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1 BODENBESTANDTEILE 2. Mineralische Bestandteile der Böden S 9 Das Programm 1. Einführung BODENBESTANDTEILE 2. Mineralische Bodenbestandteile 3. Organische Bodenbestandteile BODENBILDUNG 4. Faktoren und Prozesse der Bodenbildung 5. Bodenbildung auf verschiedenen Gesteinen 6. Klassifikation und Kartierung von Böden BODENFRUCHTBARKEIT 7. Wasser, Luft und Wärme 8. Bodenreaktion und Nährstoffe 9. Erhaltung und Gefährdung der Bodenfruchtbarkeit BÖDEN UND KLIMAWANDEL 10. Böden und Klimawandel S 9 Kapitel 2: Inhalt Welche Bedeutung haben die Bodenmineralien? Überblick über die wichtigsten Gesteine Einführung in die wichtigsten Mineralien in Böden 1

2 S 9 Warum sind die Bodenmineralien wichtig? Porenraum Wasser, Luft, Organismen Mechanischen Halt für Pflanzenwurzeln Quellung und Schrumpfung des Bodens Quelle von Pflanzennährstoffen (Ca, Mg, K, Fe, u.a.) Kationenaustausch, Sorption, u.a. Indikator für Verwitterungsprozesse Paleoklima? S 14 Mineralien in Böden Wie sind diese Mineralien aufgebaut? Was besitzen sie für Eigenschaften? S 14 Einteilung der Mineralien nach Entstehung Primäre Mineralien entstanden unter hohem Druck und/oder hoher Temperatur Bestandteile der magmatischen und metamorphen Gesteine in Böden vor allem in den Grössenfraktionen Sand ( µm) und Schluff (2 50 µm) zu finden Sekundäre Mineralien entstanden durch chemische Verwitterung unter atmosphärischen Bedingungen in Böden vor allem in der Grössenfraktion Ton (<2 µm) zu finden 2

3 S 15 Mineralien in Korngrössenfraktionen 50 µm 2 µm S 15 Elementare Zusammensetzung der Erdkruste Elemente O Si Al Fe(III) Fe(II) Mg Ca Na K Gew% Vol% S 15 Wichtige Mineralgruppen in der Erdkruste Mineralgruppe Haupt Elemente Neben Elemente Vol% Silikate Si, Al, O, H Ca, Fe, Mg, Na, K 91.6 FeOxide Fe, O, H Al 1.5 Carbonate Ca, Mg, C, O 2 3

4 S 16 Primäre Silikate SiO 4 4 Tetraeder sind Grundbaustein. Einteilung der Silikate je nach Vernetzung der SiTetraeder in verschiedene Gruppen: Olivine SiO 4 4 S 18 Insel, Ketten und Bandsilikate Olivine (Inselsilikate): z.b. Forsterit (Mg 2 SiO 4 ) Pyroxene (Kettensilikate): z.b. Diopsit (CaMgSi 2 O 6 ) Amphibole (Bandsilikate): z.b. Hornblende (NaCa 2 Mg 5 Fe 2 AlSi 7 O 22 (OH)) reich an Fe(II), Mg, Ca. vor allem in basischen und ultrabasischen Gesteinen verwittern leicht S 17 SiO 4 Tetraeder (Al Si) Schichtsilikate AlO 6 Oktaeder (Fe II, Mg Al) 2 1 4

5 S 17 Glimmer (2:1 Schichtsilikate) Muskovit: helle Farbe, relativ schwer verwitterbar, K + in den Zwischenschichten (nicht austauschbar!) Typische Summenformel: KAl 2 (Si 3 Al)O 10 (OH) 2 Biotit: dunkle Farbe, relativ leicht verwitterbar, K + in den Zwischenschichten (nicht austauschbar!) Typische Summenformel: K(Mg, Fe II ) 3 (Si 3 Al)O 10 (OH) 2 Zwischenschichtkationen Oktaederschichten Tetraederschichten S 17 Gerüstsilikate Quarz (SiO 2 ): sehrschwerverwitterbar in Böden oft Hauptbestandteil der Sand und Schlufffraktionen Feldspäte: Orthoklas: KAlSi 3 O 8 Albit: NaAlSi 3 O 8 Anorthit: CaAl 2 Si 2 O 8 S 19 Sekundäre Silikate Tonminerale (= sekundäre Schichtsilikate) Mineral Illite Schichtaufbau (T:O) 2:1 Basisabstand (nm) 1.0 KAK (mmol c /kg) 250 Morphologie Plättchen Vermikulite 2: Plättchen Smektite 2: Plättchen Sekundäre Chlorite 2:1: Plättchen Kaolinite 1:1 0.7 <100 Plättchen Halloysite 1: <100 Röhren, Hohlkugeln 5

6 S 19 Aufbau der Tonminerale Kaolinite Halloysite formation on weathering biotite in granitegneiss saprolite 6

7 Halloysite formation on weathering biotite in granitegneiss saprolite Halloysite formation on weathering biotite in granitegneiss saprolite S 18 Wichtige Eigenschaften von Tonmineralien sehr kleine, plättchenförmige Partikel (<2 µm) sehr grosse spezifische Oberfläche (10800 m 2 /g) Oberflächen negativ geladen Kationenaustausch manchetonmineralienkönnenstark Quellenund Schrumpfen (vor allem Smektite) 7

8 S 20 Weitere sekundäre Mineralien in Böden Oxide, Hydroxide Goethit (FeOOH) Hämatit (Fe 2 O 3 ) Ferrihydrit (Fe 5 O 7 *4H 2 O) Gibbsit (Al(OH) 3 ) Carbonate Calcit (CaCO 3 ) Dolomit (CaMg(CO 3 ) 2 ) Sulfate Gips (CaSO 4 *2H 2 O) Sulfide Pyrit (FeS 2 ) Phosphate Apatite (Ca 5 (PO 4 ) 3 (OH, F, CO 3 )) 8

