FWU – Schule und Unterricht - IMeNS Lahn-Dill
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42 02154 Entstehung von Bodenschätzen Seite 1 FWU – Schule und Unterricht 4202154 Arbeitsvideo 24 min, Farbe Entstehung von Bodenschätzen Geographie Erdgeschichte, Tektonik, Vulkanismus, Industriegeographie Rohstoffe, Standorte, Energiewirtschaft Bundesrepublik Deutschland Allgemeines Adressaten Sekundarbereich I Hauptschule, Realschule, Gymnasium, Integrierte Gesamtschule (ab Schuljahr 5), Sekundarbereich II Lernziele Einen Überblick gewinnen, wie sich die Bodenschätze Kohle (Braunkohle und Steinkohle), Erdöl und Erdgas, Salz sowie Erze in der Erdkruste bilden. Kurzbeschreibung Steinkohle, Braunkohle, Erdöl, Erdgas, Salz und Erze sind wichtige Rohstoffe. In Kurzfilmen wird ihre geologische Entstehung im Trick erklärt. Dazu werden exemplarisch Lagerstätten aus Deutschland bzw. Europa vorgestellt. Zum Inhalt 1. Kohle Braun- und Steinkohle werden zur Energieerzeugung verwendet. Beide Kohlearten bestehen aus versteinerten Pflanzen. Ihre Bildung beginnt an der Erdoberfläche in flachen Küstenbereichen von Meeren oder auch Uferstreifen von Seen, in denen sich Sumpfwälder ausbreiten. Diese Sumpfwälder gedeihen bei warmfeuchtem Klima sehr üppig. Absterbende Pflanzen sinken ins Wasser oder auf den wasserdurchtränkten Boden, der sich langsam und stetig senkt. Dadurch werden sie vom Sauerstoff der Luft, der für die Verwesung nötig wäre, abgeschlossen. Zunächst entsteht aus den abgestorbenen Pflanzen eine Schicht aus Torf. Sie wird allmählich durch Schlick, Sand und Geröll, die Flüsse in die flachen, sich allmählich absenkenden Küstenbereiche transportieren, überdeckt. Im Lauf der Jahrmillionen geraten die Torfhorizonte immer tiefer in die Erdkruste. Durch den hohen Druck der Auflast und die steigenden Temperaturen im Erdinneren laufen chemische Umwandlungsprozesse ab. Der Kohlenstoff in den Pflanzen reichert sich dabei immer stärker an. Im Lauf der Jahrmillionen entsteht aus Torf (60 % Kohlenstoff) zunächst Braunkohle (etwa 70 % Kohlenstoff), dann Steinkohle (etwa 85 % Kohlenstoff) und schließlich Anthrazit (über 90 % Kohlenstoff). Der Vorgang wird als Inkohlung bezeichnet. Die Sedimente, die sich über den kohlehaltigen Schichtpaketen abgelagert haben, nennt man Deckgebirge. 1.1. Steinkohle Steinkohlenflöze bildeten sich in Deutschland hauptsächlich während des Oberkarbons (320 bis 280 Mio. Jahre vor heute). Steinkohle gibt es in Deutschland im Ruhrgebiet, bei Ibbenbüren/Nordrhein-Westfalen, bei Aachen und im Saarland. Die Flöze sind im Durchschnitt etwa 1 Meter dick. Die mächtigen Steinkohlenflöze im Ruhrgebiet messen 2,8 Meter. Bei der Entstehung der Steinkohle im Ruhrgebiet spielte die Bildung des variszischen Gebirges eine große Rolle. Das Rheinische Schiefergebirge ist ein Rest davon. Seine Auffaltung, die vor 320 Millionen Jahren begann, ließ das vorgelagerte Land allmählich Arbeitsvideo © FWU Institut für Film und Bild 42 02154 Entstehung von Bodenschätzen Seite 2 absinken. Tröge entstanden und von Norden reichte das Meer bis an den Rand des Gebirges. Im feuchtwarmen