Mikro-Oberflächenstrukturen auf detritischen Quarzkörnern als Paläoklimaindikator

Abstract

Detritische Quarze aus Lockersedimenten wurden elektronenmikroskopisch (REM) auf Oberflächenveränderungen infolge chemischer Verwitterung untersucht. Dieser bisher wenig erforschte Einfluss wurde für alle wesentlichen Ablagerungsräume analysiert. Quarzwachstum und -lösung sind in oberflächennahen Lockersedimenten auf tropische Klimabedingungen beschränkt. Nur unter diesen Klimabedingungen ist aufgrund der geringen Löslichkeit nennenswerte Kieselsäure-Migration möglich. Quarzwachstum erfolgt in den wechselfeuchten Tropen. Während Trockenperioden können sich amorphe Ausfällungen (Si-Al-Fe-Hydroxide) bilden, denen eine essentielle Bedeutung für späteres Quarzwachstum durch Diffusion zukommt. Dieser Vorgang kann als Paläo-Klimaindikator dienen, da bereits geringer Transport an authigenen Kristallflächen ersichtlich ist. In Mitteleuropa war dieses Wachstum letztmalig im späten Miozän möglich. Höhlensedimente sind wichtige Klimaarchive. REM-Analysen an Sedimenten der Sophienhöhle (Fränkische Schweiz, Ailsbachtal) zeigen, dass sie unter andauernden tropischem Klima eingeschwemmt wurden. Muscheliger Bruch ist nicht nur auf glazigen geprägte Sedimente beschränkt. In Rissen kristallisierende Sekundärminerale (chemische Ausfällungen) können zur Quarzsprengung (Kristallisationsdruck) führen. Mattierung ist kein sicherer Indikator für äolische Quarze. Sie zeigt intensive mechanische und/oder chemische Einwirkung auf die Kornoberfläche an. Hauptsächlich wird Mattierung durch chemische Ausfällungen (coatings) oder Mikrofrakturen durch häufige Korn-Korn-Kontakte („sandgestrahlte“ Oberfläche) erzeugt. Die Ursache ist elektronenmikroskopisch bestimmbar. Erst aus der Kombination von Mikrostrukturen ist ein Erkenntnisgewinn zu erzielen. Das vorgestellte Klassifikationsmodell mit vier Eckpunkten (Prallmarken, muscheliger Bruch, Quarzlösung und Quarzwachstum) ermöglicht eine Zuordnung zu bestimmten Transport- und Ablagerungsverhältnissen. Weitere milieuspezifische Oberflächenveränderungen sind tabellarisch dargestellt.

Detrital quartz grains from sedimentary soft rock were analysed using scanning electron microscopy (SEM) to assess their influence on grain surfaces by chemical weathering. This aspect of chemical weathering has so far not frequently been studied and has been analysed for all essential sedimentary environments. Quartz overgrowth (regrowth) and solution only occurs in regolith under tropical climate conditions. The low solubility of silicic acid only allows appreciable migration under these climatic conditions. Quartz overgrowth occurs in tropical wet-dry climates. During dry seasons amorphous Si-Al-Fe-hydroxides may precipitate. Such hydroxides are essential for later quartz-overgrowth by diffusion. This process can be used as a paleoclimatic indicator, as short sedimentary transport is visible on authigenic crystal faces. In Central Europe such overgrowth were finally able to take place in the late Miocene. Cave sediments are an important climatic archive. Sediments from the Sophien Cave ("Sophienhöhle", Franconian Switzerland, Ailsbachtal) were analysed using SEM. These sediments were deposited under permanent tropical climatic conditions. A conchoidal breakage pattern is not only related to a glacial environment. Crystallisation of secondary minerals (chemical precipitation) in fissures can also lead to fracturing of quartz grains. Frosting is not solid evidence of Aeolian transportation. It is the result of an intensive chemical and/or mechanical influence on the grain surface. Frosting is predominantly the result of chemical precipitation (coatings) or frequent grain-on-grain impact ("sandblasted" grain surface). The origin of frosting can be investigated through the electron microscopic analyses. Only synoptic review or combination of microstructures can guarantee reliable results. The presented classification model of a rectangle (corner points are grain-on-grain impacts, conchoidal breakage, quartz solution and overgrowth) enables information to be collated about transportation, depositional and climatic conditions. General data and results are listed in relation to typical grain surfaces depending on the environment.