BODENBESTANDTEILE
2. Mineralische Bestandteile der Böden
Das Programm
1. Einführung BODENBESTANDTEILE
2. Mineralische Bodenbestandteile 3. Organische Bodenbestandteile BODENBILDUNG
4. Faktoren und Prozesse der Bodenbildung 5. Bodenbildung auf verschiedenen Gesteinen 6. Klassifikation und Kartierung von Böden BODENFRUCHTBARKEIT
7. Wasser, Luft und Wärme 8. Bodenreaktion und Nährstoffe 9. Erhaltung und Gefährdung der
Bodenfruchtbarkeit BÖDEN UND KLIMAWANDEL 10. Böden und Klimawandel S 9
¾ Welche Bedeutung haben die Bodenmineralien?
¾ Überblick über die wichtigsten Gesteine
¾ Einführung in die wichtigsten Mineralien in Böden
Kapitel 2: Inhalt
S 9
Warum sind die Bodenmineralien wichtig?
• PorenraumÆ Wasser, Luft, Organismen
• Mechanischen Halt für Pflanzenwurzeln
• Quellung und Schrumpfung des Bodens
• Quelle von Pflanzennährstoffen (Ca, Mg, K, Fe, u.a.)
• Kationenaustausch, Sorption, u.a.
• Indikator für Verwitterungsprozesse ÆPaleoklima?
S 9
Mineralien in Böden
Wie sind diese Mineralien aufgebaut?
Was besitzen sie für Eigenschaften?
S 14
Primäre Mineralien
• entstanden unter hohem Druck- und/oder hoher Temperatur
• Bestandteile der magmatischen und metamorphen
Einteilung der Mineralien nach Entstehung
S 14
Mineralien in Korngrössenfraktionen
2 µm 50 µm
S 15
3.49 1.9
K
1.55 2.1
Na
3.42 5.0
Ca
0.60 2.3
Mg
1.08 3.3
Fe(II)
0.32 1.8
Fe(III)
0.55 8.1
Al
0.32 26.9
Si
88.2 47.0
O
Vol%
Gew%
Elemente
Elementare Zusammensetzung der Erdkruste
S 15
Al Ca, Fe, Mg, Na,
K Neben- Elemente
2 Ca, Mg, C, O
Carbonate
1.5 Fe, O, H
Fe-Oxide
91.6 Si, Al, O, H
Silikate
Vol%
Haupt- Elemente Mineralgruppe
Wichtige Mineralgruppen in der Erdkruste
S 15
Primäre Silikate
• SiO44-Tetraeder sind Grundbaustein.
• Einteilung der Silikate je nach Vernetzung der Si-Tetraeder in verschiedene Gruppen:
Olivine SiO44-
S 16
Insel-, Ketten- und Bandsilikate
Olivine(Inselsilikate):
z.B. Forsterit (Mg2SiO4) Pyroxene(Kettensilikate):
z.B. Diopsit (CaMgSi2O6) Amphibole(Bandsilikate):
z.B. Hornblende (NaCa2Mg5Fe2AlSi7O22(OH))
• reich an Fe(II), Mg, Ca.
• vor allem in basischen und ultrabasischen Gesteinen
• verwittern leicht S 18
Schichtsilikate
SiO4-Tetraeder (Al Si)
AlO6-Oktaeder (FeII, Mg Al) S 17
Glimmer (2:1 Schichtsilikate)
• Muskovit: helle Farbe, relativ schwer verwitterbar, K+ in den Zwischenschichten (nicht austauschbar!) Typische Summenformel: KAl2(Si3Al)O10(OH)2
• Biotit: dunkle Farbe, relativ leicht verwitterbar, K+in den Zwischenschichten (nicht austauschbar!)
