Umweltgeologie_Abschnitt_004

TU Dresden / Institut fr Geotechnik Professur fr Angewandte Geologie

Vorlesungsmaterial UmweltgeologieSeite 4-1

Abschnitt 4 - Tonminerale und Tonrohstoffe

Struktur der Silikate - bersicht [4-1]

Bild rechts Grundbaustein SiO4-Tetraeder Silizium umgeben von 4 Sauerstoffatomen Si4+ mit 4 x Sauerstoff 2- [SiO4]4- je nach der Anordnung der SiO4-Tetraeder

ergeben sich verschiedene Strukturen Anordnung mglich als Inseln, Gruppen,

Ringe, Ketten, Bnder, Schichten, Gerste

Inselsilikate

Gruppensilikate

Ringsilikate

Kettensilikate / Bandsilikate

Schichtsilikate

Gerstsilikate

Schichtsilikate - Struktur - Grundbausteine

SiO4-Tetraeder Si4+ mit 4 x Sauerstoff 2- [SiO4]4-

[SiO4]4--Tetraeder bilden Tetraederschicht Schicht ist negativ geladen [4-2]



Schichtsilikate - Struktur - Grundbausteine

[Al(OH)6]-Oktaeder oder [Mg(OH)6]-Oktaeder

[Al(OH)6]-Oktaeder oder [Mg(OH)6]-Oktaeder bilden Oktaederschicht [4-2]

Schichtsilikate - Struktur - Schichtverknpfung [4-2]

Verknpfung von [SiO4]-Tetraederschichten

mit [Al(OH)6]- oder [Mg(OH)6]-Oktaeder-schichten in unterschiedlicher Reihenfolge

Beispiel der Verknpfung von zwei [SiO4]-Tetraederschichten mit einer [Mg(OH)6]-Oktaederschicht zu einem Dreischichtsilikat

Schichtsilikate - Struktur - gemeinsame Eigenschaften

Kristallform - meist hexagonale Tfelchen (REM-Aufnahme, Kaolinitkristalle).

Vollkommene Spaltbarkeit parallel zu den Schichtflchen/Schichtpaketen [4-2].



Schichtsilikate - Klassifizierung - Schichtkombinationen

Schichtkombinationen

(Schichttyp) Ionenbelegung in der Oktaederschicht in allen Schichtkombinationen

Zweischichtsilikate (1:1): 1 TS 1 OS Dreischichtsilikate (2:1): 1 TS 1 OS 1 TS Vierschichtsilikate (2:2): 1 TS 1 OS 1 TS 1 OS Schichtbandsilikate (2:1): 1 TS 1 OS 1 TS

trioktaedrisch: Magnesium / zweiwertig alle Oktaederpltze (3/3) sind mit Mg besetzt dioktaedrisch: Aluminium / dreiwertig Ladungsberschu 1+ jeder dritte Platz bleibt unbesetzt oder nur zwei Drittel aller Pltze sind besetzt

Schichtsilikate - Klassifizierung - Zweischichtsilikate

Typ Gruppe Untergruppe (triok.) / (diok.)

Beispiele

1:1

Serpentin-Kaolinit- Gruppe Serpentine (triok. / Mg)

Chrysotil Antigorit

1TS 1OS

Kaolinite (diokt. / Al)

Kaolinit, Dickit, Nakrit, Halloysit

Schichtsilikate - Klassifizierung - Dreischichtsilikate

Typ Gruppe Untergruppe

(triok.) / (diok.) Beispiele

2:1 Talk- Talk (triok./Mg) Talk Pyrophyllit-Gruppe Pyrophyllit (diokt./Al) Pyrophyllit

Smektit-Gruppe Smektite (triok./Mg) Saponit, Hectorit 2TS 1OS

Smektite (diokt./Al)

Montmorillonit, Beidellit, Nontronit

Vermiculit-Gruppe Vermiculite (triok./Mg) Vermiculite (diokt./Al) Illit-Gruppe Illite (triok./Mg) Illit Illite (diokt./Al) Illit Glimmer-Gruppe Glimmer (triok./Mg) Phlogopit, Biotit Glimmer (diokt./Al) Muskovit, Paragonit,

