Bodenkunde

Skriptzur Vorlesung Bodenkunde

vonProf. Dr. D. Burger

Universitat KarlsruheIfGG

Stand: 2005

Das vorliegende Skript behandelt speziell die Themen, die in der obengenannten Vorlesung von Prof. Burger behandelt werden. Es handelt sichkeinesfalls um ein allgemein umfassendes Werk der Bodenkunde. ZurVertiefung und zum weiterfuhrenden Studium sei auf die Literaturliste imAnhang verwiesen. Ansonsten viel Erfolg beim Studium.

Der Verfasser (Stand: 2005)

Einleitung

Inhaltsverzeichnis

1 Einleitung

1.1 Definitionen

Boden:

• ist die hauchdunne Decke der Erdkruste auf der Menschen, Tiere undPflanzen leben

• ist ein Umwandlungsprodukt der Lithosphare und organischer Stoffe

• steht unter dem Einfluss von Atmosphare, Relief, Organismen, Zeit undMenschen

• bildet die Pedosphare als Nahtstelle zwischen Atmosphare und Lithosphare

• gibt als Naturkorper Zeugnis von abgelaufenen Prozessen

• erfullt verschiedene Funktionen im Soffkreislauf der Okosystem

1.2 Bodengenese

Der Boden ist eine Funktion von

• Ausgangsgestein (G)

• Klima (K)

• Relief (R)

• Organismen (O)

• Zeit (Z)

• Mensch (M)

B = f(G, K, R,O, Z, M)

1.3 Bodenfunktionen

Der Boden erfullt verschiedene Funktionen im Stoffkreislauf der Okosysteme(s. auch Kapitel 3: Physikalische Prozesse)

Abbildung 1: Position des Bodens im Stoffkreislauf der Okosysteme

1.4 Der Gesteinskreislauf

Durch Ablagerung, Transport, Abtrag und Verwitterung von Bestandteilenanderer Gesteine entstehen Sedimentgesteine. Metamorphite entstehen durchUmwandlung von Primargesteinen, z.B. durch Aufschmelzen infolge von Ab-senkung.

Abbildung 2: Kreislauf der Lithosphare, Scheffer/Schachtschnabel Abb.2.1-1

1.5 Die Gesteinsarten

Magmatische Gesteine: Aufsteigende Gesteinsschmelze (Magma) kuhltab, Kristallisation der einzelnen Minerale setzt in Abhangigkeit der Tempera-tur ein. Die Abkuhlungsgeschwindigkeit bestimmt dabei die Art der Gefuge-bildung.

• Plutonite; grobkorniges, phaneritisches Gefuge entsteht durch langsa-mes Auskuhlen von in die Kruste indrudiertem Magma (z.B. Granit,Diorit, Gabbro)

• Vulkanite; feinkorniges bis glasiges Gefuge entsteht durch schnelles oderschockartiges Auskuhlen von oberflachlich ausgetretenem Magma (Er-gußgestein) bzw. eruptiv herausgeschleudertem Magma (Eruptivgestein)(z.B. Rhyolit, Basalt, Obsidian)

Sedimentgesteine: Bildung aus Verwitterungsprodukten alterer Gesteineund/oder durch biogen-chemische Ablagerung

• Terrigene (klastische) Sedimente; Akkumulation und Verfestigung vonGesteinsbruchstucken und bei Verwitterung neu gebildeter Minerale. Jenach Korngroße werden Psephite, Psammite und Pelite unterschieden.(Konglomerate, Brekkzien, Sandsteine, Silt-/ Tonsteine)

• Chemisch-biogene Sedimente; Ansammlung organogener Bestandteile,wie Muschelschalen, und/oder chemische Ausfallungen, wie Salze auswassriger Losung (z.B. Kalkstein, Evaporite)

Metamorphe Gesteine: Umwandlung von magmatischen (Orthogesteine)oder metamorphen Ausgangsgesteinen (Paragesteine) durch sich anderndephysikalisch-chemische Zustandsbedingungen. Daraus folgen Anderungen imGefuge und/oder Mineralbestand (z.B. Gneis, Schiefer).

