Sandstein

Sandstein ⓘ

Sedimentäres Gestein
Geschnittene Platte aus Sandstein mit Liesegang-Bänderung
Zusammensetzung
Typischerweise Quarz und Feldspat; auch lithische Fragmente sind häufig. In besonders reifem Sandstein können auch andere Mineralien vorkommen.

Sandstein ist ein klastisches Sedimentgestein, das hauptsächlich aus sandgroßen (0,0625 bis 2 mm) Silikatkörnern besteht. Sandsteine machen etwa 20-25 % aller Sedimentgesteine aus. ⓘ

Der meiste Sandstein besteht aus Quarz oder Feldspat (beides Silikate), da diese Minerale am widerstandsfähigsten gegenüber Verwitterungsprozessen an der Erdoberfläche sind. Wie unzementierter Sand kann auch Sandstein aufgrund von Verunreinigungen in den Mineralien jede beliebige Farbe haben, die häufigsten Farben sind jedoch hellbraun, braun, gelb, rot, grau, rosa, weiß und schwarz. Da Sandsteinschichten oft gut sichtbare Klippen und andere topografische Merkmale bilden, sind bestimmte Farben von Sandstein stark mit bestimmten Regionen verbunden. ⓘ

Gesteinsformationen, die hauptsächlich aus Sandstein bestehen, lassen in der Regel das Versickern von Wasser und anderen Flüssigkeiten zu und sind porös genug, um große Mengen zu speichern, was sie zu wertvollen Grundwasserleitern und Erdöllagerstätten macht. ⓘ

Quarzhaltiger Sandstein kann durch Metamorphose in Quarzit umgewandelt werden, was in der Regel mit der tektonischen Kompression innerhalb orogener Gürtel zusammenhängt. ⓘ

„Roter Mainsandstein“ (Sandstein der frühen Trias) ⓘ

„Bentheimer Sandstein“ (Sandstein der Kreide) ⓘ

Gerölle aus Sandstein ⓘ

Ursprünge

Sandsteine sind klastischen Ursprungs (im Gegensatz zu organischen, wie Kreide und Kohle, oder chemischen, wie Gips und Jaspis). Die Silikatsandkörner, aus denen sie sich bilden, sind das Ergebnis physikalischer und chemischer Verwitterung des Grundgesteins. Verwitterung und Erosion sind in Gebieten mit hohem Relief am schnellsten, z. B. in Vulkanbögen, Gebieten mit Kontinentalverschiebung und orogenen Gürteln. ⓘ

Der erodierte Sand wird durch Flüsse oder den Wind aus seinen Ursprungsgebieten in Ablagerungsgebiete transportiert, in denen die Tektonik Raum für die Ablagerung von Sedimenten geschaffen hat. In Forearc-Becken sammelt sich in der Regel Sand an, der reich an lithischen Körnern und Plagioklas ist. Intrakontinentale Becken und Gräben entlang der Kontinentalränder sind ebenfalls häufige Orte für die Ablagerung von Sand. ⓘ

Während sich die Sedimente in der Ablagerungsumgebung weiter ansammeln, wird älterer Sand von jüngeren Sedimenten begraben und unterliegt einer Diagenese. Diese besteht hauptsächlich in der Verdichtung und Lithifizierung des Sandes. Frühe Stadien der Diagenese, die als Eogenese bezeichnet werden, finden in geringer Tiefe (einige Dutzend Meter) statt und sind durch Bioturbation und mineralogische Veränderungen in den Sanden gekennzeichnet, wobei nur eine geringe Verdichtung stattfindet. Der rote Hämatit, der den roten Bettsandsteinen ihre Farbe verleiht, ist wahrscheinlich während der Eogenese entstanden. Die tiefere Vergrabung wird von der Mesogenese begleitet, während der die meisten Verdichtungen und Lithifizierungen stattfinden. ⓘ

Die Verdichtung findet statt, wenn der Sand unter zunehmenden Druck der darüber liegenden Sedimente gerät. Die Sedimentkörner ordnen sich kompakter an, duktile Körner (z. B. Glimmerkörner) werden verformt, und der Porenraum wird verringert. Zusätzlich zu dieser physikalischen Verdichtung kann auch eine chemische Verdichtung durch Drucklösung stattfinden. Die Kontaktstellen zwischen den Körnern werden am stärksten belastet, und das belastete Mineral ist besser löslich als der Rest des Korns. Infolgedessen werden die Kontaktpunkte aufgelöst, so dass die Körner in engeren Kontakt kommen. ⓘ

