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Definition and Diagenese

Tone sind klastische Sedimente mit einer medianen Korngröße von weniger als 0,002 mm. Sie bestehen zum größten Teil aus Tonmineralen. Chemisch handelt es sich um hydroxidhaltige Aluminiumsilikate. Die meisten Tonminerale bilden planare Kristalle mit plättchenförmiger Struktur und zählen nach der mineralogischen Systematik zur Klasse der Schichtsilikate. Mengenmäßig stark untergeordnet existieren auch Tonminerale mit Faserstruktur sowie amorphe, also nichtkristalline Formen.

Tonminerale entstehen vorwiegend durch Verwitterung feldspatreicher Gesteine in tropischen und subtropischen Klimazonen. Das Hauptbildungsmilieu liegt damit auf dem Festland, bevorzugt in der äquatorialen Waldzone. Hohe Niederschläge und Temperaturen sowie niedrige pH-Werte begünstigen den hydrolytischen Zersatz der feldspatreichen Ausgangsgesteine und damit die Entstehung der Tonminerale als Verwitterungsneubildungen. Der Verwitterungsprozess ist durch Abfuhr von Kieselsäure und Kalium sowie durch relative Anreicherung von Aluminiumoxid und durch Aufnahme von OH-Baugruppen gekennzeichnet. 

Tropischer Regenwald/Federation Saint Kitts & Nevis (2014)
Tropischer Regenwald/Federation Saint Kitts & Nevis (2014)
 
Fluviatiler Sedimenttransport/Elfenbeinküste (2006)
Fluviatiler Sedimenttransport/Elfenbeinküste (2006)
 
Plastischer Kaolinton/Timis, Rumänien (2008)
Plastischer Kaolinton/Timis, Rumänien (2008)

Plastischer Ton

Die Verwitterungskrusten des Festlandes werden früher oder später erodiert und an anderer Stelle wieder sedimentiert. Dies geschieht meistens durch Transport in Flüssen; zum Teil aber auch durch Wind oder Eis. Sofern auf dem Festland flache Becken oder Seen vorhanden sind, werden die Tonminerale bereits hier, zusammen mit meist nur geringen Anteilen an Verwitterungsresten wie Quarz und Feldspäten sedimentiert.

Durch zunehmende Auflast neuer Sedimente werden die abgelagerten Tonschlämme nach und nach verdichtet. Dabei verringert sich das Porenvolumen bei gleichzeitigem Austrieb des Porenwassers um ein Vielfaches. Aus einer ehemals dünnflüssigen Ton-Wasser-Suspension wird im Laufe mehrerer Hundert Tausend Jahre plastischer Ton von meist steifer bis halbfester Konsistenz. Dabei bleiben die einzelnen Tonteilchen von einer molekularen Wasserhülle umgeben, welche die plastische Verformbarkeit ermöglicht. Plastische Tone sind vor allem im Känozoikum (Erdneuzeit) zu finden. Typische Beispiele sind: Tertiäre Tone aus Mitteldeutschland, der Pfalz und der Oberpfalz sowie aus dem Westerwald.

Tonstein

Sofern die Ablagerung nicht in regional begrenzten Becken, sondern in großräumigen tektonischen Senkungsgebieten erfolgt, können sich im Laufe von Millionen von Jahren mehrere Hundert Meter mächtige Tonschichten bilden. Durch die enorme Auflast der Sedimente wird der Porenraum unter gleichzeitiger Abnahme des Wassergehaltes soweit reduziert, das sich diagenetisch verfestigter Tonstein bildet. Durch Austrieb der molekularen Wasserhüllen sind Tonsteine nicht mehr plastisch. Sie können jedoch durch sekundäre Verwitterungsprozesse oder durch Aufbereitung partiell replastifiziert werden.

Aufgrund des deutlichen Anteils an gröberen Mineralen wie Quarz und Feldspäten sind die Tonminerale in der Regel nicht planparallel eingeregelt. Daher weisen Tonsteine meist ein kubisch-polygonales Gefüge auf. Die Schichtfolgen sind häufig durch petrographische Inhomogenitäten wie Sandsteinlagen gekennzeichnet. Tonsteine sind vor allem im Mesozoikum (Erdmittelalter) unter kontinental-wüstenähnlichen Bedingungen entstanden. Typische Beispiele sind: Rote Buntsandsteintone im Eichsfeld und Odenwald, rote Keupertone im Thüringer Becken.

Verfestigter Tonstein/Odenwald, Deutschland (2007)
Verfestigter Tonstein/Odenwald, Deutschland (2007)
 
Verfestigte Deltasedimente/Gehn, Deutschland (2012)
Verfestigte Deltasedimente/Gehn, Deutschland (2012)
 
Tropisches Sedimentationsbecken/Cozumel, Mexiko (2014)
Tropisches Sedimentationsbecken/Cozumel, Mexiko (2014)

Bröckelschiefer

Auch am Übergang zwischen Festland und Meer können Tonpartikel durch die spontan nachlassende Schleppkraft der Flüsse sedimentiert werden. Die Sedimentfracht der Flüsse baut hier mitunter mächtige Deltasedimente auf, die durch mehr oder weniger engständige Wechselfolgen von Tonen und Sanden charakterisiert sind. Durch synchrone Ablagerung von Bodenfracht (Quarz) und Schwebfracht (Tonminerale) sind die Tone durch ein unregelmäßiges und daher bröckeliges Gefüge gekennzeichnet. Man bezeichnet sie daher auch als „Bröckelschiefer“. Sie treten vor allem in diagenetisch verfestigten Schichten des Malms nördlich von Osnabrück auf.