Klima wuchsen an Küsten und Ufern sowie in Senken innerhalb des Gebirges vegetationsreiche Sumpfwälder. Flüsse transportierten Schutt aus dem Gebirge heran. Über 40 Millionen Jahre lang lief immer wieder derselbe Zyklus ab: Der Boden senkte sich, Wälder ertranken, Flüsse deckten ihre Sedimente darüber, Wälder wuchsen, der Boden senkte sich, und so fort. Auf diese Weise entstand das über 3000 Meter mächtige Schichtpaket des Ruhrgebietes mit über 100 Steinkohlelagen. 1.2. Braunkohle Die Wälder, aus denen die Braunkohle der deutschen Lagerstätten entstand, wuchsen im Tertiär (65 bis 2 Mio. Jahre vor heute). Weil das abgestorbene Pflanzenmaterial nicht so tief in der Erdkruste versenkt wurde wie bei der Steinkohlenbildung, endete die Inkohlung im Braunkohlenstadium. Braunkohle gibt es in Deutschland in der Niederrheinischen Bucht, im Raum Halle-Leipzig, in der Lausitz und in der Oberpfalz. Die Flöze sind wesentlich dicker als die der Steinkohle, nämlich 10 bis 20 Meter, manche messen sogar 100 Meter. Weil kaum Deckgebirge darüber liegt, kann die Braunkohle im Tagebau gewonnen werden. Ergänzende Bemerkung: Ähnliche Bildungsbedingungen wie in den Sumpfwäldern von Karbon und Tertiär findet man heute in den Mangrovensümpfen Floridas und in einigen Küstenbereichen Indonesiens. 2. Erdöl und Erdgas Erdöl und Erdgas werden ebenso wie die Kohle zur Energieerzeugung verwendet. Die Voraussetzungen für die Bildung von Erdöl und Erdgas herrschten im Lauf der Erdgeschichte häufig und an vielen Stellen der Erde, vor allem in den großen Sedimentbecken des Erdmittelalters. Die Erdöl- und Erdgasbildung beginnt am Grund von warmen, flachen Meeren oder Seen mit geringer vertikaler Wasserzirkulation. Das Bodenwasser enthält daher fast keinen Sauerstoff. Ausgangssubstanz für Erdöl und Erdgas ist in erster Linie marines Plankton – winzige, tierische und pflanzliche Lebewesen, die in den oberen Wasserschichten schweben und Fischen ebenso wie anderen Tieren als Nahrung dienen. Dazu kommen die Reste höherer Pflanzen und Tiere sowie anaerobe Bakterien, die keinen Sauerstoff zum Leben brauchen. Das Plankton, das nicht gefressen wird, stirbt ab, sinkt zusammen mit den anderen organischen Resten in den Meeresboden und wird allmählich in die anorganischen Sedimentpartikel, die durch die Flüsse ins Meer gelangen, eingebettet. Die anaeroben Bakterien beginnen, die organischen Teile zu zersetzen. Es entsteht Faulschlamm, der sich zu 0,3 bis 5 Prozent aus organischen Substanzen (Proteine, Kohlehydrate, Fett) zusammensetzt. Während des Zersetzungsprozesses wird Ammoniak (NH3), Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) abgegeben. Das unlösliche organische Sediment, das zwischen anorganischen Ablagerungen zurückbleibt, heißt Primärbitumen oder Kerogen. Der Faulschlamm gerät durch überlagernde Sedimente in immer größere Tiefen. Bei 2000 bis 3000 Metern Tiefe, unter einem Druck von 600 bis 800 bar und einer Temperatur um 80 °C wird durch thermische Spaltung das Kerogen zu den Kohlenwasserstoffketten des Erdöls und Erdgases. Die Sedimentpartikel verfestigen sich zu Gestein. Allmählich