Die Lithifizierung folgt dicht auf die Verdichtung, da höhere Temperaturen in der Tiefe die Ablagerung von Zement beschleunigen, der die Körner aneinander bindet. Die Drucklösung trägt zur Zementierung bei, da das von den gespannten Kontaktpunkten gelöste Mineral in den ungespannten Porenräumen wieder abgelagert wird. ⓘ

Die mechanische Verdichtung findet hauptsächlich in Tiefen von weniger als 1.000 Metern statt. Die chemische Verdichtung setzt sich bis in eine Tiefe von 2.000 m fort, und die Zementierung findet überwiegend in einer Tiefe von 2.000 bis 5.000 m statt. ⓘ

Die Freilegung des vergrabenen Sandsteins wird von der Telogenese begleitet, dem dritten und letzten Stadium der Diagenese. Da die Erosion die Tiefe der Vergrabung verringert, führt die erneute Einwirkung von Meteorwasser zu zusätzlichen Veränderungen des Sandsteins, z. B. zur Auflösung eines Teils des Zements, wodurch eine sekundäre Porosität entsteht. ⓘ

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  Nische im Navajo-Sandstein

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  Kokh-Typ-Gräber, die in den vielfarbigen Sandstein von Petra geschnitten sind

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  Sandkörner aus Quarz mit einer Hämatitschicht, die eine orange Farbe ergibt ⓘ

Bestandteile

Gerüst-Körner

Steinbruch Paradise Quarry, Sydney, Australien ⓘ

Grus-Sand und das Granitoid, aus dem er gewonnen wurde ⓘ

Gerüstkörner sind sandgroße (0,0625 bis 2 Millimeter Durchmesser) Detritalfragmente, die den Großteil eines Sandsteins ausmachen. Die meisten Gerüstkörner bestehen aus Quarz oder Feldspat, den häufigsten Mineralen, die den Verwitterungsprozessen an der Erdoberfläche am widerstandsfähigsten sind, wie aus der Goldich-Auflösungsreihe hervorgeht. Gerüstkörner lassen sich anhand ihrer mineralischen Zusammensetzung in verschiedene Kategorien einteilen:

• Quarzgerüstkörner sind die vorherrschenden Minerale in den meisten klastischen Sedimentgesteinen, da sie über außergewöhnliche physikalische Eigenschaften wie Härte und chemische Stabilität verfügen. Diese physikalischen Eigenschaften ermöglichen es den Quarzkörnern, mehrere Recycling-Ereignisse zu überstehen, während sie gleichzeitig einen gewissen Grad an Abrundung aufweisen können. Quarzkörner entstehen aus plutonischem Gestein, das felsischen Ursprungs ist, und auch aus älteren Sandsteinen, die recycelt wurden.
• Feldspatgerüstkörner sind in der Regel das zweithäufigste Mineral in Sandsteinen. Feldspat kann in Alkalifeldspäte und Plagioklasfeldspäte unterteilt werden, die sich unter dem petrographischen Mikroskop unterscheiden lassen. ⓘ

• Die chemische Zusammensetzung von Alkalifeldspat reicht von KAlSi₃O₈ bis NaAlSi₃O₈. ⓘ

• Die Zusammensetzung der Plagioklas-Feldspäte reicht von NaAlSi₃O₈ bis CaAl₂Si₂O₈. ⓘ

Mikroskopische Aufnahme eines vulkanischen Sandkorns; oberes Bild ist planpolarisiertes Licht, unteres Bild ist kreuzpolarisiertes Licht, der Maßstab links in der Mitte beträgt 0,25 Millimeter. Diese Art von Körnern wäre ein Hauptbestandteil eines lithischen Sandsteins. ⓘ

• Lithische Gerüstkörner (auch lithische Fragmente oder lithische Klasten genannt) sind Stücke von altem Ausgangsgestein, die noch nicht zu einzelnen Mineralkörnern verwittert sind. Lithische Fragmente können alle fein- oder grobkörnigen magmatischen, metamorphen oder sedimentären Gesteine sein, obwohl die häufigsten lithischen Fragmente, die in Sedimentgestein gefunden werden, Gesteinsbrocken aus vulkanischem Gestein sind.
• Nebenminerale sind alle anderen Mineralkörner in einem Sandstein. Diese Mineralien machen in der Regel nur einen geringen Prozentsatz der Körner in einem Sandstein aus. Häufige akzessorische Minerale sind Glimmer (Muskovit und Biotit), Olivin, Pyroxen und Korund. Viele dieser akzessorischen Körner sind dichter als die Silikate, aus denen der Großteil des Gesteins besteht. Diese Schwermineralien sind in der Regel verwitterungsbeständig und können über den ZTR-Index als Indikator für den Reifegrad des Sandsteins verwendet werden. Häufige Schwermineralien sind Zirkon, Turmalin, Rutil (daher ZTR), Granat, Magnetit oder andere dichte, widerstandsfähige Mineralien aus dem Ausgangsgestein. ⓘ

