Script_Schülerinnen

2.9.2 „Text für Schüler/innen“ zum
„Anwendungsbeispiel Geologie – Salz“
Was ist Salz?
Eine Definition:
Evaporite, Salzgesteine, chemische Sedimente und Sedimentgesteine, die
durch intensive Verdunstung oder gar Eindunstung saliner wässriger Lösungen
entstehen. Salinare Lösung kann dabei Meerwasser (Bildung von marinen
Evaporiten) oder aber Grundwasser bzw. Porenwasser (Bildung von
terrestrischen Evaporiten) sein. (Lexikon der Geowissenschaften 2001)
Wasser auf der Erde.
Die Gesamtmenge des auf der Erde vorhandenen Wassers beträgt etwa 1,4
Mrd. km3. Nur rund 2,4 % dieses Wassers ist Süßwasser, davon sind aber nur
etwas mehr als 0,1 % der Nutzung durch den Menschen zugänglich.
Der Rest, also 97,6% entfällt auf das Salzwasser in den Ozeanen
Zusammensetzung des Meerwassers
Kationen
Na
Mg
Ca
K
Sr
Na+
Mg2+
Ca2+
K+
Sr2+
Salzgehalt
g/l
10,47
1,28
0,41
0,38
0,013
Anionen
Chloride
Sulfate
Bromide
Bicarbonate
Borate
ClSO42BHCO3BO33-
18,97
2,65
0,065
0,14
0,027
Salzgehalt
%
30,0
3,7
1,2
1,1
0,05
55,2
7,7
0,2
0,4
0,08
Summe
34,4
99,6
Tabelle 1: Kationen- und Anionengehalt von Meerwasser. Angabe in Gramm pro kg
und in Prozentanteil an der Salinität (Salzgehalt/Salzkonzentration). Die Angaben sind
bezogen auf den Durchschnittswert über die Ozeane, also auf eine mittlere Salinität
von 34,4 Gramm/kg. (Bearbeitet nach Lexikon der Geowissenschaften 2001)
Im Meerwasser sind alle natürlichen chemischen Elemente nachzuweisen. Die Tabelle
beschränkt sich aber auf die Angabe von 5 Kationen und 5 Anionen und das hat seinen
Grund. Die angegebenen Ionen bestimmen tatsächlich ca. 99% der Salinität des
Meerwassers.
Welche Salzkonzentration treten in den Meeren auf?
Einige Beispiele:
• Ostsee
<20g/l bis nahezu Süßwasser in den inneren Teilen.
• Nordpolarmeer
32g/l
• Nordsee
35 – 34 g/l
;
• Mittelmeer
bis 39 g/l;
• Persischer Golf
bis 40 g/l;
• Rotes Meer
bis 41 g/l.
• Eine Extrem bildet das Tote Meer mit einem Salzgehalt bis zu 330 g/l
1
Abb. 1: Die Erdzeitalter - Flyer von Spektrum der Wissenschaft.
Hatten die Meere immer die gleiche Konzentration an Salz?
Der Salzgehalt der Meere entwickelte sich über einen längeren Zeitraum.
Der Prozess begann bereits in der Frühphase des Planeten Erde vor etwa 4.5. Mrd.
Jahren. Gegen Ende des Proterozoikums, vor etwa 1 Mrd. Jahre (s. Abb. 1 ) war wohl
die heutige Zusammensetzung erreicht.
Vor etwa 570 Mio. Jahren wurden die ersten Salzlagerstätten auf der Erde gebildet.
(Zur Bildung der Salzlagerstätten später mehr).
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Woher wissen Geologen das alles?
Vor 1 Mrd. Jahre gab es noch keine Menschen, das Leben existierte in Form von
Einzellern im Meerwasser. Also keine Zeitungen, keine Bücher, keine Computer, aber
vor allem niemand der Informationen weitergeben konnte.
Und doch gibt es Informationen aus dieser Zeit. Informationen, die sich in den
Gesteinen befinden.