entsteht ein so genanntes Erdölmuttergestein. Erdöl und Erdgas sind im Erdölmuttergestein fein verteilt. Sie sind beweglich, im Gegensatz zum anorganischen Anteil des Sediments. Daneben zirkulieren auch noch Reste von Meerwasser in den winzigen Hohlräumen. Aufgrund der Beweglichkeit und des geringeren Gewichtes im Vergleich zum verfestigten anorganischen Material wandern Erdöl, Erdgas und Salzwasser allmählich durch die Risse und Poren der darüber liegenden Schichten nach oben. Diesen Vorgang nennt man Migration. An einer dichten, undurchlässigen Schicht sammeln sich Gas und Öl schließlich an: Oben das Erdgas, dann das Erdöl, das restliche Salzwasser Arbeitsvideo © FWU Institut für Film und Bild 42 02154 Entstehung von Bodenschätzen Seite 3 wird nach unten gedrängt. Das Gestein, in dem sich Gas und Öl ansammeln, ist porös (z.B. Sandstein) oder von vielen Klüften und Rissen durchzogen (z.B. Kalkstein). Man nennt es Erdölspeichergestein. Die „Sammelstelle“ wird als Erdölfalle bezeichnet. Erdölfallen entstehen, wenn das Schichtpaket mit dem Erdölmuttergestein aufgefaltet oder zerbrochen wird. Im Film sind vier Typen vorgestellt: die antiklinale Falle (an einer Schichtaufwölbung), die diskordante Falle (wenn ein aufgefaltetes Schichtpaket durch Erosion oben abgetragen und von einer abdichtenden Sedimentschicht neu überlagert wird), die tektonische Falle (an Schichten, die zerbrochen und gegeneinander verschoben sind) und die Falle an einem Salzstock (weil das Salz sehr dicht ist, kann es Erdöl und Erdgas am Weiterwandern hindern, so dass es sich ansammelt). Ergänzende Bemerkungen: Anhand der chemischen Zusammensetzung konnte bewiesen werden, dass der größte Teil des Erdgases aus deutschen Lagerstätten nicht zusammen mit Erdöl, sondern während der Inkohlung der Steinkohle entstanden ist. Dieses Erdgas enthält hauptsächlich kurzkettige Kohlenwasserstoffe und nicht – wie das Erdölgas – einen großen Anteil an langkettigen Kohlenwasserstoffen. Das Erdgas aus den deutschen Erdgaslagerstätten besteht ebenso wie das Grubengas in den Kohlebergwerken hauptsächlich aus Methan (CH4). Auch heute noch spielen sich an der Erdoberfläche und im Erdinneren Vorgänge ab, bei denen Erdöl und Erdgas entstehen – zum Beispiel in den tiefsten Bereichen des Schwarzen Meeres, wo es keine Wasserzirkulation und daher auch keinen Sauerstoff gibt. Aus den winzigen Lebewesen des Planktons, die nach ihrem Tod im Meerwasser dorthin absinken, können in ein paar Millionen Jahren die wichtigen Kohlenwasserstoffe entstehen. 3. Salze Salzgesteine sind aus sämtlichen geologischen Formationen der Erde bekannt. Die in Deutschland gewonnenen Salzgesteine wie das Steinsalz, das als Speisesalz verwendet wird und die Kalisalze für die Düngemittelherstellung sind hauptsächlich vor rund 250 Millionen Jahren in der Zeit des Zechstein durch Eindampfung (Evaporation) von Meerwasser entstanden. Salze scheiden sich in sehr flachen, vom offenen Meer nahezu abgeschlossenen Becken unter trockenen, heißen Klimabedingungen ab. Zur Erklärung des Vorgangs dient heute folgende Theorie: Flache Meerwasserbecken wurden durch so