Sand

Sand ist ein natürlich vorkommendes, unverfestigtes Sediment, das sich überwiegend aus Mineralkörnern mit einer Korngröße von 0,063 bis 2 mm zusammensetzt. Ein Sandkorn ist also im Mittel gröber als Schluff (Korngröße überwiegend 0,002 bis 0,063 mm) und feiner als Kies (Korngröße überwiegend 2 bis 63 mm). Sand zählt außerdem zu den nicht bindigen Böden.

Die Bezeichnung „Sand“ ist nicht abhängig von der mineralischen Zusammensetzung. Der größte Teil der Sande besteht jedoch mehrheitlich aus Quarz­körnern. Vor allem dieser Quarzsand ist ein bedeutender Rohstoff für das Bauwesen sowie für die Glas- und Halbleiterindustrie.

Etymologie

Das altgerm. Wort mittelhochdeutsch, Althochdeutsch sant ist verwandt mit griech. ámathos „Sand“. Die weiteren Beziehungen sind nicht völlig geklärt.

Entstehung

Der erste Sand der Erdgeschichte entstand aus magmatischen und metamorphen Gesteinen (z.B. Granit oder Gneisen), die durch physikalische Verwitterung in kleinere Blöcke oder, bedingt durch chemische Verwitterung entsprechend anfälliger Gesteinsbestandteile, direkt in einzelne Mineralkörner zerfielen.

Solche Blöcke und Körner werden anfangs durch Schwerkraft, nachfolgend, bei nachlassendem Gefälle, vor allem durch Wasser von ihrem Ursprungsort weg transportiert (Erosion). Durch anhaltenden Wassertransport werden sie mehr oder weniger stark nach Größe und spezifischem Gewicht (abhängig vom Mineral aus dem sie bestehen) sortiert, indem nach Unterschreiten einer bestimmten Strömungsgeschwindigkeit die größeren Blöcke abgesetzt werden und zurückbleiben und nur noch Körner in Sandgröße und darunter weiter transportiert werden. Auch Wind kann Sand transportieren, hat aber aufgrund der geringeren Dichte von Luft generell eine stärkere Sortierwirkung und braucht überdies höhere Geschwindigkeiten. Sobald sich die Strömungsgeschwindigkeit des Transportmediums weit genug verringert, setzen sich die Sandkörner ab – das Ergebnis ist ein sandiges Sediment. Dieses kann bei Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit jedoch wieder in Bewegung geraten, also erodiert werden.

Da die innere Oberfläche von Sand größer ist als die eines identischen Volumens gröberer Korngrößen, kann die Verwitterung bei Sand auf größerer Fläche angreifen, sodass einige Minerale, in geologischen Zeiträumen betrachtet, relativ schnell chemisch in Tonminerale umgewandelt oder ganz aufgelöst (z.B. Feldspäte, mafische Minerale oder Karbonate) werden und ihr Anteil an der Gesamtmenge des Sandes im Vergleich zu chemisch resistenteren Mineralen, wie Quarz, deutlich abnimmt.

Durch mechanische Beanspruchung beim Transport ändert sich die Form und Größe der Einzelkörner, indem sie entlang der Kristallgrenzflächen gespalten oder indem während des Transports Fragmente herausgebrochen werden. Ecken und Kanten werden umso stärker gerundet und abgeschliffen, je länger der Transportweg ist. Dies ist allerdings kein linearer Prozess: Je runder und kleiner die Körner werden, desto widerstandsfähiger sind sie gegen weitere mechanische Veränderungen. Untersuchungen ergaben, dass häufig ein Transportweg von Tausenden von Kilometern nötig ist, um kantige Sandkörner mittlerer Größe auch nur mäßig zu verrunden.

Beim Transport entlang von Flussläufen können diese Weglängen nur selten erreicht werden, und auch die stetigen Bewegungen in der Brandungszone einer Küste reichen in den meisten Fällen nicht aus, um die heutzutage feststellbare gute Rundung vieler Sandkörner zu erklären, besonders dann nicht, wenn der Sand hauptsächlich aus widerstandsfähigem Quarz besteht. Erklärt wird dies damit, dass der weitaus größte Teil des heute auf der Erde vorkommenden Sandes der Verwitterung von Sandsteinen entstammt und somit schon mehrere Erosions- und Sedimentationszyklen hinter sich hat: Sand wird abgelagert (sedimentiert), überdeckt durch andere Sedimente und dadurch verdichtet. Die Sandkörner werden schließlich während der Diagenese durch ein Bindemittel miteinander verkittet und ein Sandstein entsteht. Wenn ein Sandstein infolge einer tektonischen Hebung wieder an die Erdoberfläche gelangt und dadurch Verwitterung und Erosion ausgesetzt ist, werden die Einzelkörner freipräpariert und beim folgenden Transport wieder ein wenig weiter abgerundet, letztlich abgelagert und es schließt sich ein weiterer Zyklus an. Selbst wenn man eine Zyklusdauer von 200 Millionen Jahren annimmt, so kann ein heutiges, gut gerundetes Quarz-Sandkorn durchaus zehn solcher Zyklen und damit fast die halbe Erdgeschichte durchlaufen haben. Sande als Lockersediment an der Erdoberfläche können immerhin mehr als eine Million Jahre alt sein.

