Gesteine und Minerallagerstätten: Erster Band Allgemeine Lehre von den Gesteinen und Minerallagerstätten

537 Pages·1948·18.42 MB·German

by  Paul Niggli (auth.)

LEHRBDcHER UND MONOGRAPH lEN
AUS DEM GEBIETE DER
EXAKTEN WISSENSCHAFTEN
16
MINERALOGISCH-GEOTECHNISCHE REIHE
BAND III
GESTEINE UND
MINERALLAGERSTKTTEN
ERSTER BAND
ALLGEMEINE LEHRE VON DEN GESTEINEN
UND MINERALLAGERSTATTEN
VON
PAUL NIGGLI
PROFESSOR AN DER EIDG. TECHN. HOCHSCHULE
UND AN DER UNIVERSITAT ZORICH
UNTER BESONDERER MITARBEIT FUR TElL IV VON
ERNST NIGGLI
"PROFESSOR AN DER UNIVERSITAT LEIDEN
VERLAG BIRKHAUSER BASEL
1948
Nachdruck verboten. Aile Rechte, insbesondere
das der il'bersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten.
Copyright 1948 by Verlag Birkhiiuser AG., Basel.
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1948
Druck von E. Birkhiiuser & Cie. AG., Basel
ISBN-13: 978-3-0348-7172-3 e-ISBN-13: 978-3-0348-7171-6
DOl: 10.1007/978-3-0348-7171-6
5
VORWORT
Band I des Werkes «G esteine und Minerallagerstattem behandelt die all
gemeinen Grundlagen der Gesteins-und Minerallagerstattenkunde, ohne auf die
in Praktika zu erlernenden Bestimmungsmethoden einzugehen. Verschiedene
Hilfsdisziplinen miissen zur Urteils- und Begriffsbildung herangezogen und in
einer den besonderen Problemen entsprechenden Form dargestellt werden. Die
hiebei zu treffende Auswahl und die Entscheidung, was besser den speziellen
Teilen vorbehaIten bleibe, bildeten die schwierigste Aufgabe des Unternehmens,
gibt es doch fiir diesen ersten Band kaum ein Vorbild. In der Mehrzahl ahn
licher Werke wird sehr friihzeitig nach Sedimenten, magmatischen Gesteinen
und metamorphen Gesteinen gegliedert; die Darstellung der allgemeinen Grund
prinzipien beansprucht nur einen geringen Raum. Da sich nach der Meinung
des Verfassers diese friihzeitige Aufsplitterung und getrennte Begriffsentwick
lung, neben einem oft anzutreffenden Mangel an Vorkenntnissen in den Hilfs
wissenschaften, ungiinstig ausgewirkt hat, muBte ein neuer Darstellungs
versuch unternommen werden. In ihm hatten auch die meist wenig beriick
sichtigten geophysikalischen Grundlagen Platz zu finden, was dem Verfasser
dank der Mitarbeit seines Sohnes, Prof. ERNST NIGGLI (Leiden), der fast aile
Abschnitte von Tei! IV entwarf oder ausarbeitete, moglich war.
Ein von den Behorden der Eidgenossischen Technischen Hochschule be
willigter Beitrag gestattete, alle Figuren neu zu entwerfen. E. DAL VESCO und
W. EpPRECHT haben sich mit groBem Geschick dieser Aufgabe angenommen.
Beim Lesen der Korrekturen fand ich die wertvolle Unterstiitzung von Prof.
e.
BURRI, Prof. E. BRANDENBERGER, Prof. R. L. PARKER, P.-D. Dr. F. DE
QUERVAIN, E. DAL VESCO und Frl. J. MARQUARD. Der Verlag ist hinsichtlich
Ausstattung und Druck den geauBerten Wiinschen bereitwillig entgegen
gekommen.
Band II, «Die exogenen Gesteine und Minerallagerstattem, liegt im Manus
kript druckfertig vor; der in Arbeit befindliche Band III umfaBt «Die endo
genen Gesteine und Minerallagerstattem.