Matrix

Die Matrix ist ein sehr feines Material, das sich in den Porenräumen zwischen den Gerüstkörnern befindet. Die Beschaffenheit der Matrix innerhalb des Porenraums führt zu einer zweifachen Klassifizierung:

• Arenite sind strukturell saubere Sandsteine, die keine oder nur sehr wenig Matrix enthalten.
• Wackes sind texturell verschmutzte Sandsteine, die einen erheblichen Anteil an Matrix aufweisen. ⓘ

Zement

Als Zementation bezeichnet man die natürliche Verfestigung des Sandes durch die Ausfällung von Mineralen in den Hohlräumen zwischen den Sandkörnern (Porenraum). Der Zement kann dabei aus verschiedenen Mineralen bestehen:

• Quarzzementierte Sandsteine (quarzitische Sandsteine, „Zementquarzite“) verdanken ihre Verfestigung u. a. der Drucklösung und anschließender Wiederausfällung von Quarz in Form von Anwachssäumen, die die Sandkörner miteinander verbinden. Früher war für einen entsprechenden Sandstein auch der Begriff Kieselsandstein gängig. Quarz ist das häufigste Zementmineral bei Sandsteinen.
• Karbonatisch zementierte Sandsteine enthalten als Bindemittel meist Calcit, seltener Ankerit oder Siderit. Calcit ist ebenfalls ein sehr häufiges Zementmineral.
• Ferritisch zementierte Sandsteine (Eisensandstein) enthalten als Bindemittel Eisenoxide und -oxidhydrate (Hämatit, Goethit, Limonit).
• Weitere mögliche Zementminerale sind Feldspäte, Tonminerale (Kaolinit, Illit, Chlorit), Zeolith oder auch Gips. ⓘ

Ein hoher Primärgehalt an Tonmineralen oder Glimmern kann die Zementation behindern, da dieser die Porosität verringert und die Durchdringung mit Formationswässern verhindert. Eine noch effektivere Zementationsverhinderung erfolgt durch eine Imprägnation mit Erdöl. ⓘ

Die meisten Sandsteine weisen zumindest innerhalb einer einzelnen Bank nur ein einziges Zementmineral auf. Verschiedene Lagen in einer Sandsteinabfolge können aber jeweils durch verschiedene Minerale zementiert sein, z. B. bedingt durch Korngrößenunterschiede. So sind grobkörnigere großporigere Sandsteine eher karbonatisch zementiert und feinkörnigere eher quarzitisch. Mehrere Zementgenerationen aus verschiedenen Mineralen innerhalb einer Bank bilden die Ausnahme und finden sich nur in größeren Poren. Die jüngere Zementgeneration wird dabei von der älteren umschlossen. ⓘ

Sandstein, dem durch Verwitterung das Zementbindemittel entzogen wird, wird allmählich brüchig und instabil. Dieser Prozess kann durch das Aufbringen von Tetraethylorthosilikat (Si(OC₂H₅)₄), das amorphes Siliziumdioxid zwischen den Sandkörnern ablagert, in gewissem Maße umgekehrt werden. Die Reaktion verläuft wie folgt. ⓘ

Si(OC₂H₅)₄ (l) + 2 H₂O (l) → SiO₂ (s) + 4 C₂H₅OH (g) ⓘ

Porenraum

Der Porenraum umfasst die offenen Räume innerhalb eines Gesteins oder eines Bodens. Der Porenraum in einem Gestein steht in direktem Zusammenhang mit der Porosität und der Durchlässigkeit des Gesteins. Die Porosität und die Durchlässigkeit werden direkt von der Art und Weise beeinflusst, wie die Sandkörner zusammengepackt sind.

• Die Porosität ist der prozentuale Anteil des Schüttvolumens, der von Zwischenräumen in einem bestimmten Gestein eingenommen wird. Die Porosität wird direkt von der Packung gleichgroßer, kugelförmiger Körner beeinflusst, die in Sandsteinen von locker bis dicht gepackt angeordnet sind.
• Die Durchlässigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der Wasser oder andere Flüssigkeiten durch das Gestein fließen. Für Grundwasser kann die Arbeitsdurchlässigkeit in Gallonen pro Tag durch einen Querschnitt von einem Quadratfuß unter einem einheitlichen hydraulischen Gefälle gemessen werden. ⓘ

Arten von Sandstein

Schematisches QFL-Diagramm mit tektonischen Provinzen ⓘ

Querschichtung und Auskolkung im Sandstein der Logan-Formation (Unterkarbon) in Jackson County, Ohio ⓘ

