Ökopedologie I + II Einführung in die Mineralogie und Gesteinskunde

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 (SiO2):
Quarz (SiO2):
amorphe
Struktur
kristalline
Struktur
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Minerale - Unterscheidung anhand der Eigenschaften
A) Kristallform:
• 7 Kristallsysteme
C) Lumineszenz
• UV-Fluoreszenz
E) Spaltbarkeit
B) Farbe:
• leukrate bzw. melanokrate Minerale
D) Transparenz
• transparent, transluzent, opak
F) Dichte
• Ø Mineraldichte in Böden: 2,65 g cm-3
• Schwerminerale > 2,9 g cm-3
G) Härte:
• Ritzhärte
nach Mohs
Chemische Zusammensetzung der Lithosphäre
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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.
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Siliciumoxide:
A) Quarz (SiO2):
Größtenteils magmatische Entstehung (primäres Mineral), Härte 7,
muscheliger Bruck, sehr verwitterungsresistent.
SiO2 ist vollständig polimerisierte Kieselsäure (H4SiO4):
OH
OH
Si
OH
OH + OH
OH
Si
OH
H2 O
OH
OH
OH
Si
OH
OH
O
Si
OH
OH
B) Opal (SiO2 (+H2O)):
Amorphes Si-Oxid, Vorstufe von Quarz
Aluminiumoxide:
A) Gibbsit (Al(OH)3:
• Sekundäres Mineral, bildet sich aus Verwitterungsprodukten
der Silikate (Al3+-Freisetzung aus Silikatgitter und Hydrolyse des
freigesetzten Al3+).
• Vernetzte Oktaeder aus Al3+ und 6 OH-Ionen.
• Die Löslichkeit steigt mit sinkendem pH.
Eisenoxide:
• Sekundäre Minerale, Oxidation des Fe2+ 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
α-Fe2O3):
Ferrihydrit (5 Fe2O3 ·9H2O):
Goethit (α
α-FeOOH):
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Bodenfärbung durch Eisenoxide
Farbton von Fe-Oxiden:
Carbonate, Sulfate:
A) Carbonate:
♦ Calcit (CaCO3):
♦ Dolomit (CaMg(CO3)2):
♦ Magnesit (MgCO3):
• Salze der Kohlensäure (H2CO3), sekundäre Minerale.
• Hauptbestandteile der Kalksteine.
• Kalk-Düngung (Protonenpufferung, Ca- und Mg-Düngung).
B) Sulfate:
♦ Gips (CaSO4 · 2 H2O):
• Gehört zu den Evaporiten, leicht löslich.
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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:
SiO4-Tetraeder
Vernetzung der Tetraeder
über Sauerstoffbrücken
AlO6-Oktaeder
⇒ Die primären Silikate werden unterteilt nach Art und
Ausmaß der Vernetzung der Grundbausteine:
• Gerüstsilikate
• Ketten-, Bandsilikate
• Inselsilikate
• Schichtsilikate
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Primäre Silikate:
⇒ Polimerisation der
SiO4-Tetraeder
Si
O
Kettenstruktur
Bandstruktur
Primäre Silikate:
A) Gerüstsilikate (Feldspäte):
• Si4+ in den Tetraedern ist zu 20-50% durch Al3+ ersetzt
(= isomorpher Ersatz, Alumosilikate).
• Ausgleich des negativen Ladungsüberschusses durch
Einbau von K+, Na+, Ca2+, Mg2+ in das Mineralgitter
⇒ Kalifeldspat (Orthoklas):
⇒ Natronfeldspat (Albit):
⇒ Kalkfeldspat (Anorthit):
K(AlSi3O8)
Na(AlSi3O8)
Ca(Al2Si2O8)
⇒ Albit und Anorthit bilden die Mischungsreihe
der Plagioklase:
• Feldspäte sind wichtige Nährstoffquellen
Albit
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Primäre Silikate:
B) Ketten- und Bandsilikate (Pyroxene, Amphibole):
• Isomorpher Ersatz in Tetraedern durch Al3+.
• Ausgleich des negativen Ladungsüberschusses durch
Einbau von Ca2+, Mg2+ , Fe2+ zwischen die Tetraederketten
Augit
(Ca, Mg, Fe, Al)2(Si, Al)2O6
Hornblende
(Mg, Fe, Al)5(Si, Al)8O22(OH)2
Primäre Silikate:
C) Inselsilikate:
• SiO4-Tetraeder sind nicht über gemeinsame O-Ionen,
sondern über Fe- und Mg-Ionen miteinander verbunden
⇒ Olivin:
(Mg, Fe)2SiO4
• Der Olivin ist eine wichtiger Mg-Quelle in dunklen magmatischen
Gesteinen (Basalt)
Grundbaustein: (SiO4)4-
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Primäre Silikate:
D) Schicht- oder Phyllosilikate (Glimmer):
• Aufbau aus (Si, Al)O4-Tetraedern und (Al, Mg, Fe)(O, OH)6Oktaedern. Verbindung der Tetraeder und Oktaederschichten durch gemeinsame O- und OH-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 KAl2(Si3Al)O10(OH)2 :
Isomorpher Ersatz in Tetraedern durch Al3+
Ladungsausgleich durch K+-Einlagerung
⇒ Biotit K(Mg, Fe, Mn)3(Si3Al)O10(OH)2 :
Aufbau wie Muskovit, jedoch in Oktaederzentren kein
Al3+ sondern zweiwertige Kationen (verwittert leichter).
Tetraeder
Oktaeder
Tetraeder
K+-Ionen im Zwischenschichtraum
Tetraeder
Oktaeder
Tetraeder
K+-Ionen im Zwischenschichtraum
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Primäre Silikate:
Bildung primärer Silikate:
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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
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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:
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Mineralbestand der Lithosphäre
Mineralbestand von Sedimentgesteinen
Sedimente machen nur ca. 8% der Erdkruste aus,
bedecken aber ca. 75% der Erdoberfläche:
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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
2000
63
2
0
µm Korndurchmesser
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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
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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
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Mineralbestand von Magmatiten
Methamorphite
Durch Druck- und/oder Temperatur-Einwirkung veränderte
Gesteine aus magmatischen Gesteinen (Orthogesteine)
oder Sedimenten (Paragesteine):
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Methamorphite
Strukturveränderung durch
Druck- und/oder TemperaturEinwirkung
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
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Sedimente
Vorkommen von Sedimenten in der Erdkruste
und an der Erdoberfläche
Sedimente Größensortierung
Sedimentsortierung
entlang des
Mississippis
Anreicherung der
feinen Kornfraktionen
am Unterlauf
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Verbreitung von Gesteinen in Deutschland
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