Tonstein ist ein pelitisches Sedimentgestein (Korngröße kleiner als 0,002 mm) und besteht überwiegend aus Tonmineralen (z. B. Montmorillonit, Illit und Smectit). Weitere Gemengteile sind Quarz, Feldspat und Karbonate. Im Gegensatz zu Tonen ist also Tonstein ein Festgestein.
Stark bituminöse Tonsteine werden umgangssprachlich Ölschiefer genannt obgleich es keine Schiefer sind. Auf dieser falschen Benennung als Schiefer beruhen dann auch die ebenfalls falschen Bezeichnungen wie Schiefergas (shale gas) oder Schieferöl (shale oil). Der in diesem Zusammenhang in Deutschland oft benannte Posidonienschiefer ist weder ein Schiefer noch enthält er Posidonien.
Tonsteine treten in vielen verschiedenen Farben auf, so etwa hell- bis dunkelgrau, schwarz, rot und grün. Für die Farbe bestimmend sind Beimengungen von Limonit, Hämatit, Chlorit und organischen Kohlenstoffverbindungen wie Bitumen oder Kohle.
Unter Druck und Temperatur umgewandelter, meist dünnblättrig spaltender Tonstein wird als Tonschiefer bezeichnet. Die Spaltflächen dieses metamorphen Gesteins verlaufen oft nicht parallel zu den Schichtflächen.
In der Geothermie spielen Tonsteine oft als Barrieregesteine (Dichtschicht) eine Rolle und grenzen als solche Aquifere nach unten oder oben ab.
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