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Geochemische und hydrochemische Untersuchung zur Genese von Sandstein- und Quarzitkarst in der Chapada Diamantina und im Eisernen Viereck (Brasilien)

[Geochemical and hydrochemical investigation on the genesis of sandstone and quartzite karst of the Chapada Diamantina and the Iron Quadrangle (Brazil)]

Wiegand, Jens; Fey, Michael; Haus, Nadine; Karmann, Ivo

Zeitschrift der Deutschen Geologischen Gesellschaft Band 155 Heft 1 (2004), p. 61 - 90

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published: Aug 1, 2004

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ArtNo. ESP171015501005, Price: 29.00 €

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Kurzfassung

In den mesoproterozoischen Sandsteinen der Chapada Diamantina sowie in paläoproterozoischen und archaischen Quarziten aus dem Raum Ouro Preto (beides Ost-Brasilien) liegt ein ausgeprägter, bislang kaum erforschter Karstformenschatz vor. In beiden Arbeitsgebieten wurden Karren, Kamenitzas, Dolinen, Schlucklöcher, Speleotheme und ein teilweise unterirdisch verlaufendes Entwässerungsnetz sowie Höhlen bis zu 1,1 km Länge und Querschnitte bis zu 50 m untersucht. Diese Studie möchte einen Beitrag zur Karstgenese in quarzitischen Gesteinen leisten – in Gesteinen also, die als weitgehend lösungsresistent gelten. In insgesamt 10 Höhlen wurden petrologische sowie geo- und hydrochemische Untersuchungen durchgeführt und in Laborversuchen Einflüsse auf die Quarz-Löslichkeit in der ungesättigten und gesättigten Zone simuliert. Die Speleogenese ist im Wesentlichen auf die Prozesse Arenitisierung und piping zurückzuführen. Die größere Wasserwegsamkeit entlang der Kreuzungsbereiche von Kluft- und Schichtflächen führt im Sandstein zu einer Korrosion der Quarzmatrix, die im Vergleich zu den Körnern geringfügig löslicher ist. Bei den metamorphen Quarziten kommt es dagegen zu einer Lösung entlang der Korngrenzen zwischen den suturierten Körnern. Beides führt zu einer Vereinzelung der Körner und ermöglicht deren unterirdischen, mechanischen Abtransport (piping). Dabei entwickelt sich der entstehende Hohlraum von einer Erosionsbasis fortschreitend in den Gesteinsverband hinein. Da Sandsteine einen höheren Anteil an Trennflächen aufweisen und die Lösung der Quarzmatrix leichter erfolgt als die Lösung entlang von suturierten Korngrenzen, sind Sandsteine stärker vom piping betroffen als metamorphe Quarzite. In reiferen Phasen der Hohlraumentwicklung werden Erosion und Inkasion zu den wichtigsten Formungsfaktoren. Große Hohlräume entstehen durch das Zusammenbrechen von Zwischendecken von übereinander liegenden, verschieden alten Höhlenniveaus. Eine starke Abhängigkeit der Quarzlösung vom pH-Wert konnte mit einem Lösungsmaximum bei pH 5 innerhalb der untersuchten pH-Spannweite (3,5–7,5) bestätigt werden. Dagegen wurde eine postulierte Erhöhung der Löslichkeit aufgrund der Bildung organischer Si-Komplexe anhand der Geländebefunde nicht nachgewiesen. Weitergehende Laborversuche zeigen, dass Huminstoffe zwar nicht zu einer Erhöhung der absoluten SiO2-Sättigungskonzentration führen, wohl aber die Lösungskinetik beschleunigen, wenn sie in hohen Konzentrationen vorhanden sind. Als Fällungserscheinungen wurden Speleotheme in Form von Koralloiden, Sinterkrusten, Stalaktiten und Stalagmiten aus Opal und dem seltenen Höhlenmineral Variscit untersucht. Auch wenn Datierungsversuche der Speleotheme über U-Pb und ESR Methoden keine verlässlichen Alter ergaben, so ist im Vergleich zum karbonatischen Karst von einem deutlich höheren Alter des Sandstein- und Quarzitkarstes auszugehen.

Abstract

Karst landforms like karren, kamenitzas, dolines, sinkholes, a partially subterraneous drainage system and caves up to 1.1 km length and 50 m in diameter are developed in Mesoproterozoic sandstones of the Chapada Diamantina and in Palaeoproterozoic and Archean quartzites around Ouro Preto (both East Brazil). This study wants to contribute to the karstgenesis in quartzitic rocks, which are usually highly chemical resistant to weathering. Petrological as well as geo- and hydrochemical investigation were conducted in 10 different caves, and laboratory experiments were performed, which simulated the conditions within the vadose and phreatic zones. The speleogenesis largely results from the processes of arenisation and piping. Along the crossings of joints and bedding planes the permeability for groundwater flow is increased leading to a preferential corrosion of the quartz ground mass, which is slightly more soluble than the quartz grains. In the case of the metamorphic quartzites the and laboratory experiments were performed, which simulated the conditions within the vadose and phreatic zones. The speleogenesis largely results from the processes of arenisation and piping. Along the crossings of joints and bedding planes the permeability for groundwater flow is increased leading to a preferential corrosion of the quartz ground mass, which is slightly more soluble than the quartz grains. In the case of the metamorphic quartzites the leaching occurs along the suturic contact of mineral grains. Both processes lead to a separating of mineral grains, which can be transported mechanically by the groundwater flow (i. e. piping). A pre-requisite for this transport is the development of an initial cavity, which starts from an erosion base level and propagates further into the bedrock. Since the number of parting planes and the solubility of the quartz ground mass of sandstones is higher compared to quartzites, sandstones are affected stronger by piping than quartzites. In more mature phases of cavity developement erosion and incasion become the most important morphogenetic parameters. Large cavity volumes originate from the breakdown of ceilings between cave levels of different age developed one on top of the other. A strong correlation between pH value and quartz solubility was approved, showing a solubility maximum around pH 5 (investigated pH range: 3.5–7.5). A postulated increased solubility of quartz due to the formation of Si-organic complexes could not be corroborated by the field data. Further laboratory experiments reveal that humic substances do not elevate absolute SiO2 saturation concentrations, but accelerate dissolution kinetics when occuring at high concentrations. Precipitation of formerly dissolved material is represented by speleothems, which occur as coralloids, crusts, flowstones, stalactites and stalagmites from Opal and from the rare cave mineral varescite. Even age determinations of speleothems by U-Pb and ESR methods failed, it is likely that the sandstone and quartzite karst have a higher age compared to the karst developed in carbonate rocks.

Keywords

sandstonequartzitekarstcavesquartzweatheringdissolutionsilicahumic substancessaturation concentrationdissolution kineticsopalvariscitespeleothems