Margarit



Schichtsilikate - Klassifizierung - Vierschichtsilikate



2:2 Chlorit-Gruppe Chlorite (triok./Mg) Pennin, Clinochlor Chlorite (diokt./Al) Donbassit

2TS 2OS

Chlorite (triok./Mg) und (diokt./Al)

Sudoit, Chamosit

Schichtsilikate - Klassifizierung - Schichtbandsilikate



2:1 Sepiolith-Palygorskit-Gruppe

nur trioktaedrisch mit Magnesium

Sepiolith Palygorskit

Schichtsilikate - Klassifizierung - Wechsellagerungsminerale



1:1 Wechsellagerungsminerale regelmige Rectorit, Corrensit und 2:1 unregelmige Illit-Smectit

Schichtsilikate - Klassifizierung - Gesamtbersicht

Zweischichtsilikate Dreischichtsilikate Vierschichtsilikate Schicht-Band-Silikatetriokt. Mg2+

diokt. Al3+

triokt. Mg2+

diokt. Al3+

triokt.Mg2+

diokt. Al3+

di/tri. Mg2+ Al3+

triokt. Mg2+

diokt. Al3+

Gruppen Gruppen Gruppen Gruppen Serpentin-Kaolinit Talk-Pyrophyllit

Smectite Vermiculite

Illite Glimmer

Chlorite Sepiolith-Palygorskit

Wechsellagerungsminerale (regelmige / unregelmige)

Schichtsilikate - Klassifizierung - Zweischichtsilikate Struktur der Zweischicht-

silikate [4-2]: Verknpfung von einer [SiO4]-Tetraederschicht mit einer [Mg(OH)6]-Oktaeder-schicht oder einer [Al(OH)6]-Oktaederschicht. Dicke des Zweischichtpaketes ca. 0,7 nm.



Schichtsilikate - Klassifizierung - Zweischichtsilikate

Serpentin-Kaolinit- Gruppe: 1 Tetraederschicht (T) - Silizium; 1 Oktaederschicht (O) - Aluminium / Magnesium alle Ladungen sind abgesttigt = elektrisch neutral keine Oberflchenkrfte, keine Quellung Kaolinite Serpentine Aluminium-Form hufigstes toniges Verwitterungsprodukt weie erdige Massen - Gesteine Kaoline

Magnesium-Form grnlich, feinschuppig, faserfrmig Gesteine Serpentinite

Minerale: Minerale: Kaolinit Halloysit Dickit / Nakrit

Chrysotil (Asbest, faserfrmig) Antigorit (blttchenfrmig)

Schichtsilikate - Klassifizierung - Dreischichtsilikate

Struktur der Dreischicht-silikate [4-2]: Verknpfung von zwei [SiO4]-Tetraederschichten mit einer [Mg(OH)6]-Oktaeder-schicht oder einer [Al(OH)6]-Oktaederschicht. Dicke des Dreischichtpaketes ca. 0,9 nm.

Schichtsilikate - Klassifizierung - Dreischichtsilikate - Talk-Pyrophyllit-Gruppe

Talk-Pyrophyllit- Gruppe: 2 Tetraederschichten (T) - Silizium; 1 Oktaederschicht (O) - Aluminium / Magnesium alle Ladungen sind abgesttigt = elektrisch neutral keine Oberflchenkrfte, keine Quellung keine Kationen zwischen den Dreischichtpaketen Pyrophyllit Talk Aluminium-Form

Magnesium-Form (Gestein = Speckstein) Fettglanz, grnlich, fettig

Minerale: Minerale: Pyrophyllit Ferripyrophyllit

Talk Minnesotatit (Fe) Willemsit (Ni) Kerolit / Pimelit



Schichtsilikate - Klassifizierung - Dreischichtsilikate - Elementaustausch

Tetraederschicht - Austausch von Silizium durch Aluminium. Oktaederschicht - gegenseitiger Ersatz von Aluminium und Magnesium sowie Einbau

anderer Elemente (z. B. Eisen, Chrom, Vanadium, Lithium). Schichten sind elektrisch geladen (freie Oberflchenladungen). Einbau von Elementen zwischen die Dreischichtpakete (z. B. Kalium, Natrium, Calcium,

Magnesium).

