Bodenkunde
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Lernkarten
Nennen Sie Teilprozesse der Diagenese!
Kompaktion
Rekristallisation instabiler Mineralphasen
Lösung weniger stabiler Mineralien
Wie ist Löß global verteilt? Wo finden wir in Westeuropa bzw. in Deutschland Löß?
West-/Mittel-Deutschland, Mitteleuropa, Osteuropa
China Mandschurei Argentinien
Was ist Löß und warum besitzt er so große Bedeutung für die landwirtschaftliche Produktion?
Äolisches Lockersediment
• hoher Anteil an der Erdoberfläche (ca. 10 %)
• wichtiges Ausgangsmaterial für Bodenbildung in China, GUS, Nordamerika, Westeuropa
• sehr fruchtbar
• Charakteristische Korngrößenverteilung
10 – 15 % Sand
65 – 80 % Schluff
10 – 25 % Ton
• Mineralbestand
Quarz ca. 60 %;
Silicate ca. 20 %;
Carbonate ca. 20 %
Welche Eigenschaften machen Böden aus Löß zu den fruchtbarsten Böden? Welche Eigenschaften wirken sich negativ aus?
fruchtbarsten Böden:
•tief durchwurzelbar
•Gefüge + Porosität günstig für Wasserleitfähigkeit und Wasserhaltevermögen (nFKWe)
•gute Nährstoffnachlieferung
•Säurepufferung
•gute Durchlüftung
•gute Erwärmbarkeit
•hohe biologische Aktivität
negative Wirkung:
•empfindliches Gefüge, neigt zu Verschlämmung und Erosion
•schneller Humusabbau
Skizzieren Sie die Korngrößenverteilung und den Mineralbestand von Löß!
Korngrößenverteilung: 10-15%Sand, 65-80%Schluff, 10-25% Ton
Mineralbestandteile: 60% Quarz, 20% Silicate, 20% Carbonate
Wie hat sich Löß in den letzten 10 000 Jahren durch Bodenbildung verändert (Farbe, Bodenart, Mineralbestand)?
Rohlöß
Farbe:Ocker/gelb , braun
Bodenart:78% Schluff, 12% Ton, 10% Sand
Minerale: 60% SiO2 , 20% CaCO3 , 20% Silicate
Lößlehm
Farbe: Braun
Bodenart:71-73% Schluff, 18-20% Ton, 9% Sand
Minerale: Klakfrei, Silicatverwitterung
Skizzieren Sie die Bodenentwicklung auf Löß in unserem Klimaraum (Bodentypen, Horizontfolgen, Bildungsprozesse)!
verwandlung
Was sind metamorphe Gesteine (allgemeine Charakterisierung, Unterscheidung nach Herkunft und Art der Entstehung)?
durch Druck und/oder Temperatureinwirkung veränderte Gesteine
Unterteilung:
•Orthogesteine = aus magmatischen Gesteinen
•Paragesteine = aus Sedimentgesteinen
Was ist der Unterschied zwischen Schichtung und Schieferung?
Schichtung: ein plattiger Gesteinskörper von erheblich flächenhafter Ausdehnung,
der durch Ablagerung entstanden ist.
Schieferung: Gesteinsstruktur, bei der einzelne Mineralien in einer bestimmten
Richtung angeordnet sind. Entstehung durch Metamorphose oder unter
den Einfluß der Tektonik, dabei stellen sich die Mineralien, bes. solche
mit guter Spaltbarkeit (z.B. Glimmer) mit ihrer größten Achse
senkrecht zum Druck.
Welchen Gesteinsgruppen werden folgende Gesteine zugeordnet (möglichst detaillierte Bezeichnung): Basalt, Geschiebemergel, Löß, Gneis, Dolomit, Granit, Sandstein?
Basalt: Magmatit Vulkanit = basisch & dunkel
Geschiebemergel: Grundmoräne, glaziales, ungeschichtetes Sediment Löß: Lockersediment
Gneis: Kristalliener Schiefer (Metamorphit) Dolomit: Kalkstein
Granit: Magmatite Plutonite = sauer & hell Sandstein: Sand (Sediment)
Was ist Verwitterung?
•Verwitterung umfasst die Veränderung von Gesteinen und Mineralen im Kontakt mit Atmosphäre, Hydrosphäre und Biosphäre; beteiligt sind physikalische, chemische und biologische Prozesse.
•Exogene Kräfte wirken zerteilend und zersetzend.
•Verwitterung umfasst
vorwiegend Abbau und Umwandlung
‚Gesteinsaufbereitung‘, d.h. Beweglichmachung für die Abtragung
=> geomorphologische Bedeutung
Benennen Sie die Teilprozesse der physikalischen Verwitterung! Bei welcher Form entstehen die höchsten Drücke?