Das Innere des roten Sandsteins im Lower Antelope Canyon, Arizona, wurde durch die Erosion von Sturzfluten über Tausende von Jahren hinweg glatt geschliffen ⓘ

Sandsteine werden in der Regel durch Punktzählung eines Dünnschliffs nach einer Methode wie der Gazzi-Dickinson-Methode klassifiziert. Daraus ergeben sich die relativen Anteile von Quarz, Feldspat und lithischen Körnern sowie der Anteil der Tonmatrix. Die Zusammensetzung eines Sandsteins kann in Verbindung mit einem dreieckigen Quarz-, Feldspat- und Lithiumfragment (QFL-Diagramme) wichtige Informationen über die Entstehung der Sedimente liefern. Allerdings konnten sich die Geologen bisher nicht auf eine Reihe von Grenzen einigen, die die Regionen des QFL-Dreiecks voneinander trennen. ⓘ

Visuelle Hilfsmittel sind Diagramme, die es Geologen ermöglichen, verschiedene Merkmale eines Sandsteins zu interpretieren. So kann beispielsweise ein QFL-Diagramm mit einem Provenienzmodell versehen werden, das den wahrscheinlichen tektonischen Ursprung von Sandsteinen mit unterschiedlicher Zusammensetzung der Gerüstkörner zeigt. Ebenso veranschaulicht das Diagramm der Texturreife die verschiedenen Stadien, die ein Sandstein durchläuft, wenn der Grad der kinetischen Verarbeitung der Sedimente zunimmt.

• Ein QFL-Diagramm ist eine Darstellung der Gerüstkörner und der Matrix, die in einem Sandstein vorhanden ist. Dieses Diagramm ähnelt den in der magmatischen Petrologie verwendeten Diagrammen. Bei korrekter Darstellung ermöglicht dieses Analysemodell eine sinnvolle quantitative Klassifizierung von Sandsteinen.
• Ein Provenienzdiagramm für Sandsteine basiert in der Regel auf einem QFL-Diagramm, ermöglicht es Geologen jedoch, die verschiedenen Arten von Orten, aus denen Sandsteine stammen können, visuell zu interpretieren.
• Ein Diagramm der Texturreife zeigt die Unterschiede zwischen unreifen, unterreifen, reifen und überreifen Sandsteinen. Je reifer der Sandstein ist, desto runder werden die Körner und desto weniger Ton befindet sich in der Gesteinsmatrix. ⓘ

Dott's Klassifizierungsschema

Das Klassifizierungsschema für Sandsteine von Dott (1964) ist eines von vielen Schemata, die von Geologen zur Klassifizierung von Sandsteinen verwendet werden. Dott's Schema ist eine Abwandlung der Gilbert'schen Klassifizierung von Silikatsandsteinen und beinhaltet R.L. Folk's duales Textur- und Kompositionsreifekonzept in einem Klassifizierungssystem. Die Philosophie hinter der Kombination der Schemata von Gilbert und R. L. Folk besteht darin, dass sie besser in der Lage ist, "die kontinuierliche Natur der Texturvariationen von Schlammstein zu Arenit und von stabiler zu instabiler Kornzusammensetzung darzustellen". Das Klassifizierungsschema von Dott basiert auf der Mineralogie der Gerüstkörner und auf der Art der zwischen den Gerüstkörnern vorhandenen Matrix. ⓘ

In diesem speziellen Klassifikationsschema hat Dott die Grenze zwischen Arenit und Wackes bei 15 % Matrix festgelegt. Darüber hinaus unterteilt Dott die verschiedenen Arten von Gerüstkörnern, die in einem Sandstein vorkommen können, in drei Hauptkategorien: Quarz, Feldspat und lithische Körner.

