Gesteinsdichte

Eisberg: fast 90 % sind unter Wasser

Die Dichte von Gestein gehört neben der Härte, der mineralischen Zusammensetzung, dem Gefüge (sichtbare Struktur), dem Glanz und der Elastizität zu den wichtigsten geologischen bzw. Werkstoffeigenschaften von Gesteinen.

Inhaltsverzeichnis

Grundlagen

Die Dichte ist durch das Verhältnis der Masse m eines Körpers zu seinem Volumen V definiert:

\rho = \frac{M}{V} (Masse pro Volumen).
Formelzeichen ist meist ρ (griech. rho)

Tatsächlich sind aber Gesteine keine idealen homogenen Körper, sondern mehr oder minder porös, und enthalten daher Wasser, oder nehmen es bei der Messung noch zusätzlich auf. Im ersteren Falle ermittelt man eine Rohdichte, die von der (theoretischen) Reindichte des Gesteins abweicht, und darüber eine Aussage über den Wassergehalt. Im zweiteren Falle verfälscht die Messung das Ergebnis und das ist zu vermeiden. Hochporöse Gesteine wie auch Böden lassen sich schlecht im Originalzustand bergen (solche Proben nennt man Handstück), daher wird die Dichte nach Möglichkeit in situ gemessen, und die Geowissenschaften verwenden etliche spezielle Methoden.

Insbesondere lassen sich nur Mittelwerte ermessen, da der Grundwassergehalt des Aquifers örtlich wie zeitlich starken Schwankungen unterliegen kann.

Dichtemessung und Einfluss der Feuchtigkeit

Bei Mineralen und Gesteinen kann die Dichte prinzipiell wie bei anderen Festkörpern bestimmt werden, indem die Masse durch eine feine Waage gemessen und das Volumen des handstücks mittels der Wasserverdrängung festgestellt wird (Archimedisches Prinzip). Doch ist dabei rasch vorzugehen, damit nicht zuviel Wasser in die Poren und feinen Klüfte des Gesteins eindringt oder ausfliesst, und die Volumensmessung verfälscht.

In der Bohrloch-Geophysik bestimmt man – neben anderen Parametern – oft auch die Dichte mit dem Dichtelog DL (auch Density-Log oder Gamma-Log genannt), das auf der Messung von gestreuter, energiereicher Gammastrahlung beruht. Ihre Intensität ist von der Dichte des umgebenden Gesteins abhängig (Absorption durch die Elektronenhüllen der am Gesteinsaufbau beteiligten Atome). Der nicht absorbierte Teil (Compton-Effekt) wird zum Messgerät zurückgestrahlt. Die Methode ist nicht zu verwechseln mit dem ähnlich benannten Gammaray, das zur Sand-Ton-Unterscheidung dient.

Solche Schnellverfahren wären zwar für die Feldarbeit des Geologen nützlich, sind aber noch nicht in Sicht bzw. wären zu gefährlich. Bisher muss die geologische Aufnahme meist auf in situ-Dichtebestimmungen verzichten.

In den Geowissenschaften wird die Gesteinsdichte entweder in g/cm³ angegeben (also relativ zu Wasser), oder in kg/m³ (was einen 1000mal höheren Wert bedeutet). So hat Granit – das häufigste Gestein der Erdkruste – eine Dichte von etwa 2,7 g/cm³ bzw. 2700 kg/m³.

Bei porösen Handstücken (insbesondere bei Sedimenten und bei Ton-Gesteinen) muss man – wie oben erwähnt – zwischen der Rohdichte (einschließlich der Hohlräume) und der Reindichte (Volumen ohne Hohlräume) unterschieden. Bei vielen Gesteinen und bei Bohrkernen ist außerdem zwischen bergfeuchtem und getrocknetem Zustand zu differieren. Die Trockendichte (die der Darrdichte bei Holz vergleichbar ist) kann z. B. nach Pulverisierung ermittelt werden.

Einige Dichtewerte und mögliche Abweichungen

Dichten ausgewählter Gesteine (Durchschnittswerte; nach Handbuch „Hütte“, Geophysik L.Egyed u. a. Quellen)
Material Dichte in g/cm³ Bemerkung
Bimssand, Bimskies 0,7–0,8
Sand (grubenfeucht) 1,2–1,5
Schotter/Kies 1,3–1,5 mittlere Korngröße
Kiessand 1,4–1,6
Tone 1,3–2,0 je nach Wassergehalt
Tonschiefer 1,8–2,8
Beton 1,8–2,4
Tegel (Wiener Becken) 1,9–2,2 je nach Tiefe und Alter
Graphit 2,25
Gips 2,3
Molasse (Schweiz) 2,42–2,67
Sandstein 2,35–2,7 Mittel 2,5; je nach Kompaktion
Quarzporphyr 2,59–2,67
Grauwacke 2,65–2,75
Tonschiefer 2,77–2,84
Granit ("sauer") 2,55–2,81 Standardwert: 2,67
Granodiorit 2,67–2,78 Mittelwert: 2,72
Quarzdiorit 2,68–2,96 Mittelwert: 2,81
Gneis 2,66–2,72
Syenit (intermediär) 2,65–2,85 Mittelwert: 2,75
Diorit 2,72–2,96 Mittelwert: 2,84
Gabbro ("basisch") 2,75–3,10 Mittelwert: 2,98
Kalkstein 2,45–2,80 Mittelwert: ~2,7
Marmor 2,62–2,84
Dolomit 2,3–2,95 Mittelwert: ~2,8
Basalt 2,9–3,15
Peridotit (ultrabas.) 3,15–3,28 Mittelwert: 3,23; oberer Mantel
Eisenoxid (Rost) 5,1
Dichtesprung Moho 2,8 auf 3,2/3,3 Kruste-Mantel-Grenze

Die tabellierten Werte sind nur als Richtwerte zu verstehen. Sie können in der Natur durch verschiedene Einflüsse variieren, wozu unter anderem gehören:

Der in der Laborphysik meist beachtete Einfluss der Temperatur kann hingegen vernachlässigt werden, weil die natürliche Varianz der Dichte bei ein- und demselben Gestein eine Genauigkeit besser als etwa ±0,01 g/cm³ sinnlos macht. Noch weniger macht der (theoretische) Unterschied einer Wägung in Luft oder im Vakuum aus.

Siehe auch

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