Ziirich, im Dezember 1947. P. NIGGLI.
7
INHALTSVERZEICHNI S
Vorwort . 5
Einleitung 1.3
1. Die stoffliche Grundlage
A. Grundziige der Geochemie
a) Die Haupterscheinungen
Gesteine und Minerallagerstatten . 15
0(.
p. Gesteinschemismus. . . . . . . 17
b) Die A kzessorien
Die selteneren Elemente der Lithosphare 29
0(.
p. Geochemische GesetzmaBigkeiten 36
B. Grundzuge der Kristallchemie
a) Die natiirlichen Atomverbiinde im allgemeinen
Das Verhalten der chemischen Elemente (Atomarten) in den
0(.
Mineralien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
p. Die Bildung von Radikalen und Molekiilen . . . . 43
b) Die kristallisierten Mineralien als Kristallverbindungen
Der kristalline Zustand . . . . . . . . . . . . . 47
0(.
p. Grundztige der Darstellung und Beschreibung einer Kristall-
struktur. Die Koordinationszahlen . . . . . . . . . .. 52
y. Das Koordinationsschema und die Koordinationspolyeder 52
6. Die Raumbeanspruchung der Teilchen . .. . . . . . ., 56
Der Begriff der Kristallart bzw. Mineralart und die Variation
E.
im chemischen Sinne . . . . . . . . . . . . . . . .. 56
C. Das Verhalten der Kristall- oder Mineralarten gegentiber
physikalischen Bedingungsanderungen . . . . . . . .. 64
C. Die wichtigsten Mineralien in einfachster Schreibweise
a) Vorbemerkungen
Allgemeines tiber Darstellung einfacher, idealisierter Mineral-
0(.
zusammensetzungen . . . . . . . . . . . . . 68
p. Die chemische Formulierung der Silikate . . . . 70
b) Si0 und Silikate mit monomikten Tetraederstrukturen
2
Quarz und Verwandte 72
0(.
p. Feldspate . . . . . . . . . . 72
y. Feldspatoide (Foide) . . . . . 74
6. Feldspatoide mit eingelagerten Anionen (doppelsalzartige
Verbindungen). . . . . . . . . ...... , 75
s. Feldspatahnliche Alumosilikate mit eingelagerten Anionen
(doppelsalzartige Verbindungen) . . . . . . . . . . 75
C. Zeolithe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
1). Schichtartige Tetraederstrukturen mit verbindenden Ca-
Ionen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
8 Inhaltsverzeichnis
D. Monomikte Be- und Zn-Silikate mit Tetraederstrukturen
ohne andere Kationen 77
c) Schichtsilikate
IX. Glimmertypus . 78
p. Talk-, Pyrophyllittypus . 80
y. Kaolinittypus 80
o. Chlorite. 81
So Serpentin 81
~. SprOdglimmer 82
1}. Glaukonit. 82
D. Apophyllit 82
d) Bandsilikate: Hornblenden oder Amphibole
IX. Strahlsteine . 83
p. Alkaliamphibole, Alkalihornblenden 83
y. Gemeine griine und basaltische braune Hornblenden 83
e) Kettensilikate (A ugite bzw. Pyroxene) und Ringsilikate
IX. Kalkarme Mg-Fe-Augite 84
p. Kalkreiche, Al-arme Augite 84
y. Alkaliarme, kieselsaurearme und Al-reiche Augite 85
o. Alkaliaugite . 85
c. Augitahnliche Silikate ohne Kettenstruktur, oft mit Ringen 85
f) Orthosilikate. SiO,-Tetraeder nicht unter sich zusammenhiingend
IX. Normale Orthosilikate 86
p. Hydroxy-, F-und Oxy-Orthosilikate " 87
g) Silikate verschiedener Strukturtypen
IX. Al-reiche Silikate . 88
p. Ca-reiche Silikate. 88
y. Borsilikate 89
h) Phosphate, Wolframate, Sulfate
IX. Phosphate. 89
p. Wolframate 90
y. Sulfate 90
i) Karbonate, Nitrate, Borate
IX. Karbonate und Nitrate 91
p. Borate 91
k) Oxyde, Hydroxyde, spinellartige Verbindungen
IX. Oxyde 91
p. Spinellartige Oxyde 92
y. Hydroxyde und Oxyhydroxyde 94
O. Eis und Monoxyde 94
1) H alogensalze
IX. Einfache Salze . 94
p. Halogenosalze 95
m) Sulfide, SUlfosalze usw.
