System Erde II. Exogene Dynamik. Verwitterung, Erosion, Transport und Ablagerung. SS (15 Doppelstunden, Klausur am??.6.

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1 System Erde II Exogene Dynamik Verwitterung, Erosion, Transport und Ablagerung Hilmar v. Eynatten Abt. Sedimentologie/Umweltgeologie SS (15 Doppelstunden, Klausur am??.6.13) Modul B.Geo.103a System Erde IIa: Exogene Dynamik Lehrveranstaltung 1: Vorlesung (2 SWS, ) Mo, Mi MN14 15 Termine Mo, 8.4. Mo, 3.6. HvE Lehrveranstaltung 2: Übung Sedimente und Sedimentgesteine (2SWS, ) MN16 3 Gruppen Mo / Mo / Fr Termine Mo, 8.4. Fr, Testat 45 min (PVL) ID / ID / GM Klausur (90 min) im Juni 2013; Termin wird noch bekanntgegeben 1

2 Literatur Skript: - Press, F. & Siever, R.: Understanding Earth, 4. Auflage, dt. Übersetzung: Allgemeine Geologie, 5. Auflage, Bahlburg, H., Breitkreuz, C.: Grundlagen der Geologie, 4. Auflage, Jacobshagen, V., et al.: Einführung in die geologischen Wissenschaften, Leeder, M.: Sedimentology and Sedimentary Basins, Allen, P.A.: Earth Surface Processes, Füchtbauer, H.: Sedimente und Sedimentgesteine, Degens, E.T.: Perspectives on Biogeochemistry, Exogene Dynamik - was ist das? Der Kreislauf der Gesteine Jacobshagen et al

3 Der exogene Teil des Gesteinskreislauf Press & Siever 2001 Hypsometrisches Diagramm (Höhenverteilung) der Erde Bahlburg & Breitkreuz 2012 Σ EO ~ 510 * 10 6 km 2 3

4 Exogene Dynamik aller "exogenen" geologischen Prozesse Das sind diejenigen Prozesse, die die Gestalt und die Zusammensetzung der Erdoberfläche, d.h. der Schnittstelle zwischen Lithosphäre, Hydrosphäre und Atmosphäre, unter Einfluss von Temperatur (Sonne!), Wasser bzw. Eis, Luft, Schwerkraft und der belebten Welt (Biosphäre) bestimmen. Biosphäre: Gesamtheit des Lebens auf der Erde; intensive Interaktion mit Atmosphäre (Photosynthese!), Hydrosphäre (CO 2 -Kreislauf) und Lithossphäre ("deep biosphere") Lithosphäre: kont. und ozean. Erdkruste + lithosphärischer (fester) Mantel Atmosphäre: Gasgemisch, dass die Erde umhüllt (78.08% N 2, 20.98% O 2, 0.93% Ar, 0.03% CO 2 ; + Spuren weiterer Edelgase, H 2, CH 4, N 2 O,...) Hydrosphäre: Das gesamte Wasser in Ozeanen, Gletschern, Seen + Flüssen, das Grundwasser sowie H 2 O-Dampf in der Atmosphäre. Die Erde ist der einzige Wasser-reiche Planet in unserem Sonnensystem! 4

5 Treibende Kräfte Degens 1989 Press & Siever 2001 Schalenbau der Erde inkl. Atmosphäre/Exosphäre Degens

6 Sonneneinstrahlung und atmosphärische Zirkulation Bahlburg & Breitkreuz 2012 Klimazonen der Erde nivale Zone: Niederschlag gering, <250mm, meist Schnee, mittl. Temp. 15 bis -45 C, <90 Tage frostfrei, N > V humide Zone: Niederschlag mm (gemäßigt-humid), mm (tropisch-humid), N > V mittl. Temp. ~0 (-10, kont.) bis 22 C (gemäßigt) ± konst. Temp. in den Tropen aride Zone: Niederschlag gering, <250mm (episodisch!), N < V (potentiell!), mittl. Temp. 12 bis 36 C, sehr hoher Tagesgang 6

