Ökopedologie I + II. Einführung in die Mineralogie und Gesteinskunde

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1 Ökopedologie I + II Einführung in die Mineralogie und Gesteinskunde Minerale - Definition Minerale sind stofflich einheitliche (physikalisch und chemisch homogene), feste, anorganische, meist natürlich vorkommende Körper der Erdkruste. Sie bilden die Gesteine und die anorganische Festphase der Böden. Amorphe und kristalline Minerale Obsidian (SiO 2 ): amorphe Struktur Quarz (SiO 2 ): kristalline Struktur 1

2 Minerale - Unterscheidung anhand der Eigenschaften A) Kristallform: 7 Kristallsysteme C) Lumineszenz UV-Fluoreszenz B) Farbe: leukrate bzw. melanokrate Minerale D) Transparenz transparent, transluzent, opak E) Spaltbarkeit F) Dichte Ø Mineraldichte in Böden: 2,65 g cm -3 G) Härte: Ritzhärte nach Mohs Schwerminerale > 2,9 g cm -3 Chemische Zusammensetzung der Lithosphäre 2

3 Minerale - Einteilung nach dem chemischem Prinzip I) Elemente: Bsp.: Diamant, Gold Kupfer, gediegene Metalle II) Sulfide: Bsp.: Pyrit unter anaeroben Bedingungen III) Halogenide: Bsp.: Verbindungen mit F, Cl, Br, J (z.b. Steinsalz) IV) Oxide und Hydroxide: Bsp.: Silicium,- Eisen- und Aluminiumoxide V) Carbonate, Nitrate, Borate: Bsp.: Calcit, Dolomit VI) Sulfate, Chromate, Molybdate: Bsp.: Gips VII) Phosphate, Arsenate, Vanadate: Bsp.: Apatit VIII) Silkikate: Bsp.: primäre Silikate bzw. sekundäre Silikate Primäre Minerale - Sekundäre Minerale A) Primäre Minerale: Minerale, die aus einer Gesteinsschmelze (Magma) kristallisiert sind. Bildung unterschiedlicher Minerale im Zuge der gravitativen Kristallisations-Differentiation heißer silikatischer Schmelzen Minerale haben unterschiedliche Schmelzpunkte (Magmenerkaltung: 1300 C 600 C) B) Sekundäre Minerale: Minerale, die sich im Zuge der Verwitterungsprozesse an der Erdoberfläche gebildet haben. Hierzu zählen sowohl Verwitterungsprodukte primärer Minerale als auch die Bildung neuer Minerale. Bsp.: Al-, Fe- und Mn-Oxide/Hydroxide, Tonminerale, Evaporite. 3

4 Siliciumoxide: A) Quarz (SiO 2 ): Größtenteils magmatische Entstehung (primäres Mineral), Härte 7, muscheliger Bruck, sehr verwitterungsresistent. SiO 2 ist vollständig polimerisierte Kieselsäure (H 4 SiO 4 ): H 2 O Si + Si Si O Si B) Opal (SiO 2 (+H 2 O)): Amorphes Si-Oxid, Vorstufe von Quarz Aluminiumoxide: A) Gibbsit (Al() 3 : Sekundäres Mineral, bildet sich aus Verwitterungsprodukten der Silikate (Al 3+ -Freisetzung aus Silikatgitter und Hydrolyse des freigesetzten Al 3+ ). Vernetzte Oktaeder aus Al 3+ und 6 -Ionen. Die Löslichkeit steigt mit sinkendem ph. Eisenoxide: Sekundäre Minerale, Oxidation des Fe 2+ aus primären Mineralen. Verhältnis von oxidischem Fe zu Gesamt-Fe kennzeichnet den Verwitterungsgrad von Böden Die Löslichkeit ist abh. Vom Redoxpotential und dem ph. Hämatit (α-fe 2 O 3 ): Goethit (α-feo): Ferrihydrit (5 Fe 2 O 3 9H 2 O): 4

5 5 Bodenfärbung durch Eisenoxide Farbton von Fe-Oxiden: Carbonate, Sulfate: A) Carbonate: Calcit (CaCO 3 ): Dolomit (CaMg(CO 3 ) 2 ): Magnesit (MgCO 3 ): Salze der Kohlensäure (H 2 CO 3 ), sekundäre Minerale. Hauptbestandteile der Kalksteine. Kalk-Düngung (Protonenpufferung, Ca- und Mg-Düngung). B) Sulfate: Gips (CaSO 4 2 H 2 O): Gehört zu den Evaporiten, leicht löslich.

