1.2 Grundzüge der Kaolin- und Bauxitgenese

1.2.1 Kaolin

Der Name Kaolin leitet sich von dem chinesischen Wort "Kao-ling" bzw. "Kauling" ab, was soviel wie "hoher Hügel" bedeutet. Der Begriff wurde 1867 von JOHNSON übernommen (RÖSLER 1988). Kaolin, früher auch als Porzellanerde bezeichnet, wurde bereits vor Jahrhunderten nahe Jauchau Fu (Provinz Jiangxi / SE-China) abgebaut (GRIM 1968, KELLER 1979). Deshalb wird im Englischen für Kaolin auch oft der Terminus "china clay" gebraucht.

Das Gestein Kaolin setzt sich in erster Linie aus den Tonmineralen der Kaolinitgruppe zusammen. Dazu gehören Kaolinit, Dickit, Nakrit, Halloysit, Metahalloysit und Anauxit, wobei Kaolinit weitaus am häufigsten vorzufinden ist. Die Mineralphasen Quarz, Glimmer, Feldspat, Smektit, Anatas, Rutil, Hämatit und Goethit etc. sind weitere wichtige Bestandteile der Kaoline.

Kaolinit mit der Strukturformel Si₄Al₄O₁₀(OH)₈ besteht aus 46,54% SiO₂, 39,5% Al₂O₃ und 13,96% H₂O (GIESE 1988, WEAVER 1989). Unter natürlichen Bedingungen unterliegt diese stöchiometrische Zusammensetzung nur geringen Schwankungen, jedoch können Eisen (Fe³⁺, Fe²⁺) und Titan das Aluminium in geringem Umfang im Kaolinitgitter ersetzen (WEISS & RANGE 1966, ANGEL & HALL 1972, FYSCH et al. 1983, SCHEFFER/SCHACHTSCHABEL 1989). Silizium und Aluminium liegen in Kaolinen wahrscheinlich in geringen Anteilen auch als amorphe Phasen vor (FOLLETT et al. 1965, KELLER et al. 1966).

Die pseudohexagonalen Kaolinitkristalle, die Größen bis ca. 10µm erreichen können, besitzen eine Zweischichtstruktur und bestehen aus einer SiO₂-Tetraeder- und einer Al(OH,O)₆-Oktaederschicht. Zwischen den Schichten herrschen Van-der-Waalsche Bindungskräfte.

Der sogenannte "fire clay" stellt im deutschen Sprachgebrauch einen nach der b-Achse fehlorientierten Kaolinit dar, wobei die Fehlordnungsstruktur einen Übergang von der triklinen zur monoklinen Kristallklasse bedingt und eine Schwächung der Wasserstoffbrücken-Bindung zur Folge hat (HEIM 1990). Die Strukturvarietäten triklin und monoklin lassen sich nach RÖSLER (1988) durch die Richtung und den Betrag der Schichtversetzung sowie durch die Verteilung der unbesetzten Oktaederplätze in der Schicht erklären. Weitere ausführlichere Informationen über strukturelle Merkmale der Kaolinitgruppe finden sich z.B. bei GIESE (1988) und WEAVER (1989).