IX. Einfache Verbindungen 95
p. Sulfosalze. 98
n) Chemische Elemente als Kristallverbindungen
IX. Nichtmetalle. 98
p. Metalle 98
0) Tabelle 8: Benutzte Abkurzungen fur Verbindungstypen 99
Inhaltsverzeichnis 9
II. Das Gefuge
A. Der Mineralverband
a) Allgemeines
Das Aggregat und sein Gefiige . 101
0(.
p. Die Abgrenzung der Einheiten . 103
y. Die GroBgliederung, Absonderung und Teilbarkeit der Ge-
steinskorper und Minerallagerstatten 104
b) Das Gestein oder die Minerallagerstiitte als Ganzes
Lagerstattenform und geologische Verbandsverhaltnisse . 105
0(.
p. Einheitlichkeit des Gefiiges 108
c) Der Gefugeaufbau aus Einzelbauelementen
Zahl der Mineralien und Anwendung der Theorie der Statistik
0(.
auf Probleme der Petrologie . 111
p. Quantitativer Mineralbestand 124
B. Strukturelle Beziehungen zwischen den Gefugekarnern
a) Kristallinitiit und KorngrofJe
Grad der Kristallinitat . . . . . . . . . . . . . . . . 141
0(.
p. Allgemeines tiber die KorngroBen und Strukturbereiche. . 143
y. Die KorngroBenuntersuchungen in holokristallinem Fels
gestein bzw. im kristallinen Anteil hemikristalliner Fels
gesteine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 146
o. Die Kornstufengliederung und Kornverteilung von Locker
gesteinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ., 150
s. Die Benennung der Korngemische. Grade der Aufbereitung 161
C. Allgemeine kritische Bemerkungen zur KorngroBenanalyse 171
b) Die Form der Gefugekorner
Individuelle Korngestalt . . . . . . . . . . . . 174
0(.
p. Gesamtgefiige und Korngestalt. . . . . . . . . . 184
y. Die Verwachsungs- und Durchwachsungsverhaltnisse 187
o. Allgemeine Bemerkungen iiber die Strukturbezeichnungen. 206
C. Texturelle Beziehungen zwischen den Gefugekornern
a) Gefugeanisotropie
Grundbegriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
0(.
p. Allgemeines tiber den EinfluB der Kristallanisotropie auf
Korngestalt und Implikationsgefiige . . . . . . . . 210
y. Lokale, ortsgebundene Gefiigeregelungen und Gefiigeinhomo-
genitaten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 212
o. Bestimmung der gesteinstypomorphen Gefiigeregelungen 222
Ursachen der gesteinstypomorphen Gefiigeregelungen.. 243
6.
b) Die Raumerfullung bzw. Porositat
Die Bestimmung des Porositatsgrades, des Raumgewichtes
0(.
und wahren spezifischen Gewichtes. . 255
p. Wesen der Porositat . . . . . . . . 256
y. Folgen der Porositat, scheinbare Porositat. 265
D. Angaben uber technische Eigenschaften der Minentlaggregate und
ihre Beziehung zu Mineralbestand und Gefuge
a) Verbandsstarke
Festigkeit. . . . . . . . . . . . . 269
0(.