9 Zusammenfassung: Minerale Böden enthalten: Vor allem Gerüstsilikate (Quarz, Feldspäte) in den Sand ( µm) und Schluff (502 µm) Fraktionen. Schichtsilikate (Tonmineralien) und Oxide (z.b. Goethit, Ferrihydrit) in der Tonfraktion (<2 µm). Tonminerale besitzen eine sehr grosse spezifische Oberfläche mit negativer Oberflächenladung. Sie binden deshalb Kationen in austauschbarer Form. Oxide besitzen ebenfalls grosse reaktive Oberflächen und sind wichtige Sorbenten für Anionen (z.b. Phosphat) und Schwermetallkationen (z.b. Cu 2+, Pb 2+ ). S 9 Gesteine als Ausgangsmaterial für die Bodenbildung Magmatische Gesteine Sedimentgesteine Metamorphe Gesteine 9

10 S 10 Der lithologische Kreislauf S 10 Magmatische Gesteine: Entstehung Tiefengesteine (Plutonite, Intrusivgesteine): Magma kühlt langsam ab grobe Textur, d.h. mit grossen Kristallen unterschiedlicher Mineralien. Ergussgesteine (Vulkanite, Effusivgesteine): Magma kühlt schnell ab feine Textur, oft mit Einsprenglingen, manchmal auch porös, oft mit hohen Anteilen an vulkanischen Gläsern (amorphe bis schlecht kristallines Material). Vulkanische Gesteine (Etna 2001) 10

11 Effusiv: fein Textur Intrusiv: grob Magmatische Gesteine: Zusammensetzung S 11 Elementare Zusammensetzung Intrusivgesteine Effusivgesteine sauer intermediär basisch ultrabasisch sauer intermediär basisch Granit Diorit Gabbro Peridotit Rhyolit Andesit Basalt SiO TiO Al 2 O Fe 2 O FeO MnO MgO CaO Na 2 O K 2 O H 2 O P 2 O

12 S 11 Mineralogische Zusammensetzung sauer Intrusivgesteine ultrabasisch intermediär basisch intermediär sauer Effusivgesteine basisch Quarz KFeldspat Plagioklas Biotit Amphibol Pyroxen Olivin Magnetit Ilmenit Apatit Granit Diorit Gabbro Peridotit Rhyolit Andesit Basalt Mineralzusammensetzung Granit (sauer): ~74% SiO 2 Quarz, KFeldspäte, Plagioklase, Biotite, u.a. Gabbro (basisch): ~48% SiO 2 Plagioklase, Pyroxene, u.a. S 12 Sedimentgesteine Anteil an Erdkruste: ~8% Anteil an Erdoberfläche: ~75% Entstehung: a.) Bodenbildung Erosion Transport von Partikeln Sedimentation ( Diagenese) b.) Bodenbildung Auswaschung von Lösungsprodukten Transport von Ionen Ausfällung ( Diagenese) 12

13 S 12 Siliziklastische Sedimentgesteine Tonsteine, Siltsteine, Sandsteine Brekzien (kantiges Grobmaterial) Konglomerate (gerundetes Grobmaterial) Arkosen (Feldspatreiche Sandsteine) Grauwacken (Sandsteine aus Feldspat, Quarz und Gesteinsbruckstücken in toniger Matrix) Karbonatische Sedimentgesteine Kalksteine (überwiegend aus CaCO 3 ) Dolomite (überwiegend aus CaMg(CO 3 ) 2 ) Mergelsteine (tonig, kalkhaltig, mit >35% CaCO 3 ) S 12 Quartäre Lockersedimente Löss (durch Wind verfrachtetes schluffiges Lockersediment, meist Kalkhaltig) Flugsande (z.b. an Küsten, als Hügelsysteme) Sedimente der Flusstäler und Küsten (Alluvial) Kolluvien Glazigene Sedimente (Grundmoränen oder Endmoränen aus Geschiebe oder Geschiebemergel) Fliesserden, Solifluktionsschutt u.a. Flugsande 13

14 Alluviale Sedimente Kolluviale Sedimente Glazigene Sedimente 14

15 Minerale in Geschiebe (Bildbreite 15 mm, CP) Schotter Sedimenttransport durch den Yangtze (China) 15

16 S 13 Metamorphe Gesteine Metamorphose: Umwandlung eines Gesteins unter stark erhöhten Druck und Temperaturbedingungen, wobei die ursprüngliche Mineralzusammensetzung (und Textur) verändert wird. ähnliche Mineralien wie in Magmatiten, aber auch einige typisch für Metamorphose Schieferung oder Bänderung Textur gröber, je stärker die Metamorphose OrthoGesteine aus Magmatiten ParaGesteine aus Sedimentiten (z.b. OrthoGneiss) (z.b. ParaGneiss) Geologische Gliederung der Schweiz (aus Bollinger, 1999) Zusammenfassung: Gesteine Es gibt magmatische Gesteine, Sedimentgesteine, und metamorphe Gesteine. Magmatite (und entsprechende metamorphe Gesteine) enthalten verschiedene primäre Mineralien. Je nach Zusammensetzung (Si, K, Fe, Mg Gehalte) unterscheidet man saure bis (ultra)basische Gesteine. Sedimentgesteine können primäre und sekundäre Mineralien, oder auch verschiedene Gesteinsbruchstücke enthalten, je nach Entstehung. Viele Sedimentgesteine enthalten Carbonate (CaCO 3 ). 16

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