genannte Barren – langgezogene, untermeerische Schwellen – vom offenen Ozean abgeschnitten. Diese Barren schränkten den Wasserzustrom in die Becken ein und konnten ihn sogar unterbinden. Das Wasser in den flachen Meeresbecken hatte schätzungsweise eine Temperatur von 36 Grad Celsius und verdampfte rasch, wobei die darin enthaltenen Substanzen (z.B. Natriumchlorid oder Steinsalz NaCl, Magnesiumchlorid MgCl, Magnesiumsulfat MgSO4, Kalziumsulfat CaSO4, Kaliumchlorid KCl, Kalziumhydrogenkarbonat Ca(HCO)2) je nach ihrer Löslichkeit in einer bestimmten Reihenfolge ausfielen und sich auf dem Boden ablagerten: 1. Karbonate (Kalk und Dolomit), 2. Sulfate (Gips und Anhydrit), 3. Chloride (Steinsalz, Kalisalze), 4. Salzton (feinste Staubpartikel). Der Salzton schützte die Abfolge vor der Auslaugung durch das periodisch neu zuströmende Wasser. Dieser Abscheidungszyklus konnte sich mehrmals wiederholen, während sich der Boden allmählich absenkte und die Salzschichten mit Sedimenten überdeckt wurden. Durch die Auflast und die zunehmende Temperatur im Erdinnern verfestigten sich die Salzablagerungen zu Salzgestein. Salztektonik: Salz ist mit nur 2,2 Gramm pro Kubikzentimeter leichter als anderes Gestein mit durchschnittlich 2,6 Gramm pro Kubikzentimeter und reagiert auf Druck plastisch. Wenn die Salzlagen durch Sedimentschichten, die sich darüber absetzen, zunehmend unter Druck geraten, steigt das Salz auf. Es zwängt sich in Dehnungs- und Bruchzonen des Schichtpaketes, das über ihm liegt. Eine Tricksequenz zeigt, wie zuerst Salzkissen und schließlich im Lauf der Jahrmillionen Salzstöcke entstehen, die bis zu 1000 Meter hoch werden können. Arbeitsvideo © FWU Institut für Film und Bild 42 02154 Entstehung von Bodenschätzen Seite 4 Ergänzende Bemerkungen: Die Salzabscheidung lässt sich im Labor nachvollziehen, ebenso in Meersalzgewinnungsanlagen. Natürliche flache Meeresbecken mit Salzabscheidungen von der Dimension der Zechsteinbecken sind heutzutage auf der Erde nicht zu finden. 4. Erze Auch Erze sind zu allen Zeiten während der Erdgeschichte entstanden. Es gibt viele verschiedenen Typen von Erzlagerstätten. Sie werden nach ihren Bildungsbedingungen unterschieden. Erzlagerstätten, die sich aus Magmenkörpern im Erdinneren bilden, bezeichnet man als primär. Wenn sie verwittern und erodieren, das Erzmaterial durch Flüsse abtransportiert und anderswo wieder in großen Mengen abgelagert wird, entstehen sekundäre, sedimentäre Erzlagerstätten. Außerdem gibt es noch den metamorphen Typ. Er entsteht, wenn primäre und sedimentäre Lagerstätten innerhalb geologischer Zeiträume wieder in tiefere Erdkrustenbereiche gelangen und unter den dort herrschenden hohen Druck- und Temperaturbedingungen neue Umformungen stattfinden. Im Film wird stark vereinfacht die Entstehung von primären und sekundären Erzlagerstätten dargestellt. a) Primäre oder magmatische Erzlagerstätten Sie entstehen, wenn Magma in die Erdkruste aufsteigt, dort im Lauf von Jahrmillionen abkühlt und zu einem Tiefengesteinskörper, einem Pluton erstarrt. Erzlagerstätten bilden sich dabei hauptsächlich während der Endphase der