch den Boden ein Stück sequentieller Erdgeschichte: rezente (aktuelle) Auffüllungen, Quartär, Tertiär, Gesteine des Mesozoikums und älterer Schichten. Ehemalige große Erosionen wie im Oberrheingraben oder im Perm lassen in der Standardabfolge scheinbar Schichten fehlen.

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Bild B02.30: Zeittafel geologischer Ereignisse in Südwest-Deutschland (aus Erläuterungen zur Geologischen Karte von Baden-Württemberg, LGRB, 1998)

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Atome

Kristallstruktur

Kristall

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Sandkorn

Gesteinsstück

Sandsteinbank

Bild B02.40: vom Atom zur Sandsteinbank: Atom, Kristallstruktur, Kristall, Sandkorn, Gestein, Fels (SPAUN, 2000)

Entstehung von Boden: Boden (Lockergestein) entsteht am Festland (terrestrisch) aus der Verwitterung von Fels (Festgestein), aus Vulkanaschen oder z. B. aus der organischen Umsetzung zu Torf. Die Übergänge von Boden zu Fels sind fließend. Dies gilt ganz besonders für stark verwitterte Ton- und Sandsteine. Festgesteine verwittern

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physikalisch: durch tektonische Entspannung, Temperaturwechsel, Frosteinwirkung, Salzsprengung, chemisch als Folge von Lösungsvorgängen z.B. von Kalk, Gips, Salz durch Wasser, verstärkt durch Huminsäuren, Kohlensäure oder Hydrolyse, aber auch durch Mineralumwandlungen (z.B. verwittert ein Granit zu reinem Ton: Kaolin) und

biologisch z. B. durch Wurzelsprengung. Anschließend kann der verwitterte Fels durch Schwerkraft, Wind, Wasser und Eis abgetragen und neu sedimentiert werden.

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Die Abtragung durch den Wind geschieht rollend und schleppend am Boden und schwebend in der Luft. Kleinste Partikel können schwebend in der Luft über große Wege transportiert werden. Wenn diese aus der Luft sedimentieren, entstehen sogenannte äolische Sedimente. Löß ist so ein äolisches Sediment. Windabgelagerte Sedimente sind in der Regel sehr gleichkörnig. Windabgelagerte Sande (z.B. aus Dünen) haben daher ein anderes Verhalten als weit gestufte, fluviatile Sande. Flüsse transportieren beträchtliche Mengen von Boden im Wasser schwebend oder auf dem Flussbett rollend. Eine Verringerung der Fließgeschwindigkeit führt zur Sedimentation der Bodenteilchen. Zunächst sedimentiert gröberes und mit weiter absinkender Fließgeschwindigkeit auch feineres Material. Feinanteile sedimentieren meist erst im See oder im Meer mit sehr geringen Fließgeschwindigkeiten. Diese Feinteile bilden dann sogenannte Beckentone. Treten jahreszeitliche Schwankungen hinzu, werden sogenannte Bändertone aus unterschiedlich feinem Material abgelagert. Ablagerungen im Meer bilden sogenannte marine Tone, wobei hier zusätzlich eine Ablagerung infolge geänderten Salzgehaltes erfolgt. Marschböden entstehen durch wiederkehrende Überflutungen und Sedimentation von feinsten anorganischen und organischen Bestandteilen. Klei ist ein derartiger Marschboden. Marine Lockergesteinssedimente werden größtenteils aus Schalen und Skelettresten (Kalke, Kieselsäure) gebildet. Am Schelf und Kontinentalabhang entstehen Übergangsformen zu terrestrischen Sedimenten. Gletscher können erhebliche Mengen an Bodenmaterial und große Felsbrocken transportieren. Das Material wird jedoch nicht nach der Korngröße sortiert, wie dies z. B. im Wasser erfolgt, sondern als regelloses Haufwerk ohne Schichtung in Form von Moränen abgelagert. Einzelne Felsbrocken können weit transportiert und als Findlinge abgelagert werden.

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Bild B02.50: Schema: Morphologie und Sedimentation am Gletscherrand: Moräne, Sedimente, Schmelzwasser, Becken (SPAUN, 2000) Baugrundaufbau: Der so durch natürliche Prozesse und zusätzliche Eingriffe des Menschen (Abtrag, Auffüllung, Veränderung des Wasserhaushaltes) entstandene Boden, soweit er für bautechnische Maßnahmen von Bedeutung ist, bildet den Baugrund. Bis in welche Tiefe und zu welchem Abstand der Untergrund als Baugrund zu betrachten ist, hängt von der Bauaufgabe ab, lässt sich nicht exakt angeben und muss verantwortungsvoll festgelegt werden. Hierbei kann regionale Erfahrung hilfreich sein. Aufgabe des Geotechnikers ist, den Baugrund im erforderlichen Umfang zu "durchdringen“. Dabei hilft die Ingenieurgeologie, die Systematik des Baugrundaufbaus zu erfassen und Homogenbereiche zu definieren. Übergang Festgestein / Lockergestein: Dieser Übergang ist nicht exakt festlegbar. Festgestein wird durch Verwitterung zum Lockergestein, Lockergestein wird durch Verfestigung (Druck, chemische Bindung, Verkittung) zum Festgestein. Zur Unterscheidung kann die Druckfestigkeit (ab etwa 0,5 MN/m2 bis 1 MN/m2) und die Beständigkeit gegenüber Wasser herangezogen werden. Bei einem Festgestein sollte die mineralische Bindung so groß sein, dass eine Probe nach 24stündiger Wasserlagerung nicht mehr als 20 % ihrer Masse verliert. Sogenannte veränderlich feste Gesteine verlieren bei Wasserzufuhr ihren Festigkeitscharakter (Salz-, Sulfat- und manche Tongesteine). Das mechanische Verhalten von Festgesteinen wird im Gegensatz zu dem von Lockergesteinen vor allem durch das Verhalten an den Trennflächen geprägt.

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Schrifttum

Erläuterungen zur Geologischen Karte von Baden-Württemberg, LGRB (1998) PRESS / SIEVER (1995): Allgemeine Geologie, Spektrum Akad. Verlag Heidelberg, Berlin, Oxford RICHTER (1994): Allgemeine Geologie, de Gruyter Lehrbuch HANTKE (1978): Eiszeitalter, Ott, Thun, 1978 SPAUN (2000): Vorlesungsunterlagen, TU München, WS 2000/2001