Das Elektronenmikroskop

Z. Geomorph. N . F. 15 3 339-347 Berlin • Stuttgart September 1971

Das Elektronenmikroskop

im Dienste geomorphologischer Forschung

von

K . H E I N E , Bonn mit 3 Figuren und 4 Photos

Zusammenfassung. Anhand einiger Beispiele wird gezeigt, d a ß das elektronenmikroskopische Bild der Boden-Tonsubstanz bei der A u f k l ä r u n g geomorphologischer Probleme helfen kann.

Summary. Some examples show that the electron-microscopic picture of the soil-clay-material is able to help with the explanation of geomorphologic problems.

Resume. A la lumiere de quelques exemples, il est montre que les images des substances argileuses des sols fournies par Pelectromicroscope peuvent servir a öclaircir certains problemes geomorphologiques.

Immer häufiger werden pedologisch-sedimentologische Untersuchungen als geo- morphologische Methoden bei der Bearbeitung geomorphologischer Sachverhalte eingesetzt ( L E S E R 1 9 6 6 , F R Ä N Z L E 1 9 6 5 , E L H A I 1 9 6 3 , H E I N E 1 9 7 0 u . a.). E i n e be- sondere Bedeutung hat dabei die Untersuchung der Tonsubstanz erlangt. Neben chemischen Analysen finden v o r allem die R ö n t g e n - und die Differential-Ther- mo- ( = D . T . ) Analyse A n w e n d u n g . D i e letztgenannten Methoden haben sich gut bei der Identifizierung der Tonminerale b e w ä h r t ; dabei spielt einerseits die quan- titative Bestimmung der verschiedenen Tonminerale eine Rolle, andererseits die qualitative Analyse einer bestimmten Tonsubstanz.

Doch leider scheint es, d a ß verschiedene Faktoren, die die Aussagekraft der R ö n t g e n - und der D . T . - A n a l y s e beeinträchtigen, oft nicht i n genügender Weise berücksichtigt werden. So w i r d beispielsweise i m Zusammenhang mit fossilen B o - denbildungen oft bei der R ö n t g e n a n a l y s e aus starken Interferenzen des K a o l i - nits ( d^{0 0 1} = 7 . 1 8 Ä , d^{0 0 2} = 3 . 5 8 Ä ) b z w . bei der D . T . A . aus starken Ausschlägen (endothermer Effekt zwischen 5 5 0 und 6 0 0 ° C , exothermer Effekt bei 9 5 0 ° C )

auf A l t e r und Genese des Kaolinit-haltigen Materials geschlossen, wobei die ge- nannten Kriterien in der Weise gedeutet werden, d a ß nämlich die starken Inter- ferenzen b z w . Ausschläge auf ein hohes, meist tertiäres A l t e r deuten, auf eine Bildung des Kaolinits unter tropischen bis subtropischen Klimabedingungen. Eine derart vorgenommene Interpretation der Analysendaten der R ö n t g e n - und D . T . - Analyse ist mit g r ö ß t e r Vorsicht zu betrachten, denn folgende Faktoren k ö n n e n die Analysen werte beeinflussen: Bei der quantitativen röntgenographischen Be- stimmung der Tonminerale h ä n g t die I n t e n s i t ä t der Interferenzlinien von der Orientierung (Textur) der Tonteilchen im P r ä p a r a t ab; auch der Ordnungsgrad

Fig. 1. Altquartäre E n t w ä s s e r u n g im Marburger Raum. 1 ~ Perm und ältere Formationen, 2 = basaltisches Tertiär (Vogelsberg), 3 = altquartäre T a l b ö d e n und Entwässerungsrichtung, 4 = rezente F l u ß l ä u f e , 5 = Orte der Probenahme.

der Tonmineralgitter hat einen bedeutenden E i n f l u ß auf die R ö n t g e n i n t e r f e r e n z - linien. Bei der D . T . A . kann sich die Lage der M i n i m a und M a x i m a der K u r v e durch verschiedene Beimengungen, wie organische Stoffe oder amorphe Substan- zen, sowie die unterschiedliche Teilchengröße und den innerkristallinen Zustand der Teilchen stark ä n d e r n . H i n z u kommt der Umstand, d a ß die R ö n t g e n - und die D . T . - A n a l y s e eine Unterscheidung verschiedener Tonminerale nicht zulassen (z. B . K a o l i n i t und H a l l o y s i t ) . Ebenfalls ist es nicht möglich, mit H i l f e der ge- nannten Methoden Tonminerale nachzuweisen, die nur in Spuren in dem Material auftreten, die jedoch für die Lösung mancher Probleme von Bedeutung sein k ö n - nen. H i e r ist die Anwendung des Elektronenmikroskops als zusätzliche Methode bei der Untersuchung der Tonsubstanz von besonderem Wert. Einige Beispiele m ö - gen das veranschaulichen (vgl. dazu die Photos 1 - 4 und die F i g . 2 u. 3 )¹.