Geologen beziehen ihre Informationen aus Beobachtungen und Untersuchungen
dieser Gesteine. Sie beschreiben und analysieren die Gesteine und vergleichen ihre
Ergebnisse mit denen von Gesteinen, die sich aktuell bilden.
Wenn man diese Bildung nicht beobachten kann, versucht man sie im Labor oder in
Werkstätten in Experimenten nachzuvollziehen. Bis etwa das gleiche Ergebnis/Produkt
herauskommt.
In der Annahme, dass die geologischen Prozesse der Vergangenheit in vergleichbarer
Weise wie heute abgelaufen sind, sind Geologen/innen damit in der Lage, bestimmte
Prozesse und Phasen in der zurückliegenden Erdgeschichte zu rekonstruieren.
Dieses methodische Vorgehensweise wird als
„Prinzip des Aktualismus“
bezeichnet.
• In der Erdgeschichte dient es dazu, aus der Kenntnis der Gegenwart zum
Verständnis der Vergangenheit zu gelangen.
• Es hilft aber nicht nur, Vergangenes zu rekonstruieren, es ermöglicht
gleichermaßen aus der Kenntnis des Bekannten zum Verständnis des
Unbekannten zu gelangen, z.B. bei der Erforschung des Erdinneren.
•
Es hilft aber auch, aus der Kenntnis der Gegenwart auf die Zukunft zu
schließen, also z.B. Vorhersagen für bestimmte geologische Prozesse zu
machen.
Wenden wir den Aktualismus auf die Bildung von Salzlagerstätten an.
Wie kommt es zur Bildung von Salzlagerstätten?
Im Prinzip nicht anders als wir es in unserem Experiment 2 zum
Zusammenhang von Dichte und Salzkonzentration gemacht haben.
Wir haben Salz in Wasser gelöst, das Wasser verdampft und einen
kristallisierten Rückstand an Salz erhalten, den wir dann gewogen
haben.
Definition Lagerstätte:
Lagerstätte, natürliche Anhäufung von Rohstoffen (Erze, Industriemineralien,
Braunkohle und Steinkohle, Erdöl und Erdgas, Steine-und-ErdenLagerstätten) in geologischen Körpern in der Erde oder an der Erdoberfläche,
die in solcher Menge und/oder Anreicherung technisch erreichbar
vorkommen, dass sich ihre Gewinnung wirtschaftlich lohnt. (Lexikon der
Geowissenschaften 2001)
Für die Bildung der Salzlagerstätten haben Geologen Modelle entwickelt.
•
•
Zur Bildung von Salzgesteinen kommt es in abgeschnürten Meeresbecken unter
heißen und trockenen Klima-Bedingungen.
Wichtig ist für derartige Bereiche, dass die Verdunstung größer ist als der
Niederschlag.
3
Das Modell das für die Salzausscheidung entwickelt wurde, geht auf den Geologen
Richter-Bernburg (1953) zurück. Es wird als „Barrentheorie“ bezeichnet. Der Begriff
Barre bezeichnet eine untermeerische Schwelle. Durch diese Schwelle wird die
Zirkulation des Meerwassers für bestimmte Bereiche eingeschränkt.
Die Verdunstung von Meerwasser verläuft am Besten im flachen Wasser, das von der
Sonne gut durchwärmt ist, dies ist der Bereich in Ufernähe. Die Barre trennt das offene
Meer gegen eine Lagune ab, damit fördert sie den Zulauf von Salzwasser im
Oberstrom. Durch Verdunstung steigt die Dichte des Salzwassers im abgeschnürten
Bereich, es sinkt ab. Die Barre verhindert den Rückstrom des Salzes mit dem
Unterstrom, da es jetzt eine höhere Dichte hat. Langsam steigt so die Konzentration
und die ersten Salze kristallisieren im tieferen Bereich des Beckens aus. (Abbildung. 2)
Die folgende Abbildung zeigt die Entwicklung der Salzausscheidung nach dieser
Theorie.
Abb. 2: Barrentheorie. Schema zur Bildung von Salzlagerstätten. Richter, D.;
Allgemeine Geologie; Berlin 1992; S. 126
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Entscheidend für die Bildung von Salzablagerungen und die Abfolge der Salze ist die
Löslichkeit. Die folgende Tabelle zeigt den Zusammenhang ausgehend von einem Liter
Wasser, der langsam verdunstet.