Schichtsilikate - Klassifizierung - Dreischichtsilikate - quellfhige Minerale Tetraederschicht - Ersatz von weniger als 25 % Silizium durch Aluminium. Oktaederschicht - Ersatz von etwas Aluminium durch Magnesium sowie Einbau anderer

Elemente (z. B. Eisen, Chrom, Vanadium, Lithium). Schichten sind elektrisch geladen (schwache freie Oberflchenladungen). Einbau von Natrium oder Calcium mit Wasser zwischen die Dreischichtpakete. Schwache Bindung der Dreischichtpakete = Eigenschaft der Quellfhigkeit. Smektit-Gruppe: 2 Tetraederschichten (T) - Si / (Al); 1 Oktaederschicht (O) - Al / Mg / Fe / Li TS Ersatz von < 1/4 Si durch Al Na, Ca, als Zwischenschichtkationen Gesteine = Bentonite dioktaedrische Smektite trioktaedrische Smektite Aluminium-Form Ersatz von Ionen in der OS und TS freie Schichtladungen

Magnesium-Form Ersatz von Ionen in der OS und TS freie Schichtladungen

Minerale: Minerale: Montmorillonit Beidellit Nontronit (Fe)

Stevensit Saponit Hectorit (Li)

Struktur des Montmoril-lonites [4-3]: Verknpfung von zwei [SiO4]-Tetraederschichten mit einer [Al(OH)6]-Oktaeder-schicht. Verbindung der Dreischichtpakete ber austauschbare Kationen. Dicke des Dreischichtpaketes plus Zwischenschichtbereich mit Wasser ca. 1,5 nm.



Schichtsilikate - Klassifizierung - Dreischichtsilikate - Glimmerminerale

Tetraederschicht - Ersatz von 25 % Silizium durch Aluminium. Oktaederschicht - Einbau von Aluminium, Magnesium und Eisen sowie Einbau anderer

Elemente (z. B. Chrom, Vanadium, Lithium). Schichten sind stark elektrisch geladen (hohe freie Oberflchenladungen). Einbau von Kalium zwischen die Dreischichtpakete. Feste Bindung der Dreischichtpakete = keine Quellfhigkeit. Struktur der Glimmer

[4-2]: Verknpfung von zwei [SiO4]-Tetraederschichten mit einer [Mg(OH)6]-Oktaeder-schicht oder einer [Al(OH)6]-Oktaederschicht. Verbindung der Dreischichtpakete ber Kaliumionen. Dicke des Dreischichtpaketes plus Zwischenschichtbereich ca. 1 nm.

Glimmer-Gruppe: 2 Tetraederschichten (T) - Si / Al; 1 Oktaederschicht (O) - Al / Mg / Fe / Li TS Ersatz von 1/4 Si durch Al; Kalium als Zwischenschichtkation dioktaedrische Glimmer trioktaedrische Glimmer Aluminium-Form Hellglimmer farblos, durchsichtig Kalium-Einbau (fest)

Magnesium-Form Dunkelglimmer dunkelbraun, rtlich Kalium-Einbau (fest)

Minerale: Minerale: Muskovit / Paragonit Illit Margarit

Phlogopit Biotit ("Katzengold") (Illit)

Schichtsilikate - Klassifizierung - Dreischichtsilikate - Illitbildung

a bis c: Illitbildung aus Muskovit durch Hydratationsverwitte-rung mit einem Austausch der Kaliumionen im Zwischen-schtbereich [4-2]. a, d, e: Bildung von Wechsellage-rungsmineralen aus Muskovit durch Hydratationsverwitte-rung [4-2].



Schichtsilikate - Klassifizierung - Dreischichtsilikate - Vermiculite

Struktur der Vermiculite [4-2]: Verknpfung von zwei [SiO4]-Tetraederschichten mit einer [Mg(OH)6]-Oktaeder-schicht oder einer [Al(OH)6]-Oktaederschicht. Verbindung der Dreischichtpakete ber Calcium-/Magnesiumionen. Dicke des Dreischichtpaketes plus Zwischenschichtbereich ca. 1,4 nm.