Typische Summenformel: K(Mg, FeII)3(Si3Al)O10(OH)2
Zwischenschicht-
kationen Oktaeder-
schichten Tetraeder- schichten
S 17
Gerüstsilikate
Quarz (SiO2):
• sehr schwer verwitterbar
• in Böden oft Hauptbestandteil der Sand- und Schlufffraktionen
Feldspäte:
Orthoklas: KAlSi3O8 Albit: NaAlSi3O8 Anorthit: CaAl2Si2O8 S 17
Sekundäre Silikate
Tonminerale(= sekundäre Schichtsilikate)
Röhren, Hohlkugeln
<100 1.0 – 0.7
1:1 Halloysite
Plättchen
<100 0.7
1:1 Kaolinite
Plättchen 100
1.4 2:1:1
Sekundäre Chlorite
Plättchen 1000
1.0 – 1.8 2:1
Smektite
Plättchen 1500
1.0 – 1.4 2:1
Vermikulite
Plättchen 250
1.0 2:1
Illite
Morphologie KAK
(mmolc/kg) Basisabstand
(nm) Schichtaufbau
(T:O) Mineral
S 19
Aufbau der Tonminerale
S 19
Kaolinite
Halloysite formation on weathering biotite in granite-gneiss saprolite
Halloysite formation on weathering biotite in granite-gneiss saprolite
Halloysite formation on weathering biotite in granite-gneiss saprolite
Wichtige Eigenschaften von Tonmineralien
• sehr kleine, plättchenförmige Partikel (<2 µm)
• sehr grosse spezifische Oberfläche (10-800 m2/g)
• Oberflächen negativ geladenÆKationenaustausch
• manche Tonmineralien können stark Quellen und Schrumpfen (vor allem Smektite)
S 18
Weitere sekundäre Mineralien in Böden
Oxide, Hydroxide Goethit(FeOOH) Hämatit(Fe2O3) Ferrihydrit(Fe5O7*4H2O) Gibbsit(Al(OH)3) Carbonate
Calcit(CaCO3) Dolomit(CaMg(CO3)2) Sulfate
Gips(CaSO4*2H2O) Sulfide
Pyrit(FeS2) Phosphate
Apatite(Ca5(PO4)3(OH, F, CO3)) S 20
Zusammenfassung: Minerale
Böden enthalten:
• Vor allem Gerüstsilikate (Quarz, Feldspäte) in den Sand- (2000-50 µm) und Schluff- (50-2 µm) Fraktionen.
• Schichtsilikate (Tonmineralien) und Oxide (z.B. Goethit, Ferrihydrit) in der Tonfraktion (<2 µm).
• Tonminerale besitzen eine sehr grosse spezifische Oberfläche mit negativer Oberflächenladung. Sie binden deshalb Kationen in austauschbarer Form.
• Oxide besitzen ebenfalls grosse reaktive Oberflächen und sind wichtige Sorbenten für Anionen (z.B. Phosphat) und Schwermetallkationen (z.B. Cu2+, Pb2+).
Gesteine als Ausgangsmaterial für die Bodenbildung
• Magmatische Gesteine
• Sedimentgesteine
• Metamorphe Gesteine S 9
Der lithologische Kreislauf S 10
Magmatische Gesteine: Entstehung
Tiefengesteine (Plutonite, Intrusivgesteine):
Magma kühlt langsam abÆ
grobe Textur, d.h. mit grossen Kristallen unterschiedlicher Mineralien.
Ergussgesteine (Vulkanite, Effusivgesteine):
Magma kühlt schnell abÆ
feine Textur, oft mit Einsprenglingen, manchmal auch porös, oft mit hohen Anteilen an vulkanischen Gläsern (amorphe bis schlecht kristallines Material).