7 Klimazonen der Erde Bahlburg & Breitkreuz 2012 Sedimente/Sedimentgesteine: Verbreitung Press & Siever

8 Bahlburg & Breitkreuz

9 Sedimente/Sedimentgesteine: Bedeutung exakte (Zeit-)Zeugen dessen, was an der EO passiert t 2 Erosion Strand Ablagerung (off-shore) t 1 t 0 t 0 t 1 t 2 Sedimente/Sedimentgesteine: Bedeutung enge Kopplung mit endogenen Prozessen sehr gute Klima- und Umwelt- Archive großer Anteil an den Bodenschätzen Grundwasser-Aquifere größtenteils in Sedimenten Standorte für Deponien und Endlager 9

10 Sedimente als Klima- und Umweltarchive Warvenschichtung Kienel & Negendank (2002) Sedimente als Klima- und Umweltarchive Hettwer et al. 2003, Water Soil Air Poll 10

11 Massenrohstoffe Die wichtigsten Massenrohstoffe sind sedimentär entstanden ± ausschließlich sedimentäre (exogene) Rohstoffe Abb.: Produktion mineralischer Rohstoffe in der Welt im Jahr 1996 nach ihrer Menge (1000 t, Erdgas in Mio. m 3 ); aus Wellmer & Becker- Platen (1999) Wasserkreislauf Jacobshagen et al

12 Verteilung von Wasser auf die einzelnen Reservoire auf der Erde Press & Siever 2001 Wasserkreislauf / Wasserbilanz der Erde Leeder (1999) 12

13 Grundwasser ungesättigte Zone Deckschicht Sickerwasserzone Kapillarsaum GW-Oberfläche gesättigte Zone Grundwasserleiter Press & Siever 2001 Sohlschicht, GW-Nichtleiter Grundwasser Jacobshagen et al

14 Grundwasser Press & Siever 1997 Grundwasser Press & Siever

15 Wasserkreislauf / Wasserbilanz der Erde Der Wasserkreislauf der Erde: Die Evaporation über Meer und Land entspricht der Summe der Niederschläge. Die Evaporation über dem Meer entspricht dem dortigen Niederschlag plus dem Wassereintrag vom Kontinent über Flüsse ("Runoff"). Die Evaporation über dem Land entspricht dem dortigen Niederschlag abzüglich dem Runoff. Alle Angaben in 1000 km 3 pro Jahr (Press & Siever 2001) 2. Verwitterung 15

16 2. Verwitterung Summe aller Prozesse, die zu Veränderungen der Minerale und folglich auch der Gesteine im Bereich der Erdoberfläche im Kontakt zu Atmosphäre, Hydrosphäre und Biosphäre führen. Physikalische Verwitterung: Chemische Verwitterung: mechanische Zerstörung des Ausgangsmaterials, Zerkleinerung, aber keine chemische Umwandlung chemische Reaktionen, die zur Auflösung und/oder Mineralneubildung führen, i.d.r. Wasser als chemisch aktives Reagens Prinzip: Verwitterung passt die Gesteine an die physikalisch-chemischen Bedingungen an der Erdoberfläche an, d.h. die Gesteine werden in an der Erdoberfläche stabile Formen überführt! Physikalische Verwitterung Ursachen der physikalischen Verwitterung sind: Druckentlastung: Temperaturwechsel: Frostsprengung: bei Exhumierung durch Entfernung der Auflast, laterale Druckentlastung durch Erosion / Eintalung unterschiedliche materialspezifische Ausdehnung, thermisch bedingte Spannungen "Vergrusung" Volumenausdehnung von gefrorenem Wasser in Rissen, Klüften; Drücke bis zu 210 N/mm 2 bei -22 C Kristallisation: Kristallisation von Salz (NaCl, CaSO 4 x 2H 2 O, CaCO 3 ) in Poren und Klüften infolge von Evaporation von kapillar aufsteigendem Grundwasser (aride Gebiete!) biolog.-physikalische: Ursachen Zelldruck von Wurzeln Klufterweiterung, Bioturbation 16

17 Zerkleinerung und (reaktive) Oberfläche Press & Siever 1997 Prinzip der Wollsack -Verwitterung Jacobshagen et al starker Anteil an chemischer Verwitterung! 17