•Druckentlastung
•Temperatursprengung
– Temperaturamplituden
– Wärmeleitfähigkeit (hell/dunkel) → Druckunterschiede bis 500 bar
•Frostsprengung (Kryoklastik)
–Ausdehnung von H2O um 1/9 bei Gefrieren
–Bis 2200 bar Druck
→ Schutt, Sand, Schluff, Grobton
• Salzsprengung
– Sprengkräfte, weil
a)(Volumina der gesättigten Lösung + ausgeschiedene Kristalle) > Volumen der übersättigten Lösung
b)Salzkristalle bilden Hydrate → Volumenzunahme und Drücke bis mehrere 100 bar
• Pflanzenwurzeln
–Dickenwachstum → Druck 10 - 15 bar
• Zerkleinerung durch exogene Kräfte
–Eis (Exaration)
–Wasser und Wind (Abrasion)
Wirkung: Mechanische Zerkleinerung → Zunahme der Porosität und der spezifischen
Oberfläche des Materials
Was ist die Ursache / der kausale Hintergrund von „Salzsprengung― und „Temparatursprengung―?
Temperatursprengung, infolge des Wechsel von Erwärmung und Abkühlung auftretende Volumenzu- & abnahme auf Sonnen- & der Schattenseite. Im inneren und an der Oberfläche erzeugt dies Spannungen Risse, Spalten und Zerfall.
Salzsprengung: Wenn salzhaltige Lösungen (z.B. durch Aufstieg aus Grundwasser) in Gesteinshohlräume eindringen und dort verdunsten. So bilden sich Salzkristalle, deren Kristallisationsdruck den Stein sprengt. Der stärkste Druck wird hierbei in Richtung des schnellsten Kristallwachstums ausgeübt.
Was haben Pflanzenwurzeln mit physikalischer und chemischer Verwitterung zu tun?
Physikalisch: durch Dickenwachstum wird ein Druck von rund 10-15bar ausgeübt (harmlos aber wirksam)
Chemisch: sie wirken bei chemischer Verwitterung mit: durch die Produktion von CO2, etc. sind sie in der Lage Gitterbausteine heraus zu lösen.
Ein Gramm Tonmaterial der Korngröße 2
–0,2 μm: wie viele Partikel und welche Oberfläche bedeutet das?
5x10^11 Partikel
200m²
Benennen Sie die Teilprozesse der chemischen Verwitterung!
Teilprozesse:
•Auflösung durch Hydratation
•Hydrolyse und Protolyse
•Oxidation
•Komplexierung
Was ist die Triebkraft der Hydratation? Für welche Minerale ist diese Form der Verwitterung besonders wichtig?
Übergang eines Minerals in eine Lösung ohne chemische reaktion im eigentlichen Sinne.Triebkraft: Ionen an der Mineraloberfläche umgeben sich mit
H2O-Molekülen, sie hydratisieren. Besonders wichtig für gut wasserlösliche Minerale (Chloride, Sulfate, Nitrate)
Was verstehen Sie unter Hydrolyse (bzw. Protolyse)? Beispielreaktion(en)?
Hydrolyse: chemische Reaktion der Minerale mit den H+- und OH-Ionen des dissoziierten
Wassers
•Betrifft vor allem Verbindungen, die aus schwacher Säure und / oder Base bestehen: z.B. Carbonate und Silicate
•Beispiel: Hydrolyse des Kalifeldspats:
1.KAlSi3O8 + H+OH- ⇄ K+ + OH- + HAlSi3O8
2.2 HAlSi3O8 + 9 H2O ⇄ Al2Si2O5(OH)(4) + 4 H(4)SiO4 (Kaolinit)
3.HAlSi3O8 + 7 H2O ⇄ Al(OH)(3) + 3 H(4)SiO4
▶ ▶ ▶ gemäß (3) vollständige Zersetzung der Minerale zu basenfreien Endprodukten
möglich
Protolyse: Umbildung und Auflösung durch Säureangriff: H+-Ionen
• Sprengung der Sauerstoffbrücken zwischen Metallkationen (Fe, Al, Ca, Mg, K, Na ...) und
Silicaten (bzw. Carbonaten, Phosphaten ...)
