Definition

Neben einer technischen Definition im Bohrlochsbergbau^[1] bezeichnet Zementation in der Geologie den Transport und die Ablagerung von Mineralsubstanzen in den Zwischenräumen anderer Partikel. Werden erstere dann chemisch ausgefällt, verkitten sie als Bindemittel die anderen größeren Körper. Die Zementation ist einer von mehreren Prozessen hin zur Gesteinsbildung, der sogenannten Diagenese. Man kann die Zementation leicht in einem Versuch nachstellen.

Bildbeschreibung und Urheberrecht — Diese Brekzie wurde Anfang Juli 2022 im Sandwatt am westlichen Ende der Nordseeinsel Wangerooge gefunden. Als Eisenlieferant kommen viele stark verrostete Rohre in Frage, die dort häufig zu sehen waren. Schon Wochen später war der Stein auseinander gefallen. Im Inneren sah man dann eine sehr große Schraubenmutter. Der gute Zustand des Armbandes lässt vermuten, dass der Stein nur wenige Jahre oder höchstens wenige Jahrzehnte benötigte, um sich stark zu verfestigen. Zum Zeitpunkt des Fundes war der Stein sehr fest, das erkennbare Uhrband ließ sich auch mit großer Kraft nicht bewegen. Lediglich die zwei überstehenden Glieder sind leicht drehbar. Mit dem Fingernagel lassen sich keine Körner aus dem Stein lösen und auch im nassen Zustand färbt er auf starken Abrieb mit den Fingern nicht ab. Erkennbar sind roter Rost, ein Uhrarmband und viele Muschelschalen. Der Stein wog rund 450 Gramm, hatte eine Ausdehnung von rund 84 mal 61 mal 64 Millimetern und ein Volumen (Verdrängungsmessung) von rund 140 Kubikzentimetern. Damit kam er auf eine Dichte von etwa 3,2 g/cm³. Das liegt in der Region von Basalt. Salzsäure erzeugte auf den Muschelteilen eine stark schäumende Reaktion, auf den rötlichen Rostteilen hingegen keinerlei Reaktion. Für eine Zementation kommen hier sowohl Salz als auch Eisenoxide (Rost) wie auch Calciumcarbonat in Frage. Ein sehr bemerkenswertes Fundstück!☛

Zementstoffe

Salz

Eine erste, wennauch meist eher schwache und oft vergängliche Stufe der Zementation kann durch die Auskristallisation von Salz aus dem Meerwasser erfolgen. Wenn das Meerwasser zwischen den Sandkörner verdunstet bilden sich Kristalle von Natriumchlorid. Dieser Prozess schreitet von außen nach innen voran.^[3] Siehe dazu auch Zementation (Versuch) ↗

Kalk

Auch in Wasser gelöstes Calciumcarbonat, kurz Kalk, kann bei einer Kristallisation vorher locker zusammengefügte Bruchstücke und Körner zu einem festen Gestein verbinden, etwa bei Sand.^[10] Mit einer solchen Zementation kann man zum Beispiel dort rechnen, wo ständig neue kalkhaltige Gewässer durch ein lockeres Gestein fließen. Aber auch strandnahe Bereiche in flachen Meeren zeigen diese Art der Zementation.^[4]^[5]^[6] Das Begleitbild zu dieser Seite zeigte einen zementierten Stein aus trümmerartig Teilen. Dass Calciumcarbonat, neben Eisenoxiden, als Kitt zur Zementation beitrug legen die vielen Trümmer von Muschel- und Schneckenschalen nahe.

Kieselsäure

Als Kieselsäure bezeichnet man verschiedene Kombinationen von Silizium (Si), Sauerstoff (O) und nicht zwingend nötig aber möglich auch Wasserstoff (H). Zu einer Zementation kommt es, wenn gelöste Komponenten der Kieselsäure Kristalle bilden, wobei dann immer Siliziumdioxid (SiO2) mit ihm Spiel ist. Solche Zementationen kann man zum Beispiel an ehemaligen Meeressanden erkennen, die jahrmillionen nach ihrer Ablagerung zu Gesteinen verfestigt wurden. Ein Beispiel ist der Aachener Tertiärquarzit^{[8] ↗}

Eisenoxide

Auch Eisenoxide, salopp Rost, kann Gesteinsbrocken oder Mineralkörner miteinander verkitten.^[9] Ein sehr eindrucksvolles Beispiel einer Zementation mit wahrscheinlich starkem Eisengehalt zeigt das Begleitbild zu dieser Seite hier: des im Sandwatt einer deutschen Nordseeinsel gefundene Brocken, eine Brekzie aus kantigen Einzeltrümmern, zeigte erkennbar Rost. Einige Wochen nach dem Fund zerbrach der Stein. In seinem Inneren wurde dann eine große stark verrostete Schraubenmutter sichtbar.

Fußnoten

[1] Für die Geophysik ist die Zementation definiert als ein "Vorgang, bei dem der Hohlraum zwischen Bohrlochgestänge und der Bohrlochwand mit Zement ausgefüllt wird. Die Zementation dient der Sicherung des Bohrloches." In: der Artikel "Zementation". Spektrum Lexikon der Geowissenschaften. Abgerufen am 9. August 2025. Online: https://www.spektrum.de/lexikon/geowissenschaften/zementation/18526

[2] Für die Geowissenschaften ist Zementation definiert als ein "Vorgang des Transportes und der Ablagerung von Mineralsubstanzen, die als Bindemittel zwischen Gesteinspartikeln ausgefällt werden." In: der Artikel "Zementation". Spektrum Lexikon der Geowissenschaften. Abgerufen am 9. August 2025. Online: https://www.spektrum.de/lexikon/geowissenschaften/zementation/18526