Abfolge
der
Salzaussche
idung
a)
Kristallisation
durch:
Verdunstungsre Ausgeschi Zusammen Löslichkeit
st Wasser
edene
setzung
Bei 20°C
bezogen auf 1 Salzphase
in g/l
Liter
Ausgangsmenge
Bei Erhöhung der
0,014
Temperatur oder
~ 1000 ml
Kalk
CaCO3
Zufuhr von
b)
0,106
CO2 .
Dolomit (Mg,Ca)
CO3
c)
Bei Einengung auf 294 ml
Gips und CaSO4
2,036
Anhydrit H2O
CaSO4
d)
Bei Einengung auf 105 ml
Steinsalz CaSO4
und
NaCl
358,5
Anhydrit
e)
Bei Einengung auf 17 ml
Edelsalze KCl,
343,5
= Sylvin, MgCl2
542,5
Carnalit, 6H2O
Kainit
f)
Salzton
Ton als Überdeckung, der das Salz vor dem Absaugen durch
das über der Barre neu einströmende Meerwassers schützen.
Tabelle 2: Salzabscheidung. Ausscheidungsabfolge und Löslichkeit der Salze bezogen
auf die „Barrentheorie“.
Irgendwann aber hörte die Salzbildung hört auf. Ganz normale Sedimente, wie Sand
oder Ton werden auf den Salzablagerungen abgelagert.
Sedimente bestehen aus Gesteinsbruchstücken die von Flüssen oder durch den Wind
als Verwitterungsschutt aus den Gebirgen ins Meer verfrachtet und dort abgelagert
werden. Für Verwitterungsprozesse braucht es Wasser, damit die Gesteine auch
chemisch aufgelöst werden können. Und auch die Flüsse brauchen Wasser, um den
Verwitterungsschutt zu transportieren. Offensichtlich haben sich die klimatischen
Bedingungen verändert, die Verdunstung hört auf und die Niederschlagsmengen
haben deutlich zugenommen. Bedingungen, die wir nur in anderen Klimabereichen
erwarten.
Was ist passiert?
• Hat sich das Klima verändert?
• Hat eine Katastrophe stattgefunden?
Wir verknüpfen die Überlegungen zu diesen Fragen mit einer anderen Frage.
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Wie kommen die Salzlagerstätten nach Norddeutschland???
Wir beziehen unser Salz aus Norddeutschland und zwar nicht aus Salinen, denn dort
wird sich auf die geschilderte Weise kein Salz bilden, sondern aus Bergwerken.
Salz findet man unter Lüneburg und vor allem in der Umgebung von Salzgitter, wo sich
auch einige Salzbergwerke befinden, aber auch in Thüringen, nicht weit von hier. Die
Salzlagerstätten in Deutschland haben eine Ausbreitung von einigen hundert
Kilometern in der Länge und in der Breite. Sie befinden sich in einigen hundert Metern
Tiefe.
Auch hierauf wissen Geologen Antwort.
 Die Salzbildung ist an die Klimazonen gebunden.
 Das Klima wandert nicht.
 Also müssen die Kontinente gewandert sein, wenn wir heute Salz in Regionen
finden, in denen es normalerweise nicht entstehen kann.
 Auch das Ende der Salzausscheidung wäre so zu erklären.
Die Erklärung der Geologen hierfür ist die Kontinentalverschiebung. Ein besserer
Begriff ist Plattentektonik. Ein Konzept mit dem Geologen sehr viele Prozesse auf
der Erde erklären können.
Nach dem Konzept der Plattentektonik ist die Erdoberfläche aufgeteilt in Platten. An
den Plattengrenzen wird entweder neue Erdkruste produziert oder Erdkruste
verschwindet durch „Verschluckung“ (Subduktion). (Dazu später mehr.....)
Die Platten sind in ständiger Bewegung. Die Geschwindigkeit liegt zwischen 1 und 20
cm/Jahr.
