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Die Sedimentologie befasst sich zunächst mit der Beschreibung und Klassifizierung der unterschiedlichen Sedimente und Sedimentgesteine (z. B. Sand- oder Kalksteine) nach ihrer Zusammensetzung und ihren relevanten Eigenschaften (z. B. Porosität).
Zudem werden Prozesse und Bedingungen der Sedimententstehung (Gesteinszerstörung und Transport) und der anschließenden Diagenese (Gesteinsbildung) erforscht. Dabei geht es darum, die Gesteinsausbildung und deren laterale (flächenhafte) Unterschiede (Fazies) und vertikale (zeitliche) Unterschiede (in ungestörter Lagerung sind die unteren Schichten Liegendes älter als die oberen Schichten (Hangendes): Lagerungsgesetz von Nicolaus Steno) zu erfassen, zu verstehen und schließlich auch voraussagen zu können. Ein wichtiger Ansatz ist dabei, von den Bildungsbedingungen bestimmter heutiger Sedimenttypen auf Ablagerungsbereiche und klimatische Verhältnisse in der geologischen Vergangenheit zu schließen (Prinzip des Aktualismus); auf diese Weise werden erdgeschichtliche Abläufe rekonstruierbar.
Unter einem Sediment versteht man Lockermaterial (geologisch wird von "Lockergestein" gesprochen), das durch physikalische oder chemische Verwitterung mobilisiert, durch Wasser, Luft oder Eis transportiert und dann abgelagert ("sedimentiert") oder chemisch/biochemisch ausgefällt wurde. Die dabei ablaufenden Prozesse sind in hohem Grade abhängig vom Ablagerungsbereich (vom Hochgebirge bis zur Tiefsee reichend) und vom Klima. Wird das Lockermaterial durch verschiedene physikalische und chemische Prozesse (zusammenfassend "Diagenese" genannt) verfestigt, entstehen Sedimentgesteine. Die Bildung eines Sediments vollzieht sich in einem relativ kurzen Zeitraum, dagegen können diagenetische Prozesse das Gestein während der folgenden Abschnitte der Erdgeschichte bis in die Gegenwart hinein immer wieder - oft in höchst variabler Folge - erfassen und verändern. Während sich die Bildungsprozesse an oder nahe der Erdoberfläche abspielen, können diagenetische Prozesse bis in Tiefen von mehreren tausend Metern ablaufen.
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