6 Entstehung von Evaporiten Ausfällung unterschiedlicher Salze im Zuge der Eindampfung einer abgeschnürten Meeresbucht: Steigender Salzgehalt Sukzessive Ausfällung von: - Kalk, Dolomit - Gips - Steinsalz, Anhydrit - Edelsalze Abdichtung des Salzlagers durch eine Tonschicht: Primäre Silikate: Bausteine der Silikate: SiO 4 -Tetraeder Vernetzung der Tetraeder über Sauerstoffbrücken AlO 6 -Oktaeder Die primären Silikate werden unterteilt nach Art und Ausmaß der Vernetzung der Grundbausteine: Gerüstsilikate Ketten-, Bandsilikate Inselsilikate Schichtsilikate 6

7 7 Primäre Silikate: Polimerisation der SiO 4 -Tetraeder Si O Kettenstruktur Bandstruktur Primäre Silikate: A) Gerüstsilikate (Feldspäte): Si 4+ in den Tetraedern ist zu 20-50% durch Al 3+ ersetzt (= isomorpher Ersatz, Alumosilikate). Ausgleich des negativen Ladungsüberschusses durch Einbau von K +, Na +, Ca 2+, Mg 2+ in das Mineralgitter Kalifeldspat (Orthoklas): K(AlSi 3 O 8 ) Natronfeldspat (Albit): Na(AlSi 3 O 8 ) Kalkfeldspat (Anorthit): Ca(Al 2 Si 2 O 8 ) Albit und Anorthit bilden die Mischungsreihe der Plagioklase: Feldspäte sind wichtige Nährstoffquellen Albit

8 Primäre Silikate: B) Ketten- und Bandsilikate (Pyroxene, Amphibole): Isomorpher Ersatz in Tetraedern durch Al 3+. Ausgleich des negativen Ladungsüberschusses durch Einbau von Ca 2+, Mg 2+, Fe 2+ zwischen die Tetraederketten Augit (Ca, Mg, Fe, Al) 2 (Si, Al) 2 O 6 Hornblende (Mg, Fe, Al) 5 (Si, Al) 8 O 22 () 2 Primäre Silikate: C) Inselsilikate: SiO 4 -Tetraeder sind nicht über gemeinsame O-Ionen, sondern über Fe - und Mg-Ionen miteinander verbunden Olivin: (Mg, Fe) 2 SiO 4 Der Olivin ist eine wichtiger Mg-Quelle in dunklen magmatischen Gesteinen (Basalt) Grundbaustein: (SiO 4 ) 4-8

9 Primäre Silikate: D) Schicht- oder Phyllosilikate (Glimmer): Aufbau aus (Si, Al)O 4 -Tetraedern und (Al, Mg, Fe)(O, ) 6 - Oktaedern. Verbindung der Tetraeder und Oktaederschichten durch gemeinsame O- und -Ionen. Isomorpher Ersatz kann sowohl in der Tetraederschicht als auch in der Oktaederschicht auftreten. Ladungsausgleich durch Einlagerung von Kationen oder geladenen Hydroxidschichten Primäre Silikate: D) Schicht- oder Phyllosilikate (Glimmer): Muskovit KAl 2 (Si 3 Al)O 10 () 2 : Isomorpher Ersatz in Tetraedern durch Al 3+ Ladungsausgleich durch K + -Einlagerung Biotit K(Mg, Fe, Mn) 3 (Si 3 Al)O 10 () 2 : Aufbau wie Muskovit, jedoch in Oktaederzentren kein Al 3+ sondern zweiwertige Kationen (verwittert leichter). Tetraeder Oktaeder Tetraeder K + -Ionen im Zwischenschichtraum Tetraeder Oktaeder Tetraeder K + -Ionen im Zwischenschichtraum 9