S 10
Vulkanische Gesteine (Etna 2001)
Effusiv: fein Intrusiv: grob Textur
Magmatische Gesteine: Zusammensetzung
basisch inter- mediär sauer ultra- basisch basisch inter- mediär sauer
0.76 0.25 0.56 3.5 34.0 0.21 9.8 2.51 4.0 0.81 43.5 Peridotit
0.91 0.89 0.78 0.64
0.65 0.47 H2O
0.82 1.1 5.4 0.56
3.1 5.1 K2O
2.2 3.7 3.0 2.3
3.8 3.5 Na2O
10.4 7.9 1.1 11.1
3.6 0.72 CaO
6.3 4.4 0.32 8.1
1.6 0.26 MgO
0.18 0.15 0.03 0.18
0.07 0.05 MnO
9.0 5.5 0.75 7.9
2.6 1.1 FeO
2.9 3.5 1.3 2.6
1.3 0.78 Fe2O3
14.1 17.2 13.5 16.8
15.7 13.8 Al2O3
2.0 1.3 0.22 1.3
0.57 0.20 TiO2
50.8 54.2 73.7 48.4
66.9 73.9 SiO2
Basalt Andesit Rhyolit Gabbro
Diorit Granit
Intrusivgesteine Effusivgesteine
Elementare Zusammensetzung
S 11
0.6 0.5 0.5 Apatit
basisch inter- mediär sauer ultra- basisch basisch inter- mediär sauer
3 70 26 - - - - - Peridotit
6 4 1.5 2
Ilmenit Magnetit
3 - - -
- - Olivin
40 10 - 32
- - Pyroxen
- 15 2 1
13 1 Amphibol
- - 2 -
3 5 Biotit
50 55 25 56
46 30 Plagioklas
- 11 40 -
15 35 K-Feldspat
1 5 30 -
21 27 Quarz
Basalt Andesit Rhyolit Gabbro
Diorit Granit
Intrusivgesteine Effusivgesteine
Mineralogische Zusammensetzung
S 11
Granit (sauer):
~74% SiO2 Quarz, K-Feldspäte, Plagioklase, Biotite, u.a.
Gabbro (basisch):
~48% SiO2
Plagioklase, Pyroxene, u.a.
Mineralzusammensetzung
Sedimentgesteine
Anteil an Erdkruste: ~8%
Anteil an Erdoberfläche: ~75%
S 12
Siliziklastische Sedimentgesteine
¾Tonsteine, Siltsteine, Sandsteine
¾Brekzien (kantiges Grobmaterial)
¾Konglomerate (gerundetes Grobmaterial)
¾Arkosen (Feldspatreiche Sandsteine)
¾Grauwacken (Sandsteine aus Feldspat, Quarz und Gesteinsbruckstücken in toniger Matrix)
Karbonatische Sedimentgesteine
¾Kalksteine (überwiegend aus CaCO3)
¾Dolomite (überwiegend aus CaMg(CO3)2)
¾Mergelsteine (tonig, kalkhaltig, mit >35% CaCO3) S 12
Quartäre Lockersedimente
¾Löss (durch Wind verfrachtetes schluffiges Lockersediment, meist Kalkhaltig)
¾Flugsande (z.B. an Küsten, als Hügelsysteme)
¾Sedimente der Flusstäler und Küsten (Alluvial)
¾Kolluvien
¾Glazigene Sedimente (Grundmoränen oder Endmoränen aus Geschiebe oder Geschiebemergel)
¾Fliesserden, Solifluktionsschutt
¾u.a.
S 12
Flugsande
Alluviale Sedimente
Kolluviale Sedimente
Glazigene Sedimente
Minerale in Geschiebe (Bildbreite 15 mm, CP)
Schotter
Sedimenttransport durch den Yangtze (China)
Metamorphe Gesteine
Metamorphose: Umwandlung eines Gesteins unter stark erhöhten Druck- und Temperaturbedingungen, wobei die ursprüngliche Mineralzusammensetzung (und Textur) verändert wird.
Æ ähnliche Mineralien wie in Magmatiten, aber auch einige typisch für Metamorphose
Æ Schieferung oder Bänderung
Æ Textur gröber, je stärker die Metamorphose Ortho-Gesteine aus Magmatiten (z.B. Ortho-Gneiss) Para-Gesteine aus Sedimentiten (z.B. Para-Gneiss) S 13
Geologische Gliederung der Schweiz (aus Bollinger, 1999)
Zusammenfassung: Gesteine
• Es gibt magmatische Gesteine, Sedimentgesteine, und metamorphe Gesteine.