Die Zahlen klingen sehr klein aber auf geologische Zeiträume bezogen sieht das schon
anders aus.
Zur Orientierung:
• 1 mm/Jahr = 1 km/Mio. Jahre
• 1 cm/Jahr = 10 km/Mio. Jahre
Die folgende Abbildung 3 zeigt eine Rekonstruktion der Plattenbewegungen auf der
Erde für die vergangenen 540 Mio. Jahre.
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Abb. 3: Die Entwicklung der Konstellation von Kontinenten und Ozeanen in den
vergangenen 540 Mio. Jahren.
aus : Dynamik der Erde, Sammelband Spektrum der Wissenschaft, Hg. R. Siever;
Heidelberg 1987; S. 12
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Einige grundlegende Erläuterungen zur Plattentektonik.
Nach dem Konzept der Plattentektonik ist die Erdoberfläche aufgeteilt in Platten.
Die folgende Abbildung zeigt die Erde aus plattentektonischer Sicht:
Sie besteht aus 6 Großplatten und einer Reihe von kleinere oder Mikroplatten. Die
Abbildung zeigt die Bewegungsrichtungen der Platten und die Geschwindigkeiten der
Plattenbewegung in cm/Jahr (cm/a). Die Zahlen klingen sehr klein aber auf
geologische Zeiträume bezogen sieht das schon anders aus.
Noch einmal zur Erinnerung: 1 mm/a = 1km/Mio.a oder 1 cm= 10 km/Mio.a
Abb. 4: Platten und Plattengrenzen. Bahlburg, Heinrich. & Breitkreuz, Christoph.
Grundlagen der Geologie. Stuttgart 1998. S. 156
Wenn sich große Teile der Erdkruste Aufeinanderzu- oder Voneinanderwegbewegen
muss es dafür Antriebskräfte geben.
Was ist der Motor für diese Bewegung?
Wo kommen die Kräfte für die ständige Bewegung her?
Wir suchen in der Erde.
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Abb. 5: Die Erde im Schnitt. Im Zentrum der heiße Erdkern. Er besteht aus einem
festen inneren Kern und einem flüssigen äußeren Kern. Darüber wölbt sich der
Erdmantel. Die Erdkruste mit einer durchschnittlichen Mächtigkeit von 35 km ist die
dünne äußere Haut des Planeten und unser Lebensraum. Die enorme Hitze im
Erdinnern ist der Motor für die Plattentektonik und im weiteren Sinn für fast alle
dynamischen Prozesse des Erdkörpers.
(GFZ-Potsdam 2002).
Die wichtigsten Daten im Überblick.
≈ 1800 Kelvin
2700 Kelvin
4000 ± 200 Kelvin
Thermische
Grenzschicht
4850 ± 200 Kelvin
Abb. 6: Aufbau der Erde.
Bearbeitet nach: Möller, P. 1986; S. 97.
Die Temperaturangaben aus Lanius, K. - Die Erde im Wandel, 1994; S.79f. und
Strobach, K. 1991; S. 165.
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Abb. 7: Entwicklung eines Mittelozeanischen Rückens. (FU-Berlin, CD-Rom. Die Erde
der dynamische Planet, 2003)
Abb. 8: Schema für die wichtigsten Bereiche der Plattentektonik und die
Plattengrenzen. (Press&Siever, Allgemeine Geologie. 2002)
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Wie wird Salz gewonnen?
Es gibt im wesentlichen drei Verfahren. Dabei kommt es darauf an, wofür das Salz
Verwendung finden soll.
1. Das Salz wird im Bergwerk abgebaut und gemahlen. So kann es für industrielle
Zwecke verwendet werden.
2. Durch Eindampfen und Trocknen von gesättigten Solen in flachen
Siedepfannen (Sole- oder Sudsalz), erhält man das weiße, feinkörnige
Siedesalz, das als Tafelsalz verwendet wird. Dazu werden auch die in
Bergwerken gewonnen Salze verwendet.
3. Durch Eindunsten von Meerwasser in Salinen gewinnt man in wärmeren
Ländern das Meer-, See- oder Baysalz.
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