• Arenite sind Sandsteinarten, die weniger als 15 % Tonmatrix zwischen den Gerüstkörnern aufweisen.
  • Quarz-Arenite sind Sandsteine, die zu mehr als 90 % aus silikatischen Körnern bestehen. Die Körner können Quarz- oder Hornsteinfragmente enthalten. Quarzarenite sind texturell reife bis überreife Sandsteine. Diese reinen Quarzsande sind das Ergebnis einer umfassenden Verwitterung, die vor und während des Transports stattfand. Bei dieser Verwitterung wurde alles außer den Quarzkörnern, dem stabilsten Mineral, entfernt. Sie sind in der Regel mit Gesteinen verbunden, die in einem stabilen kratonischen Umfeld abgelagert wurden, z. B. an äolischen Stränden oder in Schelfgebieten. Quarzarenite entstehen durch mehrfache Wiederverwertung von Quarzkörnern, im Allgemeinen als sedimentäres Ausgangsgestein und seltener als Ablagerungen des ersten Zyklus, die aus primären magmatischen oder metamorphen Gesteinen stammen.
  • Feldspat-Arenite sind Sandsteine, die weniger als 90 % Quarz und mehr Feldspat als instabile lithische Fragmente und kleinere akzessorische Mineralien enthalten. Feldspat-Sandsteine sind in der Regel unreif oder unterreif. Diese Sandsteine treten in Verbindung mit kratonischen oder stabilen Schelfgebieten auf. Feldspat-Sandsteine stammen von granitischen, primär kristallinen Gesteinen ab. Wenn der Sandstein überwiegend aus Plagioklas besteht, ist er magmatischen Ursprungs.
  • Lithische Arenite sind im Allgemeinen durch einen hohen Gehalt an instabilen lithischen Fragmenten gekennzeichnet. Beispiele hierfür sind vulkanische und metamorphe Gesteinsbrocken, aber auch stabile Gesteinsbrocken wie Hornstein sind in lithischen Areniten häufig zu finden. Diese Art von Gestein enthält weniger als 90 % Quarzkörner und mehr instabile Gesteinsfragmente als Feldspäte. Sie sind in der Regel texturell unreif bis unterreif. Sie sind mit fluvialen Konglomeraten und anderen fluvialen Ablagerungen oder in Meereskonglomeraten in tieferen Gewässern verbunden. Sie entstehen unter Bedingungen, die große Mengen an instabilem Material hervorbringen, das aus feinkörnigen Gesteinen, meist Schiefer, Vulkangestein und metamorphem Gestein, stammt.
• Wackes sind Sandsteine, die mehr als 15 % Tonmatrix zwischen den Gerüstkörnern enthalten.
  • Quarz-Wackes sind ungewöhnlich, da Quarz-Arenite texturell reif bis überreif sind.
  • Feldspat-Wacken sind feldspathaltige Sandsteine mit einem Matrixanteil von mehr als 15 %.
  • Lithische Wacke ist ein Sandstein, bei dem die Matrix mehr als 15 % beträgt.
• Arkose Sandsteine bestehen zu mehr als 25 % aus Feldspat. Die Körner sind in der Regel schlecht gerundet und weniger gut sortiert als die von reinen Quarzsandsteinen. Diese feldspatreichen Sandsteine stammen aus schnell erodierenden granitischen und metamorphen Gebieten, in denen die chemische Verwitterung der physikalischen Verwitterung untergeordnet ist.
• Grauwacke-Sandsteine sind ein heterogenes Gemisch aus lithischen Fragmenten und kantigen Quarz- und Feldspatkörnern oder -körnern, die von einer feinkörnigen Tonmatrix umgeben sind. Ein Großteil dieser Matrix besteht aus relativ weichen Fragmenten, wie Schiefer und einigen vulkanischen Gesteinen, die nach dem tiefen Eingraben der Sandsteinformation chemisch verändert und physikalisch verdichtet wurden. ⓘ

Quarzit

Wenn Sandstein der großen Hitze und dem Druck ausgesetzt wird, die mit der regionalen Metamorphose einhergehen, rekristallisieren die einzelnen Quarzkörner zusammen mit dem ehemaligen Bindematerial und bilden das metamorphe Gestein, das als Quarzit bezeichnet wird. Die ursprüngliche Textur und die sedimentären Strukturen des Sandsteins werden durch die Metamorphose größtenteils oder vollständig ausgelöscht. Die Körner sind so eng miteinander verzahnt, dass sie beim Brechen des Gesteins durch die Körner brechen und einen unregelmäßigen oder muschelartigen Bruch bilden. ⓘ

Geologen hatten bereits 1941 erkannt, dass einige Gesteine die makroskopischen Merkmale von Quarzit aufweisen, obwohl sie keiner Metamorphose unter hohem Druck und hoher Temperatur unterzogen wurden. Diese Gesteine waren nur den viel niedrigeren Temperaturen und Drücken ausgesetzt, die mit der Diagenese von Sedimentgestein verbunden sind, aber die Diagenese hat das Gestein so gründlich zementiert, dass eine mikroskopische Untersuchung notwendig ist, um es von metamorphem Quarzit zu unterscheiden. Der Begriff Orthoquarzit wird verwendet, um ein solches Sedimentgestein von metamorphem Metaquarzit zu unterscheiden. Im weiteren Sinne wird der Begriff Orthoquarzit gelegentlich auch allgemeiner für alle quarzzementierten Quarzarenite verwendet. Orthoquarzit (im engeren Sinne) besteht häufig zu 99 % aus SiO₂ und enthält nur sehr geringe Mengen an Eisenoxid und spurenresistenten Mineralen wie Zirkon, Rutil und Magnetit. Obwohl in der Regel nur wenige Fossilien vorhanden sind, bleiben die ursprüngliche Textur und die sedimentären Strukturen erhalten. ⓘ