Als Sonderfall ist Sand zu sehen, der aus den Kalkskeletten abgestorbener Meerestiere entstanden ist, beispielsweise aus Muschelschalen oder Korallen. In geologischen Zeiträumen betrachtet ist dieser Sand sehr kurzlebig, da die Einzelkörner während der Diagenese normalerweise so stark verändert werden, dass sie nach einer erneuten Heraushebung und Erosion nicht mehr in ihrer ursprünglichen Form herausgelöst werden können. Zudem verwittert Kalkstein nur in aridem Klima rein physikalisch, ansonsten bevorzugt chemisch, d.h., er wird eher aufgelöst statt in kleine Fragmente zerlegt.

Begrifflichkeiten

In der Bodenkunde ist Sandboden die grobkörnigste der vier Hauptbodenarten. Die Korngröße Sand, die den Hauptanteil im gleichnamigen Sediment ausmacht, reicht nach der im deutschsprachigen Raum bevorzugten Einteilung nach DIN 4022 von 0,063 bis 2 mm Äquivalentdurchmesser und liegt damit zwischen der Korngröße Schluff (< 0,063 mm) und Kies (> 2 mm).

In der Praxis findet man jedoch auch davon in gewissem Umfang abweichende Klassengrenzen und Bezeichnungen:

• Feinstsand wird in der Bodenkunde traditionell als 0,125–0,250 mm ausgeschieden – nach DIN wäre diese Korngröße beim Feinsand einzuordnen
• Grobschluff und Sand werden nach der Einteilung nach Von Engelhardt seit 1953 als Psammite bezeichnet (im Gegensatz zu den feinkörnigeren Peliten).
• Gröberer Sand heißt in Norddeutschland Grand, eine Bezeichnung, die auch in der Einteilung nach von Engelhardt für einen Korngrößenbereich verwendet wird, der den größten Teil der Grobsand- und der Feinkiesklasse der DIN-Norm umfasst.
• Sande, die hauptsächlich aus Körnern einer Korngröße bestehen, nennt man gut sortiert, in technischem Zusammenhang auch Einkorn-Gesteinskörnung; entsprechend sind schlecht sortierte Sande solche, in denen ein breites Korngrößenspektrum vertreten ist.
• Schlechtsortierte Sande mit hohem Feinanteil sind bindiger als gutsortierte, feine Sande bindiger als grobe: Sie nehmen – unabhängig von jeweiliger Korngröße und der Gesteinsart – mehr Wasser, aber auch mehr Bindemittel auf.
• Geringbindige Sande können bei einem gewissen Wassergehalt „verflüssigt“ werden und sind dann unter dem Begriff Treibsand bekannt.
• Rundsande bestehen primär aus rundlichen Komponenten (wie Geröll oder Kies), kantige Sande aus ebensolchen Körnern (Bruch- und Brechsande). Scharfkantige Sande verhalten sich weniger plastisch, sowohl in der Sedimentation als auch in Baumaterialien, weil sich die Körner verkanten. Sie lassen sich schlechter mischen, sind in Dispersionen weniger fließfähig und führen zu erhöhtem Werkzeugverschleiß. Mit Bindemittel versetzt ergeben sie widerstandsfähige, abrieb- und druckfeste Baumaterialien (siehe dazu auch Sand als endliche Ressource).
• Bruchsand, natürliche scharfkantige Sande als Verwitterungsprodukt
• Quetschsand ist künstlich hergestellter Sand mit gebrochenen, scharfkantigen Körnern, siehe Gesteinskörnung
• Flugsand nennt man den infolge seiner Reinheit, seiner geringen Korngröße und seiner guten Sortierung durch den Wind besonders leicht beweglichen Sand. Bei großflächigem Auftreten tritt er oft in Form von Dünen in Erscheinung.
• Flusssand ist ein feinkörniger Sand, der in einem Fluss von der Strömung transportiert und dabei sortiert wurde und dessen Körner durch Reibung gerundet wurden. Er ist ausgewaschen und hat somit einen geringen Anteil an Schwebstoffen und an wasserlöslichen Stoffen. Er wird daher gern als Rohstoff in der Bauwirtschaft bzw. für die Betonherstellung verwendet. In Sandgruben abgebautes Material muss meist noch gewaschen werden, weil sich tonige und organische Bestandteile angereichert haben.