Poster 10 - Kanti Wattwil

academia – Forschungsgruppe der Kantonsschule Wattwil
Bodenprojekt
Simon Frei, Fabrice Keller, Marco Schmid
Einleitung
•
Das Ziel dieses Projekts war die Untersuchung verschiedener Böden und
Gesteine auf ihre elementare Zusammensetzung mittels Röntgenfluoreszenzanalyse. Auf Grund dieser Werte sollten Aussagen über die
Zusammensetzung von Böden und Gesteinen und deren Ursachen gemacht
werden. Dafür wurden Proben in Form eines T iefenprofils auf einem Acker
genommen. Des weiteren wurden Proben an einer Erdwand nahe einer
Schnellstrasse genommen.
•
Methoden
Pille npre sse n
Um die Proben anschliessend zu messen, mussten sie zuerst getrocknet werden. Danach wurden sie zerkleinert, auf eine Korngrösse <50µm gemahlen
und mit Lycowax als T rägersubstanz zu 32mm-Pillen gepresst.
XRF
Mit einem Röntgenfluoreszenz-Spektrometer (XRF) kann der totale Gehalt an
Elementen (oberhalb der Ordnungszahl Z=10) in Bodenproben gemessen werden. Mit Röntgenstrahlen wird bei den Atomen in der Probe ein Elektron aus
den tiefen Energieniveaus herausgeschlagen. Daraufhin fällt ein Elektron aus
einem höheren Niveau in seine Position, wobei ein Röntgenphoton einer bestimmten Frequenz ausgesendet wird, welche eindeutig dem jeweiligen Element zugeordnet werden kann. Das Photon wird daraufhin von einem Detektor registriert und damit ein Spektrum aufgenommen (Anzahl registrierte Photonen pro Energie). Das XRF wurde für bodentypische Elementgehalte kalibriert, sodass die Auswertung des Spektrums automatisch erfolgt.
Resultate
Acke r
Im Landesinnern wurde am Rande eines Ackers mit einem Bodenbohrer Proben in verschiedenen Tiefen genommen. Die trockene Wiese lag neben einer
Schnellstrasse. In den untenstehenden Diagrammen (Abb. 1) werden die Ergebnisse der XRF-Messungen zum Bodenprofil dargestellt.
0
5000
10000
15000
Acker
20000
25000
30000
35000
Tiefe [m]
0
Konz. [mg/kg]
(Ca, Si)
0.1
Al
0.2
Fe
0.3
Ca
0.4
Si
0.5
0.6
0.7
0.8
0
50000
0
200
100000
400
150000
600
200000
Acker
800
1000
250000
1200
Tiefe [m]
0
Konz. [mg/kg]
300000 (Al, Fe)
1400
Konz. [mg/kg]
(P,S,Mn,Cu)
0.1
P
0.2
S
0.3
Mn
0.4
Cu
0.5
Mg
0.6
K
0.7
0.8
0
2000
4000
6000
8000
Abb. 1: Resultate der XRF-Messung des Ackerprofils
Konz. [mg/kg]
(Mg,K)
10000
Dabei fällt folgendes auf:
• Sehr hoher Calciumgehalt.
• Elemente Silicium, Aluminium und Eisen kommen in bedeutend grösseren Mengen als die anderen Elemente vor.
• Die Elemente Magnesium, Aluminium, Phosphor, Schwefel, Kalium,
Kupfer, Eisen und Mangan weisen alle in etwa denselben Trend auf. In
einer T iefe von 0.3m bis 0.5m ist nämlich eine zum T eil deutliche Abnahme der Konzentration dieser Elemente festzustellen.
Der Calciumgehalt zeigt einen gegenläufigen T rend, er steigt in der
gleichen T iefe auf den anderthalbfachen Wert an.
Aus der Massenbilanz
resultiert ein Anteil
von 10-15% an organischem Material.
Farbige Probe
In der Nähe des Ortes Cuers
wurde für eine Schnellstrasse
eine Schneise durch einen
Hügel gelegt. An dessen
Rändern hatte es Stellen mit
stark gefärbtem Boden (siehe
Abb. 2). Es wurden Proben
von den verschiedenen
Färbungen genommen und im
XRF auf ihre elementare
Zusammensetzung untersucht.
Mit Hilfe dieser Daten wurde
versucht, Aufschlüsse über
die Farbgebung zu erhalten.
Auffällig war, dass rote
Proben tendenziell einen
hohen Eisengehalt aufzeigten
und dunkle Proben höhere
Mangangehalte hatten.
Abb.2: Erdwand mit starker Färbung am Rande einer
Schnellstrasse.
Diskussion
Acke r
Der hohe Gehalt an Calcium passt zum carbonathaltigen Untergrund. Für dessen nach unten zunehmende Konzentration gibt es zwei Erklärungsansätze:
Einerseits wird Calcium von organischen Säuren, die durch Verrottung von
pflanzlichem Material entstehen, gelöst und durch Regen in die unteren Bodenschichten transportiert. Andererseits verwittert das Untergrundgestein,
wodurch Calcium von unten in den Boden eingetragen wird. Dadurch nimmt
die relative Konzentration der anderen Elemente nach unten ab.
Phosphor, Kalium und Magnesium werden wahrscheinlich durch das Düngen
dem Boden zugeführt und sind deshalb in oberen Bodenschichten häufiger
vorhanden. Der Anteil an organischem Material ist für trockene Böden ziemlich hoch, liegt aber in einem durchaus plausiblen Bereich.
Farbige Probe n
Die Färbung des Bodens unterliegt vielen verschiedenen Einflussfaktoren.
Dazu gehören Entstehungszeit des Bodens, vorherrschendes Klima, Wassergehalt und Zusammensetzung des Untergrundgesteins. Allein auf Grund der
Elementgehalte der Proben ist es nicht möglich, die Farben zu erklären. Trotzdem sind Korrelationen zwischen verschiedenen Elementgehalten und der
Färbung vorhanden, aber nur bei zweien ist dieser Zusammenhang deutlich.
Die Proben mit hohen Eisenwerten weisen meist rötliche Färbung auf und
Proben mit hohen Manganwerten waren tendenziell dunkler.
Um genauere Angaben zu Färbungen machen zu können, müssten die Verbindungen und Oxidationsstufen bekannt sein, hauptsächlich diejenigen von Eisen.
Fazit
T rotz des kargen Bodenaufbaus in der Region konnte ein interessanter
Datensatz erhoben werden. Dieser entstand durch eine Konzentration auf
wenige, spezielle Standorte. Das Tiefenprofil im Acker stellt eine Ergänzung
zu früheren Bodenprofilen dar. Neu sind die Untersuchung der Färbung des
Bodens. Da zeigt sich, dass die vorhandene Methodik nicht ausreicht. Für
weitere Untersuchungen in diese Richtung muss eine Möglichkeit gefunden
werden, Verbindungen und Oxidationsstufen der Metalle im Boden zu
messen.
Das XRF wurde erfolgreich in die Methodik zur Bodenuntersuchung
integriert. Es bleibt zu testen, wie sich die Resultate im Vergleich zum ICP
verhalten, wo Gehalte im Bodenaufschluss im Gegensatz zum totalen Gehalt
beim XRF gemessen werden.