[3] Die Zementation von Sand mit salzhaltigen Gewässern (brines) ist auch Gegenstand der Wissenschaft: "We study the transition of a granular packing from liquid to solid bonding in the course of drying. The particles are initially wetted by a liquid brine and the cohesion of the packing is ensured by capillary forces, but the crystallization of the solute transforms the liquid bonds into partially cemented bonds." Und speziell zu Natriumchlorid als zementierendes Mittel heißt es: "In this paper, we are interested in the evolution of the macroscopic cohesion of a wet granular material during the evaporation of a solvent (water) and thus crystallization of the solute (sodium chloride). [...] the water evaporates and the solutes crystallize to form solid bonds between grains." Und: die "solidification front propagates from the boundary to the center of the sample." In: Jean-Yves Delenne, Fabien Soulié, Moulay Saïd El Youssoufi, Farhang Radjaï (2010): From liquid to solid bonding in cohesive granular media. arXiv preprint arXiv:1002.4964

[4] Experimentelle Studie zur CaCO₃-Zementation in Sanden; diskutiert Mechanismen der Kalk-Abscheidung im flach-marine/strandnahen Bereich: Molenaar, N.; Venmans, A. A. M. (1993). Calcium carbonate cementation of sand: a method for producing artificially cemented samples for geotechnical testing and a comparison with natural cementation processes. Engineering Geology, 35(1–2), 103–122. DOI: 10.1016/0013-7952(93)90073-L. Online: https://www.academia.edu/47124694/Calcium_carbonate_cementation_of_sand_A_method_for_producing_artificially_cemented_samples_for_geotechnical_testing_and_a_comparison_with_natural_cementation_processes

[5] Ein Modell in dem selektive Aragonit-Auflösung in der flach-subsurface (ASZ, aragonite solution zone) Alkalinitäts-Flüsse und damit sekundäre CaCO₃-Ausfällung (Microspar/Calcit-Zement) in benachbarten Lagen liefert — zentral für frühe diagenetische ZementationMunnecke, A.; Samtleben, C. (1996). The formation of micritic limestones and the development of limestone–marl alternations in the Silurian of Gotland, Sweden. Facies, 34, 159–176. DOI: 10.1007/BF02546162. Online: https://link.springer.com/article/10.1007/BF02546162

[6] Fallstudie aus der Nordsee; beschreibt u. a. frühdiagenetische Calcit-Zemente (verschiedene Generationen) und diskutiert zeitliche/temperaturbedingte Bedingungen der Calcit-Bildung und -Auflösung in sandigen Reservoiren: Lønøy, A.; Akselsen, J.; Rønning, K. (1986). Diagenesis of a deeply buried sandstone reservoir: Hild Field, northern North Sea. Clay Minerals, 21, 497–511. Online: https://www.researchgate.net/publication/249852605_Diagenesis_of_a_Deeply_Buried_Sandstone_Reservoir_Hild_Field_Northern_North_Sea

[7] Fallbeispiele (flach-marine, Eozän) zeigen, wie frühdiagenetischer Kalk-Rand-/Fringe-Zement Sandkörper stabilisiert, Kompaktion verhindert und Porositätsmuster erzeugt — Mechanismen: aragonitische Vorläufer, lokale Lösungs-/Niederschlags-Prozesse, Einfluss von Meerwasser-/Grundwasser-Mixing. In: Molenaar, N. (1990). Calcite cementation in shallow marine Eocene sandstones and constraints of early diagenesis. Journal of the Geological Society, 147(5), 759–768. DOI: 10.1144/gsjgs.147.5.0759. Online: https://www.researchgate.net/publication/238424078_Calcite_cementation_in_shallow_marine_Eocene_sandstones_and_constraints_of_early_diagenesis

[8] Von Verkieselung spricht man in der Geologie, wenn vorher lockere Sedimente durch auskristallisation von Kieselsäure verfestigt werden, eine Art der Zementation und ein Teilschritt hin zur Diagenese: "Sie [die Tertiärquarzite am Nordhang des Aachener Schneeberges] sind die Reste des durch Verkieselung horizontweise verfestigten Tertiärsandes, die nicht wie der lockere Sand um sie herum im Laufe der Zeit abgespült wurden." In: Roland Walter: Aachener Georouten. GEV (Grenz-Echo Verlag). Eupen. 2012. ISBN: 978-3-86712-058-6. Dort die Seite 93 über Tertiärquarzite auf dem Aachener Schneeberg, sowie Weiteres zu Tertitäquarziten verstreut in weiteren Kapiteln.

[9] "Konglomerat, grobkörniges klastisches Gestein aus gerundeten bis kantengerundeten Komponenten mit einer Größe von mehr als 2 mm Durchmesser in einer feinkörnigen Matrix aus Sand, Schluff oder gängigen zementierenden Mineralen (wie Carbonat, Eisenoxid, Kieselsäure, etc.)." Konglomerate entstehen oft an Küsten wenn bei sogenanten Transgressionen das Meer vorherige Landbereiche überflutet. Diese Konglomerate bilden dann oft den unteren Bereich, das sogenannte Basiskonglomerat, der darüber liegenden mächtigeren Meeresablagerungen. In: der Artikel Konglomerat. Spektrum Lexikon der Geographie. Abgerufen am 25. August 2025. Online: https://www.spektrum.de/lexikon/geographie/konglomerat/4280

[10] Kabonate als häufige Zementmittel in Sandstein: "Calcite and dolomite are common cementing minerals in sandstones." In: Heavy Minerals: What They Reveal About Sediments. Sandatlas. Abgerufen am 10. September 2025. Online: https://sandatlas.org/heavy-minerals/