p. Verbandsfestigkeit und Abnutzbarkeit 270
10 Inhalt sverzeichnis
b) Frost- und Wetterbestiindigkeit
at. Frostbestandigkeit . . . . 273
fl. Wetterbestandigkeit . . . 274
y. Farb- und Feuerbestandigkeit 278
III. Pkysikalisck-ckemiscke Grundlagen der M ineral-und Minerallagerstiitten
bildung
A. Gesetze der Bestiindigkeit und Koexistenz von Mineralien in Mineral
aggregaten
a) Allgemeine Erwiigungen
at. Heterogenitat . . . . . . . . . 279
fl. Gleichgewicht, Stabilitat, Haltbarkeit. . . . . . . . . . 280
b) Tkermodynamiscke Grundlagen der Klassilikation von Pkasen
gemiscken
at. Die Phasenregel . . . . . . . . . . 282
fl. Anwendungsbereich der Phasenregel . 287
c) Allgemeines uber grapkiscke DarsteUungen
at. Die P-T-Diagramme .............. . 288
p. Graphische Darstellung der Konzentrationsverhaltnisse 291
d) Die ckemograpkiscken Beziekungen
at. Unarer Teilraum . 294
p. Binarer Teilraum 299
y. Ternarer Teilraum 304
~. Quaternarer Teilraum 311
B. Beliebig polynarer Teilraum 312
e) Entartete Systeme
at. Allgemeines . . . . . . . . . . . . . 312
p. Praktische Vereinfachungsmoglichkeiten 315
y. Beispiele . . . . . . . . . . . . 317
f) Die Konstruktion von P-T-Diagrammen
at. Normalfall . . . . . . . . . . . 326
p. Entartete Systeme . . . . . . . . 335
g) (Jbergang von P-T-Diagrammen und Konzentrationsdiagrammen
zu gemisckten Darstellungen
at. Die Anhydrit-Gips-Bildung in Gegenwart von Wasser und
Wasserdampf . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 336
p. Gesamtverhalten eines binaren Systems, bestehend aus
einem leichtfliichtigen Bestandteil vom Charakter des HaG
und einer schwerfliichtigen Komponente vom Charakter eines
normal schmelzenden Silikates oder gewohnlichen Salzes.
ohne Auftreten von Zwischenverbindungen . . . . . . . 338
B. Fur die Mineralbildung wicktige Prozesse
a) Die Kristallisation aus Losungen
at. Kristallisationsvorgange ohne Mischkristallbildung 346
p. Kristallisationsvorgange bei Mischkristallbildung . 358
b) Entmisckungen in llUssigem und lestem Zustand. Destillations
prozesse
at. Entmischungen 363
p. Destillation . . 365
Inhalt sverzeichnis 11
c.
Die Vorbereitung der Kristallisationsvorgiinge
a) Die homogenen Gleichgewichte und stationiiren Zttstiinde
ex. Das Massenwirkungsgesetz 367
fl. Stationlire Zustlinde . . . . . . . 371
y. Nichtanwendbarkeit der Phasenlehre 375
d. Kolloidale Systeme. . . . . . . . 375
b) Chemische Kinetik und Ober/liichenreaktionen
oc. Die Phasenneubildung . . . . . . . . . . . . . . . . 378
fl. Oberflliehenreaktionen . . . . . . . . . . . . . . . . 381
y. Allgemeines iiber das Problem des Stoffaustausches innerhalb
der festen Erdkruste . . . . . . . . . . . . . . . . . 384
IV. Geophysikalische Grundlagen zur Gesteins-und M inerallagerstiittenkunde
A. Allgemeine Geophysik der iiufJeren ErdhiUle
a) Das generelle Verhalten der Erdkruste. . . . . . . . . . . . 397
b) Die Temperaturverhiiltnisse innerhalb der Erdkruste
ex. Die geothermische Tiefenstufe . . . . . . 399
fl. Extrapolation auf groBere Erdkrustentiefen 401
y. Die Variabilitlit der Temperaturverteilung 404
d. Wlirmeleitflihigkeit. . . . . . . . . . . 406
£. Spezifische Wlirme . . . . . . . . . . . 409
~. Radioaktive Eigenschaften und Wlirmehaushalt in der Erd-
rinde. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 410
C) Die Druckverhiiltnisse in der Erdrinde
oc. Der durch Belastung entstandene mehr oder weniger hydro