Vermiculit-Gruppe: 2 Tetraederschichten (T) - Si / Al; 1 Oktaederschicht (O) - Al / Mg / Fe3+ TS Ersatz von 1/4 Si durch Al, starke Schichtladung Zwischenschicht Calcium / Magnesium, teilweise quellfhig dioktaedrische Vermiculite trioktaedrische Vermiculite Aluminium-Form Magnesium-Form Minerale: Minerale: Vermiculit Vermiculit Bildung: Verwitterung von Biotit, Chlorit und Phlogopit Austausch des Kaliums durch Ca/Mg Oxidation von oktaedrisch gebundenem Eisen Fe2+ Fe3+ Eigenschaften / Einsatzgebiete: Blhen und wurmfrmige Krmmung der Schichtpakete beim Erhitzen (gr. vermis ... Wurm) Temperaturschock bei 1500 C und sofortiges Abkhlen auf 400 C Volumenzunahme Faktor 15 bis 30 / Dichteabnahme auf 0,064 bis 0,16 g/cm Wrme- und Schallisolation; Zuschlagstoff fr Leichtbeton; Aufsaugen von Flssigkeiten Abdecken von Metallschmelzen Steuerung des Wasser- und Nhrstoffhaushaltes bei Kulturpflanzen

Vermiculitpaket unbehandelt. Geblhter Vermiculit (1000 C)



Schichtsilikate - Klassifizierung - Vierschichtsilikate - Chlorite

Struktur der Chlorite [4-2]: Verknpfung von zwei [SiO4]-Tetra-ederschichten mit einer [Mg(OH)6]-Oktaederschicht oder einer [Al(OH)6]-Oktaederschicht. Verbin-dung der Dreischichtpakete ber eine weitere Oktaederschicht (entweder Mg(OH)6] oder [Al(OH)6]). Dicke des Vierschichtpaketes ca. 1,4 nm.

Chlorit-Gruppe: 2 Tetraederschichten (T) - Si / Al; 1 Oktaederschicht (O) - Al / Mg / Fe3+ TS Ersatz von Si durch Al = hohe freie Schichtladung 1 Oktaederschicht als Zwischenschicht zum Ladungsausgleich feste Bindung zwischen den Schichten = keine Quellung dioktaedrische Chlorite trioktaedrische Chlorite di-/trioktaedrische Chlorite Al-Form Mg-Form Al/Mg-Form Minerale: Minerale: Minerale: Donbassit Pennin

Klinochlor Thuringit (Fe)

Cookeit (Li) Sudoit

schuppig, plattig, tafelig (z. T. talkhnlich) / grnlich bis grnlich-schwarz Regionalmetamorphose, Tonschiefer und Phyllite, dort oft eisenreich


Struktur der Schichtbandsilikate [4-4]: Verknpfung von zwei [SiO4]-Tetra-ederschichten mit einer [Mg(OH)6]-Oktaederschicht. Begrenzung der Ausdehnung in einer Richtung der Schichtebene auf 5 oder 8 Oktaeder, so dass Leisten mit zwischenge-schalteten Kanlen entstehen.




Sepiolith-Palygorskit-Gruppe: 2 Tetraederschichten (T) - Si / (Al) 1 Oktaederschicht (O) - Mg / (Fe, Al, Mn, Na, Ni) Faserstruktur / leistenfrmig dioktaedrisch trioktaedrisch nicht bekannt Magnesium-Form Minerale: Minerale: nicht bekannt Palygorskit porse, zum Teil schaumige Massen Bezeichnungen in alten Sammlungen: - Bergleder - Bergholz - Bergkork - Meerschaum

Sepiolith Loughlinit (Na) Yofortierit (Mn) Falcondoit (Ni)

Sepiolith-Palygorskit-Gruppe - Eigenschaften: Faserfrmige Morphologie Gelbildung und Thixotropie hohes Wasserbindevermgen / hohes Adsorptionsvermgen spezifische OF 300 m/g Einsatzgebiete: Handelsbezeichnung = Attapulgit Tabakspfeifen / Zigarettenfilter elektrolytbestndige Verdickungs- und Thixotropiermittel Adsorber (l- und Chemikalienbindemittel)


a bis c: Illitbildung aus Muskovit durch Hydratationsverwitte-rung mit einem Austausch der Kaliumionen im Zwischen-schtbereich [4-2]. a, d, e: Bildung von Wechsellage-rungsmineralen aus Muskovit durch Hydratationsverwitte-rung [4-2].