1.6 Minerale

Minerale sind naturliche anorganische kristalline Festkorper, deren chemi-sche Bausteine in regelmaßigen Gittern angeordnet sind. Kleinste diagnosti-sche Einheit bildet die Elementarzelle. Die Hauptkomponenten der haufigstenMinerale sind: Al3+, Fe2+, Fe3+, Ca2+, Mg2+, Na+, K+, H+. Sauerstoff nimmt47 Massenprozent und 88 Volumenprozent der Erdkruste ein. Die haufigsteVerbindung bildet Si-O in Silikaten. Aufgrund der Haufigkeit von Siliciumund Sauerstoff in der Erdkruste bildet die Gruppe der Silikate die wichtigstenPrimarminerale an der Erdoberflache. Die chemische Grundeinheit bildet der

Abbildung 3: Der Siliziumtetraeder, Bahlburg/Breitkreuz 1998, S.22

SiO4-Tertaeder, die Verknupfung erfolgt uber Sauerstoff-Atome. In Gesteinenhaben Minerale unterschiedliche Auspragungen. Idiomorphe Minerale habeneine ideale Kristallform entsprechend des inneren atomaren Aufbaus (z.B.Pyrit, FeS2). Xenomorphe Minerale sind unregelmaßig ausgebildet durch Be-hinderung wahrend des Wachstums.

Abbildung 4: Auspragung von Mineralien in Gesteinen A: Magmatite (gutausgebildete Mineralien) B: Sedimentgesteine (gerundete Mineralien) C: Me-tamorphite (unter Druck eingeregelte Mineralien) Mitchell 1978 (Bd.2),S.18

2 Verwitterung

Verwitterung bedeutet die Veranderung der Gesteine und Minerale durchKontakt mit Atmosphare, Hydrosphare und/oder Biosphare. Sie ist ein Teil-prozess der Bodenbildung (Pedogenese)und lasst sich in chemische, physika-lische und biologische Prozesse unterteilen. Die Gesteinszerkleinerung durchendogene und exogene Krafte ist keine Verwitterung!

2.1 Physikalische Verwitterung

Die physikalische Verwitterung dominiert in Gebieten mit wenig Wasser, we-nig Vegetation und/oder ausgepragten Temperaturschwankungen. Dies sind

z.B. Regionen mit Permafrost, Tundra, Wusten und Hochgebirgen. Tiefen-gesteine (grobkornig, z.B. Granit) sind anfalliger fur physikalische Verwitte-rung als Ergussgesteine. Die physikalische Verwitterung kann Gestein bis zurKorngroße Schluff zerkleinern.

2.1.1 Frostsprengung

Gesteinszertrummerung erfolgt durch die Volumenzunahme von Kluftwasserbeim Ubergang von Wasser zu Eis. Dies kann bei Temperaturen bis -22 ◦Cerfolgen. Es werden Drucke bis 220 MPa erreicht. Die Vorraussetzung furFrostsprengung ist kluftiges Gestein. Intensivste Frostsprengung findet intropischen Hochgebirgen statt. Große Temperaturschwankungen fuhren hierzu taglichem Auftauen und Gefrieren (vgl. Permafrostgebiete).

2.1.2 Temperatursprengung

Gesteinszertrummerung erfolgt durch den Einfluss starker Temperaturschwan-kungen in hohen Temperaturbereichen, v.a. in Warmewusten. Faktoren, wel-che bei der Temperatursprengung eine Rolle spielen sind

- Haufigkeit und Amplitude der Temperaturanderung

- Mineralgroße und Mineralfarbe

- Kristallsymmetrie

- Gesteinsgroße

- Rauhigkeit der Oberflache

- Exposition

Die Ausdehnung von 20◦C auf 50◦C ist je nach Gestein unterschiedlich:

- Granit > 0,6 mm- Sandstein > 0,6 mm- Basalt > 0,25 mm- Kalkstein > 0,2 mm

Die Warmeleitung betragt ca. 3 cm / h.Man unterscheidet zwei Mechanismen der Temperatursprengung:

• Insolation: Verschiedene Ausdehnungskoeffizienten der einzelnen Mi-nerale fuhren zur Gefugetrennung. Das feinkornige Material, das er-zeugt wird, nennt man Grus. Da große Mineralkorner mit unterschiedli-chen Farben (z.B. Quarz und Biotit im Granit) die Grusbildung beguns-tigen, findet Insolation vorwiegend in Tiefengesteinen statt.

• Desquamation: Ausdehnung von Gesteinen durch Erwarmung bzw.Schrumpfung durch Abkuhlung fuhrt zum schalenartigen abplatzeneinzelner Schichten. Desquamation findet in Boden bis 50 cm Tiefestatt und erzeugt Druckunterschiede bis zu 50 MPa, infolgedessen er-hebliche Druck- und Zugspannungen entstehen.