Der typische Unterschied zwischen einem echten Orthoquarzit und einem gewöhnlichen Quarzsandstein besteht darin, dass ein Orthoquarzit so stark zementiert ist, dass er quer zu den Körnern und nicht um sie herum bricht. Dies ist ein Unterschied, der im Gelände erkannt werden kann. Die Unterscheidung zwischen einem Orthoquarzit und einem Metaquarzit wiederum ist der Beginn der Rekristallisation der vorhandenen Körner. Die Trennlinie kann an dem Punkt gezogen werden, an dem belastete Quarzkörner durch neue, nicht belastete, kleine Quarzkörner ersetzt werden, wodurch eine Mörteltextur entsteht, die in Dünnschliffen unter dem Polarisationsmikroskop identifiziert werden kann. Mit zunehmendem Metamorphosegrad führt die weitere Rekristallisation zu einer Schaumstruktur, die durch polygonale Körner gekennzeichnet ist, die sich an Dreifachverzweigungen treffen, und dann zu einer porphyroblastischen Struktur, die durch grobe, unregelmäßige Körner gekennzeichnet ist, darunter einige größere Körner (Porphyroblasten). ⓘ

Verwendet

Das Hauptviereck der Universität von Sydney, eine sogenannte Sandsteinuniversität ⓘ

Sandsteinstatue Maria Immaculata von Fidelis Sporer, um 1770, in Freiburg, Deutschland ⓘ

17.000 Jahre alte Öllampe aus Sandstein, entdeckt in den Höhlen von Lascaux, Frankreich ⓘ

Sandstein wurde seit prähistorischen Zeiten für Bauwerke, dekorative Kunstwerke und Werkzeuge verwendet. Auf der ganzen Welt wurde er für den Bau von Tempeln, Kirchen, Häusern und anderen Gebäuden sowie im Bauwesen verwendet. ⓘ

Obwohl Sandstein unterschiedlich witterungsbeständig ist, lässt er sich leicht bearbeiten. Das macht ihn zu einem weit verbreiteten Bau- und Pflastermaterial, auch für Asphaltbeton. Einige in der Vergangenheit verwendete Arten, wie der in Nordwestengland verwendete Collyhurst-Sandstein, weisen jedoch eine schlechte langfristige Witterungsbeständigkeit auf, so dass ältere Gebäude repariert und ersetzt werden müssen. Aufgrund der Härte der einzelnen Körner, der Gleichmäßigkeit der Korngröße und der Brüchigkeit ihrer Struktur eignen sich einige Sandsteinarten hervorragend zur Herstellung von Schleifsteinen zum Schärfen von Klingen und anderen Werkzeugen. Nicht brüchiger Sandstein kann zur Herstellung von Schleifsteinen zum Schleifen von Getreide verwendet werden, z. B. Gritstone. ⓘ

Eine Art von reinem Quarzsandstein, der Orthoquarzit, mit einem Quarzanteil von 90-95 %, wurde für die Aufnahme in das Verzeichnis des Weltnaturerbes Steinressourcen vorgeschlagen. In einigen Regionen Argentiniens ist die Fassade aus Orthoquarzit eines der Hauptmerkmale der Bungalows im Mar del Plata-Stil. ⓘ

Definition, Nomenklatur und Abgrenzung zu verwandten Gesteinen

Ein reiner Quarzsandstein aus dem Ordovizium von Illinois (USA) im Dünnschliff, im unteren Bild mit gekreuzten Polarisatoren. Das Material ist vor der Präparation mit blauem Epoxidharz imprägniert worden, um die Stabilität und den Kontrast zu erhöhen. Daher erscheinen die Kornzwischenräume im oberen Bild blau. ⓘ

Klastische Sedimentgesteine sind Gesteine, die aus unterschiedlich großen Mineral- und Gesteinsbruchstücken zusammengesetzt sind. Die kleineren dieser Bruchstücke werden als Sedimentkörner, oder kurz: Körner, bezeichnet. Jener Anteil von Körnern in einem Sedimentgestein, der einen Äquivalentdurchmesser innerhalb des Größenspektrums von Sand (0,063–2 mm) besitzt, wird als Sandanteil oder Sandfraktion bezeichnet. Alle klastischen Sedimentgesteine, in denen die Sandfraktion den überwiegenden Anteil (> 50 %) der Mineral- und Gesteinsbruchstücke stellt, werden unter dem Oberbegriff Sandstein zusammengefasst. ⓘ