statische Druck in der liuBeren Lithosphlire und Dichtever-
hliltnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
fl. Druck- und Temperaturverhliltnisse. . . . . . . . . . . 420
d) Allgemeines uber das mechanische Verhalten von Mineralien und
Gesteinen . . . . . . . . 424
e) Viskositiit und Flief3/iihigkeit 427
f) Die elastischen Eigenscha/ten
oc. Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435
fl. Bestimmungen von" und Druckabhlingigkeit von" 437
y. Bestimmungen des Elastizitlitsmoduls E 441
lJ. Messungen der Poissonschen Zahl (J. • • • • • • • 443
£. Bestimmungen von V und VI • • • • • • • • • • • 445
g) Allgemeine Folgerungen uber den Au/bau der iiufJeren Erdhulle
oc. Ergebnisse der Erdbebenseismik und Aufbau der liuBeren
Lithosphlire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 7
fJ. Die Schwere an der Erdoberflliche und ihre Bedeutung fUr
Aussagen iiber den Untergrund (Isostasie) 451
I'. SchluBbemerkungen . . . . . . . . . . . . . . . . . 453
B. SPezielle geophysikalische Verhiiltnisse
a) Die elektrischen Eigenscha/ten
ex. Der spezifische Widerstand (respektive Leitflihigkeit) 454
fl. Spezifischer Widerstand von Mineralien und Gesteinen 455
y. Die Dielektrizitlitskonstanten . . . . . . . . . . . 459
12 Inhalt sverzeichnis
b) Die magnetiscken Eigensckaften
IX. Erlauterungen und Definitionen . . . . . 461
(J. Magnetische Eigenschaften der Mineralien . 464
y. Magnetische Eigenschaften von Gesteinen . 466
C. A ngewandte Geopkysik
Allgemeine Literatur uber angewandte Geopkysik 470
a) Gliederung del' Metkoden . . . 470
b) Gravimetriscke Metkoden
IX. Literatur und Grundlagen . . .,. . . . 471
p. Pendel und statische Schweremesser (Gravimeter) 471
y. Die Drehwaage. . . . . . 472
d. Anwendung der Methoden. . . . . . . . . . . 473
c) Seismiscke M etkoden
IX. Literatur und Grundlagen . 475
p. Das Refraktionsverfahren . 477
y. Die Reflexionsseismik 480
d. Dynamische Baugrunduntersuchungen 482
d) Die elektriscken und elektromagnetiscken Metkoden
IX. Grundlagen und Literatur . 482
p. Gleichstrommethoden 483
y. Fremdstrommethoden 484
d. Wechselstrommethoden . 486
E. Induktionsmethoden . 486
C. Hochfrequenzverfahren . 486
YJ. Bohrlochmessungen. . . 487
e) Die magnetiscken M etkoden
IX. Literatur und Grundlagen . 487
p. Die Messungen. . . . . . 488
y. Auswertung und Anwendungen 488
f) Radioaktive Methoden
IX. Besondere Literatur und Grundlagen 490
p. Messungen 490
g) Geotkermiscke Metkoden . . . . . . . 491
h) Geockemische M ethoden . . . . . . . 491
V. Grundlagen del' Klassifikation und Systematik del' Gesteine und Mineral
lagerstatten
A. Allgemeines. . . . . . . . . . . . . . . 493
B. Die exogenen Gesteine und Minerallagerstatten
a) Allgemeines und ublicke Gliederung . . . . . 495
b) Neue Gliederung del' exogenen Gesteine und Minerallagerstatten
IX. Die autochthonen Verwitterungslagerstatten und Gesteine 496
p. Die Sedimente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496
C. Die endogenen Gesteine und Minerallagerstatten
a) Allgemeines und ublicke Gliederung . . . . . . . . . . . . 499
b) Neue Systematik del' endogenen Gesteine und Minerallagerstatten
IX. Kata- bis mesothermale Gesteine und Minerallagerstatten 503
p. Epi- bis mesothermale Gesteine und Minerallagerstatten
endogenen Ursprungs . 506
Einige Literaturangaben 511
Sackregister . . . . . . . . . . . 515