• Beispiel: protolytische Carbonatauflösung:
1.Kohlensäurebildung CO2g + H2O ⇄ H2CO3 ⇄ H+ + HCO3-
2.Kalksteinauflösung: CaCO3 + H+ ⇄ Ca2+ + HCO3-
•CaCO3-Löslichkeit steigt mit CO2-Partialdruck an: 52 mg CaCO3 l-1 bei 0,03 Vol.% CO2 (25 °C)
117 mg CaCO3 l-1 bei 0,33 Vol.% CO2 (25 °C) 264 mg CaCO3 l-1 bei 3,33 Vol.% CO2 (25 °C)
•CaCO3-Löslichkeit steigt mit abnehmender Temperatur an!
Beschreiben Sie mit zwei Reaktionsgleichungen die protolytische Carbonatauflösung!
1. Kohlensäurebildung:Co2 + H2O<--->H2CO3<---->H++ HCO3-
2.Kalksteinauflösung: CaCO3 +H+<---> Ca2+ + HCO3-
Wie beeinflussen Temperatur,
CO2-Partialdruck und pH die Ausfällung von Calciumcarbonat?
Temperatur: CaCO3-Lösichkeit steigt mit abnehmender Temperatur an!
Abnahme des CO2-Partialdruckes und anstieg des pH – Wert und der °C wirken begünstigend!
Inwiefern beeinflusst die Oxidation von Fe(II), Mn(II) und S(II) die Verwitterung von Gesteinen?
Oxidation von Fe2+ oder Mn2+ in primären Silicaten führt zur Destabilisierung der Struktur_ Fe3+ oder Mn3+ werden freigesetzt oder fallen als Hydroxide aus
(=„Verbraunung―)
Beschreiben Sie die Komplexierung als Teilprozess der Verwitterung!
Pilze, Bakterien und Pflanzenwurzeln produzieren niedermolekulare organische Säuren
(z.B. Oxal-, Wein-, Milch und Citronensäure)
•→ An- oder Auflösung von Mineralien durch Komplexierung von Al, Fe und Mn mit organischen Säuren
•Die Ausscheidung von organischen Säuren ist eine wichtige Strategie vieler Mikroorganismen und Pflanzen zur Mobilisierung von Mikronährstoffen (z.B. Fe, Zn)
Was versteht man unter „biologischer― Verwitterung?
•Gleiche Mechanismen wie bei chemischer Verwitterung
•Pflanzen und Pilze scheiden H+-Ionen, organische Säuren und Komplexbildner aus
•enger Kontakt von Algen und Pilzen mit Kristalloberflächen
•wichtig für Mobilisierung von Phosphaten aus Apatit
Verwitterungsprozess, der durch die Ausscheidung organischer Säuren durch Pflanzen, Pilze, Bakterien etc. induziert wird.
Sie umfasst alle, durch die Lebenstätigkeit von Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen in und auf Gesteinen, sowie in Böden ablaufender physikalischer und chemischen Verwitterungsvorgänge.
a)physikalisch-biologisch durch Wurzeldruck
b)chemisch-biologisch durch Flechtensäuren, die die Gesteinsoberfläche angreifen
Nennen Sie Minerale mit niedriger, mittlerer und hoher Verwitterungsstabilität! Wie hoch ist die mittlere Lebenszeit eines 1 mm großen Quarzkornes und eines entsprechenden
Ca-Feldspates?
hoch: Fe-Oxid (Hämatit)
mittel: Na-Feldspat (Albit)
niedrig: Steinsalz (Halit)
Quarz: 34*10hoch6
Ca- Feldspat: (Anorhtit) 112
. Bei der Gesteinsverwitterung entstehen welche
(Haupt-)Gruppen von neuen sekundären Mineralen?
Tonminerale
• Oxide und Hydroxide von Si, Al, Fe, Mn
Warum ist der Prozess der
Mineralum-und neubildungmit einer Verlehmungder Böden verbunden?
Bv-Horizont (v = verwittert, verlehmt, verbraunt)
Pedogenetischer Prozess, der mit der Bildung von Ton einhergeht. Dieser tritt meist in Zusammenhang mit der Verbraunung von Bodenhorizonten auf. Im Laufe der Verwitterung, besonders nach Auswaschung eventuell vorhandener Carbonate (Entkalkung), werden die Silikate durch Oxidationsverwitterung und Hydrolyse und Hydratation angegriffen und zerstört (Silikatverwitterung).
Dabei können Tonminerale wie Illite und Smectite entstehen (Umwandlung von Glimmern, Neusynthese aus amorphen Abbauprodukten). Dies geht einher mit einem Bodenartenwandel: die Körnung wird feiner. Obwohl streng genommen die Tonfraktion zunimmt, hat sich der Begriff Verlehmung eingebürgert.
Was sind „Tonminerale―?