Wechsellagerungsminerale bestehen aus Abfolgen von Schichtpaketen (Schichtstapeln) von in der Regel zwei unterschiedlichen Schichtsilikaten. Man unterscheidet: regelmige Wechsellagerungsminerale mit einem Schichtverhltnis von 1 : 1

unregelmige Wechsellagerungsminerale mit einem variablen Schichtverhltnis

Beispiele: Beispiele: Muskovit / Smektit = Rectorit Illit / Smektit (Abbildung) Chlorit / Smektit = Corrensit Chlorit / Smektit Talk / Smektit = Aliettit Kaolinit / Smektit Biotit / Vermiculit = Hydrobiotit Talk / Smektit Biotit / Vermiculit Je nach dem Anteil an Smektitschichten sind diese Minerale partiell quellfhig.

Beispiel fr den Aufbau eines unregelmigen Wechsellagerungs-minerales in Form einer quellfhigen Illit-Smektit-Wechsellagerung nach [4-3].

Klassifizierung der Tonrohstoffe

Nichtmetallische Rohstoffe: Industrieminerale und Industriegesteine Eigenschaftsrohstoffe mit Schichtsilikaten als Haupteigenschaftstrger

Gruppe Haupteigenschaftstrger 1. Tone Kaolinit / Illit 2. Kaoline Kaolinit 3. Bentonite Smektite / WLM 4. Attapulgit Palygorskit / Sepiolith 5. Talk/Speckstein Talk 6. Pyrophyllit Pyrophyllit 7. Vermiculit Vermiculit 8. Glimmer Muskovit / Biotit



Klassifizierung der Tonrohstoffe - Gruppe 1 - Tone

Sedimentre Gesteine mit einem hohen Anteil der Kornfraktion < 2 m (Tonkorn), Bildung erfolgt durch Verwitterung und Sedimentation feinkrniger Verwitterungsprodukte, mit Wasser plastisch verformbar Wertstoff / Haupteigenschaftstrger: Zweischicht- und Dreischichtsilikate Kaolinit / Illit (nichtquellfhig) Wechsellagerungsminerale (quellfhig) Wertstoffverdnnende Minerale: Quarz, Feldspat andere Schichtsilkate Schadstoffe: Sulfide, Karbonate, Sulfate, Phosphate, Eisenoxide

Tonrohstoffe - Gruppe 1 - Tone - Klassifizierung Kaolinittone - dreischichtsilikatarm: Verhltnis Kaolinit : Dreischichtsilikat > 4 : 1 Ausgangsgesteine meist Kaoline granitoider Gesteine hohe Al2O3-Gehalte Kaolinittone - dreischichtsilikatreich: Verhltnis Kaolinit : Dreischichtsilikat 1-2 : 1 Ausgangsgesteine Kaoline des Buntsandsteins und kristallinen Schiefern Dreischichtsilikattone: Verhltnis Dreischichtsilikat : Kaolinit > 2 : 1 marine Tone, Tonsteine, Tonschiefer in allen stratigraphischen Einheiten, quartre Tone partiell hohe Anteile von Wechsellagerungsmineralen

Tonrohstoffe - Gruppe 3 - Bentonite Begriffsbestimmung: nach KNIGHT (1898) Bezeichnung fr einen Ton der kretazischen Benton-Formation (Fort Benton, Montana, USA). Gesteinsbezeichnung fr ein toniges Sediment, das hauptschlich aus Smektiten besteht und dessen physikalische Eigenschaften durch die Smektite bestimmt werden. Produktbezeichnung als Bentonit im technischen Sinne seiner Verwendung.



Tonrohstoffe - Gruppe 3 - Bentonite - genetische Typen

Typ 1: In-situ-Zersetzung vulkanischer Aschen und Tuffe im alkalisch marinen Milieu (Wyoming, USA). Typ 2: Hydrothermale Umwandlung von Vulkaniten in Gebieten mit aktivem Vulkanismus (Hector, USA). Typ 3: Dreischichtsilikatresiduen der exogenen Verwitterung basischer Vulkanite (Basalte und Tuffe der Lausitz). Typ 4: Montmorillonit-Tone mariner Entstehung, durch die Umlagerung und Sedimentation der anderen Typen, v. a. von Typ 3 gebildet.