2.1.3 Salzsprengung

Vor allem in ariden Gebieten mit hohen Verdunstungsraten (Randwusten),fallen Salze (Kristallwachstum) aus salzhaltigen Kluftwassern aus. Sie erzeu-gen kantigen Grobschutt und fuhren zur Absprengung von Schalen, Kornernund zur Zerteilung von Schichtsilikaten. Die Faktoren, die bei der Salzspren-gung eine Rolle spielen sind:

- Der Wechsel von Austrocknung und Befeuchtung (Tau, Regen)

- Kornung und Kluftung des Gesteins

Folgende Einzelprozesse finden statt:

- Thermische Expansion

- HydratationCaSO4(Anhydrit) + 2H2O −→ CaSO4(Gips) ∗ 2H2O

- Volumenzunahme von bis zu 60%

- Druckzunahme bis 110 MPa

- Kristallwachstum KAl(SO4)2 ∗ 12H2O (Alaun)

2.1.4 Wurzelsprengung

Die Gesteinssprengung erfolgt durch Pflanzenwurzelwachstum. Dabei entste-hen Drucke von 1-1,5 MPa. Da die Sprengung durch Pflanzen erfolgt, wirdsie manchmal auch als biogene Verwitterung bezeichnet.

2.2 Chemische Verwitterung

Das wichtigste Medium jeglicher chemischer Verwitterung ist das Wasser.Die Ursache dafur liegt in der Eigendissoziation der Wassermolekule.

Durch Neubildung von”Sekundarstrukturen“ wird die Korngroße

”Ton“ er-

zeugt. Die chemische Verwitterung silikatischer Minerale und die Bereitstel-lung der Verwitterungsprodukte ist die Vorraussetzung fur die Genese vonTonmineralen. Im Vergleich mit anderen Mineralen scheinen die Silikate zu

den bestandigsten und stabilsten Strukturen zu gehoren. Dies hangt mit derhohen Stabilitat der Si-O-Si-Bindungen und der schlechten Mobilisierbarkeitdes Siliziums zusammen.

Es ergibt sich folgende Stabilitatsreihe:Chloride > Sulfate > Carbonate > Silikate

Da die Minerale unterschiedliche Stabilitaten gegenuber der chemischen Ver-witterung aufweisen, kommt es zum sequentiellen Ablauf der Bodenbildung:

1. Salzauswaschung2. Entkalkung3. Silicatverwitterung (Verbraunung)

Chemische Reaktionen werden gesteuert durch:

• Mineraloberflachen- spezfische Oberflache- physikalische Verwitterung

• Temperatur- Je hoher die Temperatur, desto mehr chemische Verwitterung;

Ausnahme: Carbonate!- Bildung von Ionen

• Verhinderung des Reaktionsgleichgewichts durch die Entfernung derIonen aus der Bodenlosung durch

- Auswaschung durch Massenfluss, Diffusion- Entzug durch Pflanzen- Mineralneubildung (= Fallung) von Oxiden, Silicaten, Carbonaten

und Sulfaten

Die Einzelprozesse sind Hydratisierung, Hydrolyse und Protolyse und Oxi-dation.

2.2.1 Hydratisierung (Losungsverwitterung)

Aufgrund ihres Dipolcharakters lagern sich H2O-Molekule an Ionen an. Dabeiwird Hydratisierungsenergie frei. Die H2O-Molekule dringen in das Kristall-gitter ein, bilden Ionen mit Hydrathullen und losen Ionen aus dem Kristall-gitter. Besonders in den Tropen liegt starke Losungsverwitterung vor.Die wichtigsten Vorgange sind die Karbonatauflosung durch Kohlensaure unddie Pufferung.

• Karbonatauflosung durch KohlensaureSchon Niederschlagwasser enthalt CO2. Im Boden erhoht das Bodenle-ben, (Edaphon, Wurzelatmung), den CO2-Gehalt in der Bodenlosung,sodass besonders auch unter Bodenbedeckung die Auflosung von Kalk-stein (Verkarstung) voranschreitet.

CO2(g) + H2O −→ H2CO3 −→ H+ + HCO−3

CaCO3+H++HCO−3 −→ Ca2++2HCO−

3 −→ Ca(HCO3)2

Die CaCO3-Loslichkeit steigt mit dem CO2-Partialdruck an. Dieser istim Ah hoch und nimmt zur Tiefe hin ab. Ausserdem steigt die CaCO3-Loslichkeit bei gleichem CO2-Partialdruck mit abnehmender Tempe-ratur. Die Karbonatfallung erfolgt danach also bei Temperaturanstiegoder bei Abnahme des pCO2. Es bilden sich ein Anreicherungshorizont,CaCO3-Krusten oder -Konkretionen, oder als sogenannte Loßkindeln.