•„Ton ist die beim Trocknen schrumpfende, dichter werdende Erde― (mittelhochdts., althochdts.)
•„Sekundäre Silicate ... mit meist blättchenförmigem Habitus ... zählen wie die Glimmer zu den Phyllosilicaten―
(Scheffer / Schachtschabel, 1998)
Für welche physikalischen und chemischen Eigenschaften von Böden sind Tonminerale von besonderer Bedeutung?
• Physikalische Eigenschaften von Böden
– Plastizität, Quellfähigkeit, Aggregierung, Porung
• Bodenwasser
– Wasserbindung, Wasserbewegung
• Chemische Eigenschaften von Böden
– Ladungseigenschaften und Ionenaustausch, Verfügbarkeit von Pflanzennährstoffen, Protonenpufferung
Tonminerale bedingen deshalb – zusammen mit dem Humus – die Fähigkeit der Böden zur Wasserbindung, zur Gefügebildung und zur Nährstoffsorption
Die Tonmineralentstehung durch den Abbau von Glimmern ist durch welche Teilprozesse gekennzeichnet?
Teilchenverkleinerung - Abnahme der K+-Gehalte
Zunahme des H2O-Gehaltes - Zunahme d. spezifischen Oberfläche
Zunahme der Kationenaustauschkapazität
Was bedeutet „isomorpher Ersatz―?
• Mehrere Si- Tetraeder können durch gemeinsame O-Atome verbunden sein. Je nach dem Grad der Vernetzung unterscheidet man die Silicate. Man spricht von einem isomorphen Ersatz, wenn ein Teil des Si4+ in den Tetraedern durch
Al3+ ersetzt wird. Dadurch entsteht überschüssige negative Ladung, die durch den Einbau von Kationen (z.B. K+, Mg2+, Ca2+, Fe2+) ausgeglichen wird.
. Was bedeutet „Kaliumfixierung―?
Im kaliverarmten Boden ist ein Teil des gedüngten Kaliums für die Pflanzen nicht verfügbar weil es in den Zwischenräumen der Tonmineralien fixiert wird.
. Welche Strukturunterschiede bestehen zwischen Illit und Smectit?
Illit
eng mit Glimmern verwandt
dioktaedrisch: aus Muskovit ‣ KAl2(AlSi3)O10(OH)(2) trioktaedrisch: aus Biotit ‣ K(Mg, Fe)(3)(AlSi3)O10(OH)2 neg. Schichtladung 0,6-0,9 pro Formeleinheit
isomorpher Ersatz vorwiegend in Tetraedern -> relativ feste Bindung des Kaliums in den
Zwischenschichten
Bindung austauschbarer Ionen nur in Randzonen der Zwischenschichten sowie an
Außen-, Spalt- und Bruchflächen
mittleres Wasser- und Nährstoffhaltevermögen (K-Quelle!) weit verbreitet in mitteleuropäischen Böden
Smectit
aufgeweitetes Dreischichtmineral
neg. Schichtladung 0,2 - 0,6 pro Formeleinheit ->starke Wassereinlagerung und Quellung (Gefügezerfall, Rutschungen)
< 1 % Kalium in Zwischenschichten Formen:
•Montmorillonit: Mg-reich, vorw. oktaedrische Ladung
•Beidellit: Al-reich, vorwiegend tetraedrische Ladung
•Nontronit: Fe(III)-reich, vorwiegend tetraedrische Ladung
in Lagerstätten: meist Montmorillonit in Böden: oft Fe-reiche, beidellitische Smectite
Smectite sind Hauptmineral der wirtschaftlich bedeutenden Bentonite (Adsorber, Kleber bei Gießereisanden ...)
für Böden wichtig: hohes Wasser- und Nährstoffhaltevermögen, hohe KAK
Wie sind beim Kaolinit die
Si-Tetraeder und Al-Oktaeder miteinander verknüpft?
keine Kationen dazwischen Sie sind über
O-OH Brücken verbunden (OH-O-Bindung)
Warum hat Kaolinit ein geringes
Wasser-und Nährstoffhaltevermögen?
Es hat kein Sorption in den Zwischenschichten, wenig isomorpher Ersatz, daher geringe KAK, geringes Wasser- & Nährstoffhaltevermögen (da kein neg.
Warum ist Kalium in den Zwischenschichten des Illitsrelativ fest gebunden?
=isomorpher Ersatz vorwiegend in Tetraedern
lt.VL.: K+-Ionen passen sehr gut in den Zwischenraum. Ca, Mg oder andere Elemente sind zu groß und passen nicht da zwischen!