Der weitaus größte Teil der Tonminerale wird mit den Flüssen ins Meer getragen und im Bereich der Kontinentalränder und Ozeanböden abgelagert. Die Sedimentation erfolgt unvorstellbar langsam. Je nach geologischer Position unterliegen die Sedimentationsraten großen Schwankungen von 0 bis über 500 mm in 1.000 Jahren. Im Mittel kann von 30 mm Sediment in 1.000 Jahren ausgegangen werden. Bei stetiger tektonischer Absenkung können mehrere Tausend Meter mächtige Schichtfolgen abgelagert werden.

Schieferton

Durch die hohe Auflast der jüngeren Sedimente werden die liegenden Tone stark komprimiert und entwässert. Da sie in der Regel nur geringe Anteile an Quarz und Feldspäten enthalten, werden die Tonminerale senkrecht zur Druckrichtung planparallel eingeregelt. Aufgrund dieses charakteristischen Absonderungsgefüges werden sie auch als Schiefertone bezeichnet. Im Zuge der tektonischen Hebung erfolgt oft eine Schrägstellung der Schichten. Typische Beispiele stellen meist graue bis braune Schichtfolgen aus dem Oberkarbon und dem Mesozoikum dar.

Verfestigter Schieferton/Ibbenbüren, Deutschland (2007)
Verfestigter Schieferton/Ibbenbüren, Deutschland (2007)
 
Steilgestellter Tonschiefer/Thüringer Wald, Deutschland (2006)
Steilgestellter Tonschiefer/Thüringer Wald, Deutschland (2006)
 
Tonschiefer/Thüringer Wald, Deutschland (2006)
Tonschiefer/Thüringer Wald, Deutschland (2006)

Tonschiefer

Die meisten Tone des Paläozoikums (Erdaltertums) sind im Zuge noch tieferer Versenkung nicht nur erhöhten Druck- sondern auch Temperaturverhältnissen ausgesetzt worden. Neben einer weiteren Verdichtung des Tonmineralgefüges und einer Reduzierung des Gehaltes an Poren- und Adsorptionswasser spielen im Zuge der einsetzenden Metamorphose chemische Umwandlungen der Tonminerale eine zunehmend wichtigere Rolle. So setzt sich der Austrieb von Poren- und Adsorptionswasser, aber auch der Austrieb von OH-Baugruppen aus dem Kristallgitter weiter fort. Aus Tonsteinen und Schiefertonen werden Tonschiefer, die im Zuge intensiver Gebirgsbildung eine tektonische Faltung erfahren. Tonschiefer sind durch eine sehr gute Einregelung der Tonminerale und durch planparallele Absonderungsflächen charakterisiert.

Metamorphe Schiefer

Bei der Metamorphose wird Zwischenschichtwasser weiter reduziert und ausgetrieben. Dabei wandelt sich sowohl Smektit als auch Kaolinit in eine Paragenese aus Illit und Chlorit um. Mit zunehmender Metamorphose entwässert Illit und nimmt gleichzeitig an Kristallinität zu, sodass im Stadium der Grünschieferzone alle Tonminerale in eine stabile Paragenese von Serizit und Chlorit umgewandelt sind.

Diese Transformationen sind in hohem Maße abhängig von der Versenkungstiefe und der Temperatur sowie von der zur Verfügung stehenden Zeit. Bei Temperaturen von rund 75 – 90 Grad C beginnen die Smektite und Mixed-Layer-Minerale zu zerfallen. Dies entspricht einer Versenkungstiefe von rund 2 – 3 km. Bei etwas höheren Temperaturen und größerer Versenkungstiefe werden kaolinitische Tonminerale durch Illite und Chlorite ersetzt.

Phyllitschiefer/Thüringer Wald, Deutschland (2013)
Phyllitschiefer/Thüringer Wald, Deutschland (2013)
Phyllitschiefer/Oppagebirge, Polen (2016)
Phyllitschiefer/Oppagebirge, Polen (2016)
Quarzitschiefer/Strehlener Berge, Polen (2014)
Quarzitschiefer/Strehlener Berge, Polen (2014)

Die beschriebenen physikalisch-mineralogischen Transformationen spiegeln sich grundsätzlich auch im geologischen Alter der jeweiligen Rohstoffe wider. So enthalten die känozoischen bis jungpaläozoischen Tongesteine eine Vielfalt an Tonmineralen, während altpaläozische und präkambrische Tongesteine durch Dominanz an stabilem Illit/Serizit und Chlorit gekennzeichnet sind. Entsprechende Tongesteine finden sich weltweit in Zonen mit intensiver Gebirgsbildung, beispielsweise im Variszikum.