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Das Gefüge von Schiefer

Wie schon beim Punkt Terminologie erwähnt, gibt es eine grundsätzliche genetische Unterscheidung von intrakratonalen- und orogenen Schiefern. Bei den intrakratonalen Schiefern handelt es sich strenggenommen meißt nicht um Tonschiefer, sondern um Tonsteine, weil diese ausschließlich diagenetisch verfestigt worden sind und nach der Schichtung spalten. Aufgrund dieser hervorragenden Spaltbarkeit nach der Schichtung, werden sie oft fälschlicherweise als Schiefer bezeichnet. Die Oberfläche dieser Tonsteine zeichnet oft die unregelmäßigen Sedimentstrukturen nach und unterscheidet sich daher vom typischen Spaltbild orogener Schiefer wie z. B. den Spaltbesen.

Unter Dachschiefer versteht man in erster Linie orogene Schiefer, bei denen die Schieferung tektonisch angelegt ist. Die Schieferung überprägt dabei die Schichtung und stellt in unterschiedlichem Maße die mechanisch wirksame Spaltfläche dar. Hierbei werden zwei Schiefertypen unterschieden, die sich nach der Beziehung Schichtung-Schieferung richten. Ist die Schieferung parallel zur Schichtung orientiert, handelt es sich um eine Parallelschieferung; diese Schiefer werden auch als Massenschiefer bezeichnet. Im Gegensatz dazu nehmen bei Transversalschiefern Schichtung und Schieferung immer einen Winkel ein.

Die Spaltflächen sind bei Parallelschiefern oft unregelmäßiger, da das Gestein sowohl nach Schichtung als auch der Schieferung spaltet. Bei Transversalschiefern ist im allgemeinen eine regelmäßigere Spaltoberfläche zu beobachten.

Die Schieferung ist das dominierende Gefüge und maßgebend für das Verarbeitungsverhalten sowie die Biegefestigkeit. Aus diesem Grunde wird bei der Untersuchung des Gefüges das Hauptaugenmerk auf die Ausbildung der Schieferung gelegt.

Daneben können im Schiefer unverheilte oder meist mit Quarz mineralisierte Mikrorisse ("crack and sealing") auftreten und mechanische Anisotropien bilden, die wiederum zu einer erhöhten Bruchgefahr führen und somit die Verwendung des Schiefers als Dachschiefer ausschließen.

Oft kommt es bei Erzmineralen aufgrund von Druck-Lösungs-Prozessen im Druckschatten zu Quarzmineralisationen vom Pyrit Typ ("Pyrite Type", Ramsay 1987), welche pure-shear/simple-shear Deformationen anzeigen. Auch die bereits genannten Chloritblasten zeigen Druckschatten als Ergebnis von Druck-Lösungs-Prozessen.

 

Die Morphologie und Klassifizierung der Schieferung

Die Klassifikation einer Schieferung basiert auf der grundsätzlichen Unterscheidung zwischen Bruch- und Fließschieferung S1, die durch eine zweite Crenulation, der Crenulationsfoliation S2, in einem bestimmten Winkel geschnitten werden kann. Im Sprachgebrauch der Dachschieferindustrie hat sich für die Crenulationsfoliation der Begriff der Runzelschieferung durchgesetzt. Dessen ungeachtet wird hier der Terminus Crenulationsfoliation verwendet.

  • Fließschieferung (,continuous foliation`) wird für Schieferungen verwendet, bei denen der Abstand zwischen den Glimmerlagen weniger als 10 μm beträgt oder keine diskreten Flächen festgestellt werden können (Twiss & Moores, 1992).

  • Bruchschieferung (,spaced foliation`) wird für Schieferungen verwendet, bei denen diskrete Glimmerlagen einen Abstand von mehr als 10 μm aufweisen (Twiss & Moores, 1992).

  • Crenulationsfoliation S2 (, crenulation foliation`) tritt in Form harmonischer Falten oder Knickfalten auf, die die erste Schieferung mehr oder weniger überprägen kann. Die einzelnen Schieferungsebenen bezeichnet man in der Schieferindustrie als Glimmerlagen. Diese werden durch den sich auf den S1-Flächen befindenden Kohlenstoff nachgezeichnet", was zur Folge hat, dass die Sichtbarkeit der Glimmerlagen im mikroskopischen Bild auch vom Kohlenstoff-Gehalt abhängt. Dieser Umstand ist auch bedeutend für die Bildanalyse der Schieferung.

Das Gefüge beeinflußt in noch nicht näher definierter Art sowohl Aussehen und mechanische Verhalten, als auch die Biegefestigkeit eines Schiefers. Unterschiede im Gefüge sollten sich daher in abweichenden Schiefertypen und divergierenden Biegefestigkeiten äußern. Aus diesem Grunde sollte die Klassifikation nicht rein phänomenologisch/morphologisch vorgenommen, sondern auch die genannten Parameter berücksichtigt werden.