Bei einem Sandstein, dessen Sandfraktion zu mindestens 90 % aus Quarz besteht, spricht man von einem Quarzsandstein oder auch Sandstein im engeren Sinne. Ab einem Anteil von 25 % Feldspäten spricht man von Arkose, bei einem hohen Anteil an toniger Matrix und einem Anteil von weniger als 75 % Quarz in der Sandfraktion von Grauwacke. Die entsprechenden Übergangsformen (Quarzanteil in der Sandfraktion jeweils zwischen 90 und 75 %) heißen Subarkose bzw. Subgrauwacke. Sandsteine mit einem hohen Anteil an primärem Kalziumkarbonat werden auch Kalksandsteine genannt. Diese dürfen nicht mit den identisch bezeichneten, künstlich hergestellten Kalksandsteinen verwechselt werden. Ein Gestein, das aus einem Lockersediment hervorgegangen ist, das überwiegend aus sandgroßen Kalkkörnern bestand, wird in der Regel nicht als „Kalksandstein“ bezeichnet, sondern als Kalkstein, wenngleich für das entsprechende Lockermaterial die Bezeichnung Kalksand oder Karbonatsand geläufig ist. ⓘ

Überwiegt im Gestein der Anteil an Körnern, die größer als 2 mm sind, handelt es sich um ein Konglomerat (bei abgerundeten Körnern = Geröllen) bzw. um eine Brekzie (bei eckigen Körnern = Fragmenten). Im Gegensatz zu Arkosen, Grauwacken und Kalksandsteinen gelten Konglomerate und Brekzien auch im weiteren Sinn nicht als Sandsteine. Die Übergänge von einem grobkörnigen Sandstein zu einem feinkörnigen Konglomerat bzw. einer feinkörnigen Brekzie sind jedoch fließend. ⓘ

Verbreitung

Sandstein ist ein auf der Erdoberfläche sehr weit verbreitetes Gestein, kommt auf allen Kontinenten vor und ist aus nahezu allen Zeitaltern der Erdgeschichte überliefert. Er tritt in verschiedenen geologischen Zusammenhängen auf, z. B. im Deckgebirge der schwach subsidenten kontinentalen Tafeln oder in (ehemals) stärker subsidenten epikontinentalen Sedimentbecken. Die meisten dieser Sandsteine entstanden unter Meeresbedeckung. Dazu gehören in Deutschland die Sandsteine des Elbsandsteingebirges sowie des Zittauer Gebirges. In Mittel- und Süddeutschland weit verbreitet sind die fluviatilen Sandsteine des Buntsandsteins. Sandsteine im Untergrund der Norddeutschen Tiefebene und der Nordsee sind wichtige Speichergesteine für Erdöl und Erdgas. Im Alpengebiet treten Sandsteine unter anderem in der Molassezone und der Grauwackenzone auf. Generell ist der Anteil an Sandsteinen in den geologisch jungen alpidischen Faltengebirgen aber eher gering, was darauf zurückzuführen ist, dass diese aus breiten tropischen Schelfen mit vorwiegend karbonatischer Sedimentation hervorgegangen sind. Auch in den geologisch sehr alten kontinentalen Schilden finden sich nur wenige Sandsteine, da sich diese Regionen in ständiger Hebung befinden und deshalb dort heute fast ausschließlich Gesteine vorkommen, die tief in der Erdkruste entstanden oder einst dorthin versenkt und dadurch stark verändert worden sind. ⓘ

• Natürliche Aufschlüsse und Erosionsformen von bzw. in Sandsteinabfolgen
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  Tyssaer Wände: Schlucht in den kreidezeitlichen Sandsteinen des Elbsandsteingebirges

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  Teufelstisch: Sandsteine des Buntsandsteins (Trias) des Pfälzerwaldes

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  Schlucht in kambrischem rotem Sandstein der Umm-Ishrin-Formation in Petra, Jordanien

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  Bungle Bungle: Bienenkorbartig verwitternde devonische Sandsteine im australischen Purnululu-Nationalpark

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  Tafoni in rotem „Karoo“-Sandstein (Permokarbon) bei Twyfelfontein in Namibia

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  Antelope Canyon: enge Schlucht im jurassischen Navajo Sandstone in Arizona ⓘ

Bodenbildung auf Sandstein

Auf Grund des Vorherrschens von Quarz entstehen in Mitteleuropa aus Sandstein im Allgemeinen nährstoffarme Böden, die außerdem zur Versauerung neigen. Je nach Wasserangebot und Entwicklungstiefe des Bodens findet man Ranker, Braunerden oder Podsole. Meist werden diese Böden forstwirtschaftlich genutzt (zum Beispiel im Thüringer Holzland). ⓘ