18 Exfoliation im Granit - Yosemite Park, Kalifornien Press & Siever 1997 Chemische Verwitterung Chemische Verwitterung ist das Resultat einer Reihe von chemischen Reaktionen zwischen Mineralen (in Gesteinen, Lockersedimenten, Böden) und Fluiden (Wasser, Luft und die darin enthaltene Stoffe) Bei diesen Reaktionen werden einige Minerale aufgelöst, andere reagieren mit Wasser bzw. Luft und deren Komponenten unter Bildung anderer Minerale oder chemischer Verbindungen. Andere Minerale sind wiederum nahezu völlig stabil. Die chemische Verwitterung ist ein selektiver Prozess! Wasser ist das wichtigste chemische Reagens bei der Verwitterung 18

19 Chemie des Wassers O H H H 2 O Dipol-Charakter 2H 2 O H 3 O + + OH - wenn Konzentration an Protonen H + (H 3 O + ) 10-7 mol/kg ph - Wert = 7 ph < 7: sauer ph > 7: alkalisch CaCO 3 im Meerwasser SiO 2 (amorphe Kieselsäure) Al 2 O 3 / Al(OH) 3 Allen (1997) 19

20 Oxidation - Reduktion Fe 2+ Fe 3+ + e - E h -Wert: Redox-Potential in wässrigen Lösungen relativ zur Reaktion (in mv) 2H + + 2e - H 2 E h -ph Diagramme Leeder (1999) Ionenpotential = Ionenladung z Ionenradius r Leeder (1999) 20

21 Chemische Verwitterung wird meist eingeteilt in: Hydratation: einfache Lösung von Chloriden, Sulfaten, Nitraten in (Lösungsverwitterung) wässrigen Lösungen (z.b. ~350g Halit in 1l Wasser) Hydrolyse: Oxidation: biologisch-chemisch: Rauchgas -Verw.: Reaktion von Mineralen mit Wasser, Austausch von H + -Ionen gegen Kationen (Alkali-, Erdalkalimetalle), Neubildung wasserführender Phasen (Tonminerale) Austausch von Elektronen. Polyvalente Kationen (Fe, Mn) werden oxidiert (geben Elektronen ab, z.b. Fe 2+ Fe 3+ ) und verbinden sich mit Sauerstoff (nimmt die Elektronen auf) tierisch-pflanzliche Abbauprodukte organ. Säuren ph, Bildung metall-organischer Komplexe Salzausblühungen aufgrund anthropogen/vulkanogen bedingter hoher CO 2, SO 2 und NO x -Gehalte im Regen Hydrolyse Modellfall Feldspat-Verwitterung - Feldspäte sind häufigstes Mineral in der kontinentalen Erdkruste - Feldspäte sind, wie viele andere Silikate, anfällig für hydrolytische Umwandlung Silikat + Wasser Tonmineral + Lösungsfracht K-Feldspat + Wasser Kaolinit + Lösungsfracht (?) K[AlSi 3 O 8 ] H 2 O Al 2 [Si 2 O 5 /(OH) 4 ] Si K H 2 O + CO 2 H 2 CO 3 (Kohlensäure) H 2 CO 3 + H 2 O H H 2 O + HCO 3 2 K[AlSi 3 O 8 ] + 2 H HCO H 2 O Al 2 [Si 2 O 5 /(OH) 4 ] + 4 SiO 2 + 2K + +2 HCO 3-21

22 Was ist passiert? Leeder (1999) 4 22

23 1 µm 1 µm 10 µm REM-Fotos (Rasterelektronenmikroskop) von nicht (links), wenig (Mitte) und stark (rechts) angeätzten Feldspat- Körnern aus einem Bodenprofil. Die gleichen Strukturen zeigen sich bei Laborexperimenten mit HF (Berner, 1977, Geology). Oxidation: z.b. Fe-Silikate Eisen - führende Silikate? Pyroxene, Olivin, Biotit, Amphibole, etc. Fe-freie Kettensilikate (z.b. Diopsid, Tremolit, verwittern im Prinzip wie Feldspäte Press & Siever

24 Kontrollierende Faktoren der Verwitterung - Gesteinszusammensetzung - Klima Temperatur Niederschlag - Topografie - Bodenbildung, organische Aktivität - ZEIT!!! Press & Siever 2001 Skinner & Porter

25 Lösungskinetik Leeder 1999 Verwitterungsresistenz der Minerale vs. Bowen sche Reaktionsreihe Bahlburg & Breitkreuz