Karbonatische Zementation pleistozäner Lockersedimente NW-Deutschlands

Abstract

Karbonatische Zementation pleistozäner Lockersedimente ist in NW-Deutschland weit verbreitet. In den 17 untersuchten Aufschlüssen besteht der Zement aus Niedrig-Mg-Kalzit. Der Stoff für die Zementbildung stammt hauptsächlich aus kaltzeitlich transportierten Sedimenten. In diesen ist karbonatischer Detritus besonders lösungsanfällig, da er saubere, meist nicht durch z.B. Fe-Hydroxide oder Biofilme verunreinigte Oberflächen hat und zudem oft fein zerrieben in der Matrix feinkörniger Sedimente (z.B. Grundmoräne) vorkommt. Nur bei einem Aufschluss deuten die Untersuchungsergebnisse darauf hin, dass Grundwasser aus mesozoischen Kalksteinschichten an der Bildung karbonatischer Zementationskörper beteiligt ist. Die untersuchten Zementationskörper bildeten sich überwiegend mehrphasig. Die Zementation begann häufig im wasserungesättigten Milieu (vados). Der dabei entstandene Zement ist in den Zementationskörpern zwar quantitativ unbedeutend. Allerdings zeichnete er zum einen häufig die Form der Zementationskörper vor und diente zum anderen den folgenden Zementationsphasen im wassergesättigten Milieu (phreatisch) als Kristallisationskeim. Die Form karbonatisch zementierter Bereiche wird oft durch das Strömungsverhalten von Sickerund Grundwasser bestimmt, wobei sich nicht nur Strömungsrichtung und –geschwindigkeit, sondern auch die Strömungsart (laminar, turbulent) auswirken können. Während die Zementation im gering wasserdurchlässigen Sediment überwiegend substratgesteuert ist, geben Zementationskörper im gut wasserdurchlässigen Material Hinweise auf die paläohydrogeologische Situation. Dadurch konnten z.B. schwebende Grundwasser-Stockwerke und teilweise wassergesättigte Bereiche innerhalb der vadosen Zone identifiziert werden. Außerdem fanden sich Hinweise auf Kalzitzementation unter kaltzeitlichen Bedingungen. Dabei fand Zementation wahrscheinlich sowohl unterhalb als auch im unmittelbaren Vorfeld des Inlandeises sowie unter periglazialen Bedingungen im diskontinuierlichen Permafrost statt. Klimatische Einflüsse und die damit verbundene Änderung der Grundwasser-Neubildung sind die einzigen überregionalen Steuerungsfaktoren karbonatischer Zementation pleistozäner Lockersedimente NW-Deutschlands. Die Zementationskörper kommen überwiegend in Elster- bis Saale-zeitlich entstandenen Sedimenten vor. Hinweise auf das Alter der Zementation ergaben sich meist nur im Zusammenhang mit der lokalen geologischen und paläohydrogeologischen Entwicklung. Die Befunde deuten darauf hin, dass sich der überwiegende Teil des Zementes während der Eem-Warmzeit bildete. Kaltzeitliche Zementation während der Saale- und der Weichsel-Kaltzeit hat nur einen geringen Anteil an den Zementationskörpern.

Pleistocene sediments in northwest Germany are often cemented with calcareous material. In the 17 outcrops studied in this research, the cement is characterized by low-Mg calcite. The main source of the substances forming the cement is material transported by the ice sheet during the Pleistocene. The calcareous detritus in these glacial sediments is easily dissolved owing to freshly exposed surfaces and abundant fine particles (e.g., in till). In only one outcrop can the calcareous cement attributed to groundwater transport from the underlying Mesozoic limestone. Most of the sediments were cemented in several stages. The cementation often began in the vadose zone. Although quantitative not important, this vadose cement often controlled the shape of cementation bodies and acted as nuclei for the subsequent cementation in the phreatic zone. The shape of the cemented bodies was often determined by the flow regime of the water – not only flow direction and velocity but also the type of flow (e.g., laminar or turbulent). Whereas cementation in low permeability sediments is controlled by the properties of the parent material, in highly permeable sediments it often reflects the paleo-flow regime and groundwater level, making it possible to identify, for example, areas of formerly perched groundwater. There were also indications that cementation occurred below and in front of the Scandinavian ice sheet as well as in an area of discontinuous permafrost. Climate changes and the associated changes in groundwater recharge were the only factors observed on a regional scale controlling the calcareous cementation of Pleistocene sediments in northwest Germany. The cemented sediments were almost all within Elsterian to Saalian deposits. The time of cementation was indicated only by the local geology and paleo-hydrogeology. The results of this study show that most of the cementation occurred during the Eemian interglacial.