Abkühlung aus der Restschmelze, die viel Gas enthält und daher sehr beweglich ist. In der Restschmelze sind die meisten Metallverbindungen konzentriert. Sie dringt vom Pluton aus hunderte, sogar tausende Meter weit in Risse und Spalten des Nebengesteins ein. Dort fallen dann mit abnehmender Temperatur jeweils typische Metallverbindungen aus und bilden Erzadern. Im Idealfall kommt es zu einer zonalen Anordnung bestimmter Mineralien um den Pluton herum. Im Temperaturbereich zwischen 770 und 550 Grad Celsius scheiden sich zum Beispiel Zinn- und Wolframverbindungen ab. Bei Temperaturen zwischen 550 und 400 Grad Celsius können Kupfer- und auch schon Eisenverbindungen ausfallen. Sinkt die Temperatur unter 375 Grad Celsius, kristallisieren neben Eisen- auch Gold-, Silber-, Bleiverbindungen aus. b) Sekundäre oder sedimentäre Lagerstätten Durch Hebungsvorgänge geraten die primären Erzlagerstätten an die Erdoberfläche. Dort werden sie von der Verwitterung angegriffen. Die Erze werden entweder mechanisch zerkleinert oder chemisch gelöst und dann z.B. von Flüssen wegtransportiert. An Gefällsknicken können mechanisch-sedimentäre Lagerstätten entstehen, wenn aufgrund der Verringerung der Fließgeschwindigkeit die schweren Erzpartikel nicht mehr mitgeschwemmt werden können und sich im Flussbett ablagern. Ein Beispiel dafür sind die Nuggets, die z.B. in den Goldseifen Alaskas aus dem Flusssand gewaschen wurden. Chemisch-sedimentäre Lagerstätten entstehen, wenn die Metallverbindungen, die im Flusswasser gelöst sind, ausfallen, sobald sie an der Mündung ins Meer mit Salzwasser in Berührung kommen. Ergänzende Bemerkung: In Deutschland werden heute keine Erze mehr gewonnen. Der Abbau ist unrentabel. Weitere Medien 32/42 10386 Aus der Erdgeschichte Deutschlands. 16-mm-Film/VHS 15 min, f 32/42 10362 Steinkohle – Entstehung und Gewinnung. 16-mm-Film/VHS 15 min, f 32/42 10361 Braunkohle. Ein heimischer Energieträger. 16-mm-Film/VHS 15 min, f 42 01590 Der Schatz der Lausitz. VHS 26 min, f 32/42 10360 Erdöl und Erdgas aus der Nordsee. 16-mm-Film/VHS 15 min, f 32/42 10135/42 01978 Erdgas aus Sibirien. 16-mm-Film/VHS 15 min, f Arbeitsvideo © FWU Institut für Film und Bild 42 02154 Entstehung von Bodenschätzen Seite 5 32 03909/4201751 Erz aus Kiruna. 16-mm-Film/VHS 15 min, f 32 10057/42 01890 Erzbergbau in Deutschland. 16-mm-Film/VHS 14 min, f Produktion FWU Institut für Film und Bild, 1997 Verwendet wurde Filmmaterial von: Gesamtverband des deutschen Steinkohlebergbaus IWF Institut für den wissenschaftlichen Film Landschaftsverband Westfalen-Lippe, Landesbildstelle Westfalen Buch Dr. Gabriele Thielmann Dr. Angelika Jung-Hüttl Animation GDT Schoschkola Eva Mause Begleitkarte Dr. Angelika Jung-Hüttl Fachberatung Dr. Angelika Jung-Hüttl Dr. Helmuth Bögel Pädagogische Referentin im FWU Dr. Gabriele Thielmann © 1997 FWU Institut für Film und Bild in Wissenschaft und Unterricht gemeinnützige GmbH Geiselgasteig Bavariafilmplatz 3 D-82031 Grünwald Telefon: (089) 6497 – 1 Telefax: (089) 6497 – 240 E-Mail: [email protected] Internet: http://www.fwu.de Arbeitsvideo © FWU Institut für Film und Bild