Kaolinit bildet sich vorwiegend unter humid-tropischen Klimabedingungen sowie untergeordnet in warmen, gemäßigten bis subtropischen Klimaten (HEIM 1990, WEAVER 1989). Er entsteht hauptsächlich bei der Verwitterung von Alumosilikaten, im wesentlichen Feldspäte und Glimmer, wobei vor allem die Alkalien, Erdalkalien und ein Teil des Siliziums durch die Verwitterungslösungen abgeführt werden. Dieser Prozess wird wesentlich durch die Hydratisierung und Hydrolyse der Alumosilikate bestimmt. Neben den klimatischen Bedingungen sind morphologische Situation, Erosionsrate, Ausgangsgestein, Höhe des Grundwasserspiegels, Grundwasserströmung, organische Säuren, pH-Eh-Wert, Aktivität und Ionenverhältnisse in der Lösung sowie Drainagebedingungen weitere wichtige Faktoren für die Kaolingenese (MURRAY et al. 1978, KELLER & HANSON 1970, LASCH 1978). Hinsichtlich dem Zusammenwirken dieser Faktoren weisen KELLER & HANSON (1970) darauf hin, dass beispielsweise das Verhältnis [K⁺]/[H⁺] oder [Na⁺]/[H⁺] darüber entscheidet, ob bei der Verwitterung Kaolinit oder Illit gebildet wird. In ähnlicher Weise können unterschiedliche Si/Al-Verhältnisse oder die Aktivität der Kationen, die wiederum in direktem Zusammenhang zur morphologischen Situation bzw. Drainage stehen, alternativ zu einer Bildung von Smektit, Illit oder Kaolinit führen.

BRISTOW (1987) unterscheidet nach der Genese primäre und sekundäre Kaoline. Primäre Kaoline entstehen demnach durch in-situ-Verwitterung alumosilikatreicher Gesteine oder auch bei hydrothermaler Alteration. Sekundäre Kaoline sind Umlagerungsprodukte. Kaolinitische Sande können durch in-situ-Verwitterung von Arkosen infolge zirkulierender Grundwässer entstehen oder werden bereits als Mischungen von Kaolinit und Sand abgelagert.

Hydrothermal gebildete Kaoline sind besonders häufig mit feldspatreichen Gesteinen wie Granit, Granodiorit, Rhyolith, Andesit etc. verknüpft (WIMMENAUER 1985) wie beispielsweise die granitderivaten Kaoline von St. Austell/SW-England. Die Umwandlung und Verdrängung der Minerale erfolgt durch aszendente Alterationslösungen, welche durch die Temperatur des nur langsam abkühlenden Plutons bzw. durch höhere Gehalte an radiogenen Elementen im Granit (high heat producing = HHP-Granite) erhitzt wurden. Auch in vulkanischen Gebieten wie in Mexiko, Japan oder Russland (Kamtschatka, Kurilen) finden sich hydrothermal gebildete Kaoline, wobei niedrigthermale saure Lösungen oder Gase die Ausgangsgesteine alteriert haben (KELLER & HANSON 1970, DE PABLO-GALAN 1979).

Als Flintclays werden harte, nicht plastische und nicht in Wasser dispergierbare kaolinitische Gesteine bezeichnet, die einen muscheligen, "flintartigen" Bruch aufweisen. Nach KELLER (1982) sind mehrfache Verwitterungs- oder Sedimentationsszyklen ein wesentlicher Faktor für deren Genese. Beste Voraussetzungen bildet ein sumpfiges oder fluviatiles Environment. Die charakteristische Verzahnung der Kaolinitkristalle weist auf eine in-situ-Kristallisation hin, wobei Lösung und Rekristallisation des Kaolinits zu jener besonderen Textur und zu den speziellen Festigkeitseigenschaften führen. Bei einer fortdauernden Lösung des Siliziums bilden sich freie Aluminiumphasen wie Gibbsit, Böhmit oder Diaspor im Kaolin, wie beispielsweise in den Flintclays von Missouri (U.S.A.), die auch als "burley-flint clays" bezeichnet werden (KELLER 1982, BRISTOW 1987). CURTIS & SPEARS (1971) vertreten die Ansicht, dass sich Flintclays durch Resilifizierung der freien Aluminiumphasen bilden. Dieser Prozess bewirkt eine Volumenvergrößerung sowie eine Verzahnung der Kristalle, die wiederum zu erhöhter Härte und typischer Brucheigenschaft des Gesteins beiträgt. Auf die Möglichkeit der Kaolinitbildung infolge einer Resilifizierung von Gibbsit wird ebenfalls von SCHEFFER/SCHACHTSCHABEL (1989) hingewiesen. DANGIC (1985) beschreibt diesen Prozess für Karstbauxite im ehemaligen Jugoslawien.