• Neutralisation von Sauren durch CaCO3 (Pufferung)

– Saurebildung (z.B.):N - Eiweiß −→ NH4 −→ HNO3 −→ H+NO−

3

– Neutralisation von H+NO3:CaCO3 + 2H+NO3 −→ Ca2+ + 2NO−

3 + H2CO3

– Neutralisation von H2CO3:H2CO3 −→ H2O + CO2 (Temperatur, pCO2) oderH2CO3 −→ Ca(HCO3)2

• Wirkung von Sauren auf Silikate:

CaAl2Si2O8 + H2CO3 −→ CaCO3 + H2Al2Si2O8

(Anorthit)

CaCO3 + H2CO3 −→ Ca(HCO3)2

H2Al2Si2O8 + 6H2O −→ 2Al(OH)3 + 2H4SiO4

(Gibbsit) (Kieselsaure)

2.2.2 Hydrolyse und Protolyse

• HydrolyseHydrolyse bezeichnet die Auflosung durch Reaktion der Minerale bzw.deren Ionen mit dissoziierten H2O-Molekulen (bei der Hydratisierung

lagern sich die H2O-Molekule nur an). Bei der Silikatverwitterung la-gern sich die OH−- und die H+-Ionen an die O-Brucken zwischen denMetallen und Si an. Diese werden dadurch aufgebrochen. Beispiele furHydrolysereaktionen:Feldspat:−Si−O−Al− + H+OH− −→ −Si−O−H + H−O−Al + K+

Orthoklas:1. KAlSi3O8 + H+OH− −→ HAlSi3O8 + K+ + OH−

(fest) (Losung)⇒ pH-Anstieg2. 2HAlSi3O8 + 9H2O −→ Al2Si2O5(OH)4 + 4H4SiO4

(Kaolinit) (Kieselsaure)⇒ Desilifizierung3. Al2Si2O5 + 5H2O −→ 2Al(OH)3 + 2H4SiO4

(Gibbsit) (Kieselsaure)

• ProtolyseProtolyse ist die Umbildung oder Auflosung der Minerale durch Saure-angriff, also H+- Ionen. Die Herkunft der H+- Ionen ist vielseitig.

- Atmung von Wurzeln, Mikroorganismen

- Eintrag aus der Atmosphare durch CO2

CO2(g) + H2O −→ H2CO3 −→ H+ + HCO−3

- Immissionen−→ SO2 −→ H2SO3 −→ H2SO4 −→ 2H+ + SO2−

4

- Oxidationsprozesse, z.B durch S im Eiweiß oder Dunger−→ H2SO4 −→ 2H+ + SO2−

4 NH4−Dunger −→ HNO3 −→H+ + NO−

3

- WurzelausscheidungenCa2+ - Aufnahme −→ 2H+- AbgabeNH+

4 - Aufnahme −→ H+- Abgabe

- HumifizierungBildung org. Sauren −→ −COO− + H+

2.2.3 Oxidation

In Anwesenheit von O2 erfolgt die chemische und mikrobielle Oxidation vonFe2+, Mn2+ und/oder S unter Bildung von

- Fe3+−, Mn3+−, Mn4+-Oxiden und -Hydroxiden, bzw.

- SO4-haltigen Verbindungen

Beispiele:

- Oxidation eines Augits:4CaFeSi2O6 + O2 + 4H2CO3 + 6H2O −→ 4CaCO3 + 4FeOOH +8H2SiO3

- Oxidation des Pyrit:4FeS2 + 15O2 + 10H2O −→ 4FeOOH + 8H2SO4

2.3 Steuernde Großen zur Verwitterungsresistenz vonGesteinen

- Kluftdichte

- Spaltbarkeit, Schichtung und Schieferung: je vollkommener, desto leich-ter verwitterbar

- Wasserloslichkeit: je hoher, desto leichter verwitterbar

- Chloride > Sulfate > Carbonate > primare Silikate > Sulfide, Oxide

- Isomorpher Ersatz: je mehr Si durch Al ersetzt ist, desto instabiler istdas

- Mineral/Gestein, da Al großer ist als Si und daher schlechter in dieTetraederlucken passt.

- Gehalt oxidierbarer Metallionen (Fe2+, Mn2+): je hoher, desto instabi-ler. FeS2 ist z.B. sehr instabil, obwohl sehr schwer loslich.

- Kristallstrukturell: xenomorph ist instabiler als idiomorph (Basalte sindzwar flachgrundig verwittert, dafur aber intensiv chemisch verandert.Granite sind tiefgrundig verwittert, dafur sind die Primarminerale aberweitgehend erhalten).

Der Verwitterungsgrad ist anhand von Leitmineralen erfassbar (Stabilitats-reihe):

- schwach: Gips, Calcit, Olivin

- maßig: Biotit, Illit, Smectit

- stark: Chlorit, Kaolinit

- sehr stark: Gibbsit, Hamatit, Goethit, Anatas (TiO2)

Der Zusammenhang von Verwitterung und Klima wird in folgendem Schau-bild dargestellt:

Abbildung 5: Zusammenhang zwischen Verwitterung und Klima