Ein erstes Schema für eine Klassifizierung wurde von Hirschwald 1908 entwickelt und von Wagner 1989 modifiziert. Das Problem bei dieser Unterteilung ist, dass zwischen gewissen Schieferungstypen kein wirklicher Unterschied festzustellen ist bzw. die Klassifizierung sehr beliebig ausfällt: So ist eine Differenz zwischen 3C und 4C oder zwischen 3B und 3C kaum nachvollziehbar. Es stellt sich weiterhin die Frage, welche unterschiedlichen Eigenschaften davon abgeleitet werden können. Ferner fehlt die grundsätzliche Unterscheidung von Bruch- und Fließschieferung. Aus diesen Gründen ist mit diesem Schema eine Beschreibung der Schieferung oder Klassifikation im Sinne einer echten morphologischen Unterscheidung nahezu unmöglich.

Die Erfahrung zeigt, dass die Schieferung in ihrer Morphologie innerhalb gewisser Bereiche nicht stark variiert und es daher unwahrscheinlich ist, dass solch geringe Unterschiede zu nachvollziehbaren Unterschieden hinsichtlich der Biegefestigkeit und des Aussehens führen. Demzufolge ist es sinnvoller, die Kriterien einer Klassifikation so zu definieren, dass neben der Morphologie auch die Festigkeit einfließt. Dies ist insofern relevant, als dass aufgrund nur geologischer Untersuchungen grundsätzliche Aussagen zur Festigkeit getroffen werden können.

 

Unter Berücksichtigung der erwähnten überlegungen, wurde in Anlehnung an Passchier und Trouw (1996) eine Klassifikation der Schieferung erstellt:

Beziehung Schichtung - Schieferung    
Parallelschieferung    
Parallelschieferung Transversalschieferung
(Bild)
   
Schieferungstypen  
Fließschieferung Bruchschieferung Crenulationsfoliation  
Fließschieferung Bruchschieferung
(Bild)
Crenulationsfoliation
(Bild)
 
Morphologie der Glimmer einer Bruchschieferung
Dichte und Ausbildung
der Glimmer-
lagendichte
Glimmerlagen pro mm gleichmäßig zonal
Glimmerlagen pro mm gleichmäßig
(Bild)
zonal
(Bild)
Form der
Glimmerlagen
rauh irregulär
rauh glatt irregulär
räumliche
Beziehung zw. den
Glimmer lagen
parallel verzweigt konjugierend
parallel verzweigt
(Bild)
konjugierend
(Bild)

 

 

Dichte und Ausbildung der Glimmerlagendichte besagen, wieviel Glimmerlagen pro Millimeter vorkommen und ob Schwankungen in der Dichte vorhanden sind. Untersuchungen Thüringer Schiefer zeigten deutlich, dass sich mit einer zunehmenden Interndeformation, d. h. Durchschieferung der Abstand zwischen den Glimmerlagen verringert (Ehle, 1997).

Gegenüber einer schwankenden Glimmerlagendichte führt eine gleichmäßige Ausbildung zu einem einheitlicheren Erscheinungsbild sowie regelmäßigerem Spaltverhalten.

Glimmerlagen können unterschiedlich ausgebildete Formen zeigen: so bewirken glatte gegenüber rauhen Glimmerlagen eine höhere Elastizität und Festigkeit.

Bei der räumlichen Beziehung der einzelnen Glimmerlagen ist vor allem das Auftreten der Crenulationsfoliation und deren Intensität von Bedeutung. Die Crenulationsfoliation kann so schwach ausgebildet sein, dass sie nur im Mikroskop festzustellen ist. Andererseits kann sie bei intensiver Ausbildung durchaus das Spaltbild sowie die Festigkeit eines Schiefers beeinflussen. Es liegt nahe, dass auch der Winkel zwischen S und S2 einen Einfluss auf das Bruchverhalten eines Schiefers hat.

 

Bilder

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  • Abb. 1.: Transversalschieferung: Schichtung-Schieferung
    nehmen einen Winkel ein.

  • Abb. 2.: Gleichmäßige Glimmerlagendichte mit glatten, parallelen Glimmerlagen und einer hohen Glimmerlagendichte (ca. 70 pro mm).
    (Schieferung verläuft senkrecht)

  • Abb. 3.: Gleichmäßige Glimmerlagendichte mit glatten bis rauhen,
    verzweigten Glimmerlagen und einer mittleren
    Glimmerlagendichte (ca. 50 pro mm).
    (Schieferung verläuft senkrecht)

  • Abb. 4.: Ungleichmäßige Glimmerlagendichte mit rauhen, verzweigten
    Glimmerlagen und einer geringen Glimmerlagendichte (ca. 40 pro mm).
    (Schieferung verläuft horizontal)

  • Abb. 5.: Detailbild von Abb. 4. Die Glimmerlagen umfließen
    die Quarze (im Bild weiß)

  • Abb. 6.: Crenulationsfoliation: Die Hauptschieferung S1 (horizontal) wird
    von einer Crenulationsfoliation S2 (von oben links nach unten
    rechts) überprägt. Dies führt zu einer Verfältelung von S1.

  • Abb. 7.: Detail von Abb.6. Sehr schön ist der Verfältelung von S1
    zu sehen. Je nach Intensität von S2 kann die Biegefestigkeit
    reduziert werden.

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