Skizzieren Sie dem Mineralaufbau von Kaolinit,
kaolinit:
!!!Zweischichtmineral
• Kaolinit Al2Si2O5(OH)4 (dioktaedrisch)
!!!- Si-O-Tetraeder mit Al-O,OH-Oktaeder über O-Brücken verbunden
Schichtabstand klein (0,7 nm), nicht variabel, Zusammenhalt durch OH-OBindungen keine Sorption in Zwischenschichten, wenig isomorpher Ersatz geringe KAK, geringes Wasser-
und Nährstoffhaltevermögen
illit:
!!!Dreischichtminerale (= 2:1-Minerale)
!!!Grundstruktur wie Glimmer: Tetraeder-Oktaeder-Tetraeder Differenzierung nach
•Art und Umfang des isomorphen Ersatzes
•Art der Zwischenschichtbesetzung
1:1-Schichtpaket, Die Kristallstruktur von Kaolinit besteht aus einer Silizium Tetraederschicht, die mit einer Aluminium Oktaederschicht über O-Brücken verbunden.keine Sorption in Zwischenschichten, wenig isomorpher Ersatz geringe KAK, geringes Wasser- und Nährstoffhaltevermögen
Skizzieren Sie dem Mineralaufbau Illit
illit:
!!!Dreischichtminerale (= 2:1-Minerale)
!!!Grundstruktur wie Glimmer: Tetraeder-Oktaeder-Tetraeder Differenzierung nach
•Art und Umfang des isomorphen Ersatzes
•Art der Zwischenschichtbesetzung
Illit:
eng mit Glimmern verwandt dioktaedrisch: aus Muskovit -trioktaedrisch: aus Biotit
-neg. Schichtladung 0,6-0,9 pro Formeleinheit
!!!--isomorpher Ersatz vorwiegend in Tetraedern relativ feste Bindung des Kaliums in den Zwischenschichten
Formen:
•Montmorillonit: Mg-reich, vorw. oktaedrische Ladung
•Beidellit: Al-reich, vorwiegend tetraedrische Ladung
•Nontronit: Fe(III)-reich, vorwiegend tetraedrische Ladung
in Lagerstätten: meist Montmorillonit
in Böden: oft Fe-reiche, beidellitische Smectite
Smectite sind Hauptmineral der wirtschaftlich bedeutenden Bentonite (Adsorber,
Kleber bei Gießereisanden ...)
für Böden wichtig: hohes Wasser- und Nährstoffhaltevermögen, hohe KAK
illit: 2:1-Minerale.Es sind dreischichtige Schichtsilikate, bestehend aus einer Aluminium (Al)- Oktaeder-Schicht und zwei umgebende Silikat (Si)-Tetraederschichten. Sie sind den Glimmern strukturell sehr ähnlich und entstehen auch aus diesen, sowie anderen Silikaten.isomorpher Ersatz vorwiegend in Tetraedern relativ feste Bindung des Kaliums in den
Zwischenschichten
Bindung austauschbarer Ionen nur in Randzonen der Zwischenschichten sowie an
Außen-, Spalt- und Bruchflächen
mittleres Wasser- und Nährstoffhaltevermögen .es befindet sich ein Ladungsdefizit in den Zwischenschichten, das durch die geringen Kaliummengen, die dort eingebaut sind, bedingt wird
Bindung austauschbarer Ionen nur in Randzonen der Zwischenschichten sowie an
Außen-, Spalt- und Bruchflächen
mittleres Wasser- und Nährstoffhaltevermögen (K-Quelle!) weit verbreitet in mitteleuropäischen
Skizzieren Sie dem Mineralaufbau Smectit
smectit:Die
Dreischicht-Struktur besteht aus zwei Tetraeder-Schichten, die über die Kationen einer Oktaeder-Zwischenschicht elektrostatisch vernetzt sind. Die Schichten sind nicht starr miteinander verbunden, sondern können durch reversible Einlagerung von Wasser und anderen Substanzen aufquellen
Smectit
aufgeweitetes Dreischichtmineral
neg. Schichtladung 0,2 - 0,6 pro Formeleinheit starke Wassereinlagerung und Quellung (Gefügezerfall, Rutschungen)
< 1 % Kalium in Zwischenschichten
Kennzeichnen Sie das
Wasser-und Nährstoffhaltevermögen von Smectit! Begründung!
Hat eine hohe
K+-Austauschkapazität&gute Wasser-&Nährstoffspeicherfkt
Nennen Sie Beispiele für Tonminerale mit niedriger, mittlerer und hoher Kationenaustauschkapazität!
Chlorit ⇒ Niedrig
Illit ⇒ Mittel
Smectit, Vermiculit ⇒ Hoch