Ausnahmen bilden hingegen Sandsteine mit einem hohen Karbonat- oder Tonanteil sowie Sandsteinabfolgen, in die kalkige oder tonige Schichten eingelagert sind. Die Böden auf diesen Gesteinen sind dann meist nährstoffreicher und können auch landwirtschaftlich genutzt werden. Ein Beispiel sind Sandsteine des Keupers (Obere Trias) in Süddeutschland. ⓘ

Anwendungsbezogene Eigenschaften

Sandstein in der Architektur

Steinbruch in charakteristisch grünlichem Berner Sandstein in Ostermundigen ⓘ

Sandstein ist ein verbreitetes Baumaterial und wurde oft zum Pflastern, für Skulpturen und vor allem für Fassaden verwendet. Das Stadtbild prägende Sandsteinbauten findet man beispielsweise in Bern, Breslau, Dresden, Düsseldorf, Hamburg, Nürnberg oder in Prag. Auch das Freiburger Münster ist, wie viele andere Sakralbauten, größtenteils aus Sandstein erbaut. In Dresden verwendete man für den dekorativen Innenbereich und Skulpturen einen weichen Tonsandstein, den Cottaer Sandstein, und für tragende bzw. anders belastete Architekturteile einen quarzitisch gebundenen Sandstein des Elbsandsteingebirges, wie er heute noch bei Pirna abgebaut wird. ⓘ

Die Farbe von Sandstein kann, genauso wie die von Sand, variieren, übliche Farben sind grau (ohne Beimengungen – wie zum Beispiel Ruhrsandstein aus Hohensyburg), gelb (durch enthaltenes Limonit – Ibbenbürener Sandstein), braun, rot (durch Hämatit – wie bei rotem Wesersandstein) und weiß (wie bei grau, nur ist die Oberflächenreflexion eine andere – Beispiel Rackwitzer Sandstein). Grün ist unter anderem der früher südlich des westfälischen Soest abgebaute Grünsandstein; der heute bei Anröchte abgebaute glaukonithaltige Kalksandstein fällt hingegen etwas dunkler aus als der seit dem Mittelalter verwendete Grünsandstein. ⓘ

Verwitterungsspuren an einem Portalpfeiler aus Sandstein in der Bayreuther Friedrichstraße, die die Texturen hervortreten lassen ⓘ

Grundsätzlich lassen sich bruchfrische Sandsteine handwerklich leichter als länger gelagerte bearbeiten. Gemeinsam ist allen Sandsteinen die fehlende Tausalzbeständigkeit. Die Frostfestigkeit ist je nach Sorte unterschiedlich. Bedingt durch die Polarität der Ablagerungsrichtung lassen sich „im Lager“ (parallel zur Schichtung) und „gegen das Lager“ (orthogonal zur Schichtung) geschnittene Sandsteine unterscheiden. Die dabei entstehenden Texturen an den Sichtflächen können sehr unterschiedlich ausfallen. ⓘ

• Verwendungsbeispiele bedeutsamer Sandsteinsorten
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  Die Nürnberger Burg aus Worzeldorfer Sandstein

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  Baumwollbörse in Bremen aus Weißem Mainsandstein

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  Neue Börse (Kaliningrad) aus Obernkirchner Sandstein

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  Welfenschloss (Hannover) aus Velpker Sandstein

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  Die Sempergalerie im Dresdner Zwinger aus Sorten des Elbsandsteins

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  Der Berliner Dom mit schlesischem Sandstein der Sorten Friedersdorf und Wünschelburger Sandstein

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  Das Bundeshaus in Bern mit einer größtenteils aus Berner Sandstein geschaffenen Fassade

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  Fassadenverkleidung am Bahnhof Metz aus gelbem Vogesensandstein

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  Rötlicher Vogesensandstein am Straßburger Münster ⓘ

Sandsteinbauwerke als Biotope

Trockenmauern, errichtet aus Sandstein-Lesesteinen oder aus Sandstein, der einem Steinbruch der näheren Umgebung entstammt, sind heute bedeutende Biotope für zahlreiche sukkulente Pflanzen und wichtige Rückzugsräume für Insekten. In dem unverfugten Mauerwerk finden nicht nur Spinnen und Käfer Unterschlupf, sondern auch größere Tiere wie Eidechsen und Blindschleichen. Insbesondere in Weinbaugebieten prägen Trockenmauern aus Sandstein das Landschaftsbild der Flussläufe Süddeutschlands sowie der Einzugsgebiete von Rhein und Main. ⓘ