10 10 Primäre Silikate: Bildung primärer Silikate:

11 11 Sekundäre Silikate (Tonminerale): Die Tonminerale gehören wie die Glimmer zu den Schichtsilikaten (ähnlicher Aufbau!). Sie sind Verwitterungsneubildungen. Man unterscheidet 2-Schicht- und 3-Schicht-Tonminerale Struktur 2-Schichtmineral Struktur 3-Schichtmineral Sekundäre Silikate (Tonminerale): A) Kaolinit: 2-Schicht-Tonmineral Kein isomorpher Ersatz Bindung der Schichten durch Wasserstoffbrücken In stark verwitterten Böden B) Illit: 3-Schicht-Tonmineral Aufbau wie Glimmer K + in Zwischenschicht Nicht quellbar

12 12 Sekundäre Silikate (Tonminerale): C) Vermiculit, Smectit: 3-Schicht-Tonmineral Aufbau wie Illit, aber hydratisierte Kationen in der Zwischenschicht Quellbar D) Sekundärer Chlorit: 3-Schicht-Tonmineral Al-Hydroxidschicht in der Zwischenschicht Nicht quellbar Bildung von Tonmineralen (sekundäre Silikate): Bildung und Umwandlung von Tonmineralen:

13 13 Mineralbestand der Lithosphäre Mineralbestand von Sedimentgesteinen Sedimente machen nur ca. 8% der Erdkruste aus, bedecken aber ca. 75% der Erdoberfläche:

14 Verwitterungsstabilität von Mineralen: A) Wasserlöslichkeit von Salzen: Bsp.: Halit > Anhydrit > Dolomit B) Primäre Silikate: Stabilität steigt mit Kondensationsgrad der Silikatstruktur Bsp.: Insel- < Ketten- < Band- < Schicht- < Gerüstsilikate Innerhalb einer Gruppe sinkt Stabilität mit steigendem isomorphem Ersatz (Anorthit < Albit) Reihung der Verwitterungsstabilität: Olivin < Pyroxene < Amphibole < Biotit < Plagioklas < Orthoklas < Quarz Mineralvorkommen in Korngrößenfraktionen: Minerale in Kornfraktionen von Böden des gemäßigt-humiden Klimabereichs µm Korndurchmesser 14

15 15 Gestein - Definition Gesteine sind monomineralische oder polymineralische Aggregate von Mineralen, die selbständige, in sich wesensgleiche Teile der Erdkruste darstellen. Gesteinsklassen Unterscheidung der Genese und Struktur A) Magmatite: B) Methamorphite: C) Sedimente: Der Gesteinszyklus

16 Entstehung magmatischer Gesteine Gravitative Kristallisations-Differentiation heißer silikatischer Schmelzen Entstehung magmatischer Gesteine Farbe magmatischer Gesteine Granit Diorit Gabbro Fe-Gehalt Ca-, Mg-Gehalt Si-Gehalt 16

17 17 Mineralbestand von Magmatiten Methamorphite Durch Druck- und/oder Temperatur-Einwirkung veränderte Gesteine aus magmatischen Gesteinen (Orthogesteine) oder Sedimenten (Paragesteine):

18 Methamorphite Strukturveränderung durch Druck- und/oder Temperatur- Einwirkung Bsp.: Schieferung Gneis Sedimente Bildung durch Verwitterung, Transport und Ablagerung an der Erdoberfläche (teils auch Verfestigung) A) Klastische Sedimente: Mechanisch transportiertes Material (Wasser, Wind, Gletscher) Bei Wasser- und Windtransport Größensortierung Bsp.: Tonstein, Schluffstein, Sandstein, Löß, Fließerden, glazigene Sedimente, Kolluvien B) Chemische Sedimente und biogene Sedimente: Bsp.: Carbonatgesteine, Mergel (Mischung aus Kalk + Ton) Salzsteine 18

19 19 Sedimente Vorkommen von Sedimenten in der Erdkruste und an der Erdoberfläche Sedimente Größensortierung Sedimentsortierung entlang des Mississippis Anreicherung der feinen Kornfraktionen am Unterlauf

20 Verbreitung von Gesteinen in Deutschland 20