Tonrohstoffe - Gruppe 3 - Bentonite - Stoffbestand Wertstoff / Haupteigenschaftstrger: Smektite (Montmorillonit) Wechsellagerungsminerale Wertstoffverdnnende Minerale: nichtquellfhige Schichtsilikate Quarz, Feldspat amorphe Bestandteile Schadstoffe: Karbonate organische Substanz Sulfate Eisenhydroxide / Eisenoxide

Tonrohstoffe - Schichtsilikateigenschaften

Die Schichtsilikateigenschaften bestimmen die Eigenschaften der Tonrohstoffe: Komplex der strukturellen Eigenschaften: Kornform / Korngre Gefgebildungen innere Oberflche (Kanalbildungen) Komplex der kristallchemischen Eigenschaften: Adsorption / Ionenaustausch Wasserbindung / Quellfhigkeit spezifische Oberflche Oberflcheneigenschaften Komplex der technologischen Eigenschaften: variabel, abhngig vom jeweiligen Einsatzgebiet



Tonrohstoffe - Einteilung der Schichtsilikate nach ihren Eigenschaften

Nichtquellfhige Schichtsilikate: Kaolinit / Illit / Glimmer / Chlorit niedrige Ionenaustauschkapazitt und spezifische Oberflche Korngre 1 bis 2 m / Kornform Plttchen geringe Wasseraufnahme Quellfhige Schichtsilikate: Smektite / Wechsellagerungsminerale / (Vermiculite) hohe Ionenaustauschkapazitt und spezifische Oberflche Korngre < 1 m / Kornform unregelmig hohe Wasseraufnahme Faserfrmige Schichtsilikate: Palygorskit / Sepiolith hohe Ionenaustauschkapazitt und spezifische Oberflche Faserlnge bis 5 m / Kornform Fasern hohe Wasseraufnahme elektrolytresistent

Tonrohstoffe - Schichtsilikate - Eigenschaften

Mineral Ionenaustauschkapazitt [mVal/100 g]

spezifische Oberflche [m/g]

Nichtquellfhige Schichtsilikate: Kaolinit 3 15 0,1 4 Illit 20 ... 50 5 ... 20 Quellfhige Schichtsilikate: Wechsellagerungsminerale 40 ... 60 20 ... 40 Smektite 80 ... 150 60 ... 80 Faserfrmige Schichtsilikate: Palygorskit 20 ... 100 140 ... 190 Sepiolith 20 ... 100 230 ... 380


0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 5 10 15 20 25

Zeit [h]

Was

sera

ufna

hme

[%]

Kaolinitquellf. DS

Vergleich der Wasseraufnahme von Kaolinit und Smektit (Enslin-Wert).

Vergleich der Korngrenverteilung von Bentonit und Kaolin [4-3].




Anteil der Kornfraktionen eines Bentonites (Masse-%) in Abhngigkeit von der Disper-gierzeit (h) bei der Probenvorbereitung mittels einer rotierenden Schttelmaschine [4-5]. 1 - Fraktion < 2 m 2 - Fraktion < 1 m 3 - Fraktion < 0,5 m

Einfluss der Zwischenschichtkationen (Ca, Na) und von organischen Verbindungen auf den Schichtabstand bei Smektiten [4-3].

Fortschreitende Delamination eines Smektites bei der Dispergierung in Wasser (TEM-Aufnahme).

Literatur / Quellenangaben zum Abschnitt 4

[4-1] GOLD, G.; JUBANY, J.: Wissen im Bild Mineralogie . - Tosa Verlag, Wien 1998

[4-2] JASMUND, K.; LAGALY, G.: Tonminerale und Tone. - Steinkopf Verlag, Darmstadt

1993

[4-3] IBECO: Bentonit im Tiefbau. - IBECO Bentonit-Technologie GmbH, Mannheim 1998

[4-4] MOORE, D. M.; REYNOLDS, R. C.: X_Ray Diffraction of Clay Minerals. - Oxford, University Press 1997

[4-5] STRR, M.; ULLRICH, B.; SCHMIDT, D.: Der Einfluss des Mineralbestandes bei der Erfassung der Primrkornverteilungen in tonmineralhaltigen Substanzen. - Freiberger Forschungshefte, Leipzig A 700(1985). - S. 195 - 202

Umweltgeologie_Abschnitt_004

Documents

Transcript of Umweltgeologie_Abschnitt_004