Spuren von H a l l o y s i t k ö n n e n allein durch das elektronenmikroskopische B i l d in einem Boden oder Sediment nachgewiesen werden, denn der H a l l o y s i t ist nur elektronenoptisch zuverlässig von dem K a o l i n i t zu unterscheiden. O f t aber ist gerade der Nachweis von großer Bedeutung, denn H a l l o y s i t scheint vorwie- gend bei der Verwitterung vulkanischen Materials zu entstehen ( H O S T E R M A N N 1 9 6 0 , A O M I N E &c M I Y A U C H I 1 9 6 3 , M Ü C K E N H A U S E N 1 9 6 4 u. a.). M i t H i l f e elek- tronenmikroskopischer Untersuchungen konnte in den Terrassenschottern der Mittellahn bei M a r b u r g H a l l o y s i t in den w ü r m - , r i ß - und mindelzeitlichen A b - lagerungen nachgewiesen werden, w ä h r e n d die günzzeitlichen Terrassenschotter erst unterhalb des Zwester Ohm-Zuflusses das Tonmineral H a l l o y s i t führten.

Vergleichsuntersuchungen ergaben, d a ß von den rezenten Flüssen nur diejenigen H a l l o y s i t in geringen Mengen in ihren Sedimenten aufweisen, die ihr Einzugs- gebiet wenigstens zum Teil i m basaltischen Vogelsberg haben. A u f g r u n d der elek- tronenmikroskopisch ermittelten H a l l o y s i t f ü h r u n g der Terrassenschotter konnte eine F l u ß v e r l e g u n g der O h m rekonstruiert werden, die sich w ä h r e n d der M i n d e l - eiszeit abgespielt haben m u ß und die zur Umkehrung des gesamten E n t w ä s s e - rungssystems im A m ö n e b u r g e r Becken führte (Fig. 1, Photo 1 ) . Das elektronen- mikroskopische B i l d ist der einzigste, naturwissenschaftlich exakt fundierte Be- weis für diese V o r g ä n g e , denn weder die Beobachtungen i m G e l ä n d e , noch mor- phometrische, granulometrische, petrographische, mineralogische und pedologische Untersuchungen konnten einwandfreie Kriterien für die F l u ß u m k e h r und deren zeitliche Fixierung liefern ( H E I N E 1 9 7 0 a, v g l . auch H . D . L A N G 1 9 5 5 ) .

In einem anderen F a l l war es möglich, das Elektronenmikroskop sinnvoll bei der K l ä r u n g geomorphologischer Probleme einzusetzen. Besonders nördlich Marburg/Lahn beobachtet man häufig Zonen mehr oder weniger intensiv ge- bleichten Sandsteins. A l s Ursache für die Bleichung der Gesteine w i r d eine tief- greifende Verwitterung unter feuchtem Tropenklima w ä h r e n d der Kreide- und T e r t i ä r z e i t genannt. A u f g r u n d dieser Annahme w i r d aus dem V o r k o m m e n inten- siv gebleichter Sandsteine auf tektonische V o r g ä n g e seit der T e r t i ä r z e i t ( K O C K E L 1 9 5 8 , S. 1 4 1 ) und auf gewisse t e r t i ä r e Reliefverhältnisse geschlossen ( L E N Z 1 9 6 6 ,

1 Es wurden benutzt: Das Elektronenmikroskop Zeiss-AEG E M 8; die Röntgenapparatur R ö n t - gen-Gerät Müller „Mikro 111" mit Philips-Goniometer und automatischer Registrierung, C u^{K a}- Strahlung, 36 K V , 26 mA; die D.T.A.-Apparatur 404 der Fa. Gebr. Netzsch, Selb/Bay.

fsi

20 15 5 8 in Grad

Fig. 2. Linienintensitäten des R ö n t g e n g o n i o m e t e r s der Pro- ben 1 bis 4. Bei den Proben 1 und 4 ist den Diagrammen nicht zu entnehmen, d a ß sie in Spuren Halloysit (Probe 1) bzw.

Sarospatakit (Probe 4) enthal- ten. Die Proben 2 und 3 un- terscheiden sich im R ö n t g e n - diagramm nicht wesentlich von- einander; Entstehung und Aus- bildung der Tonminerale sind nicht aus den Intensitätslinien ersichtlich.

S. 102 ff.). Eine röntgenographische und differentialthermoanalytische Untersu- chung der Tonsubstanz gebleichter Sandsteine l ä ß t einen hohen Kaolinitgehalt neben Illit vermuten, wie er als Folge tropisch-subtropischer Verwitterungsvor- gänge angenommen werden darf (vgl. die Analysen einer echten t e r t i ä r e n Boden- bildung: Probe 2). Doch manche Beobachtungen i m G e l ä n d e sprechen dennoch ge- gen eine pedogenetische Bildung des Kaolinits ( H Ö L T I N G SC S T E N G E L - R U T K O W S K I 1964, S. 20 ff.). D i e elektronenmikroskopischen Bilder (Photo 2 u. 3) führten schließlich zur K l ä r u n g der Gegensätze. Im Elektronenmikroskop wurden sehr gut ausgebildete K a o l i n i t - und Sarospatakitminerale sichtbar, wie sie i n pedoge- netischem M a t e r i a l noch nicht gefunden worden sind ( H E I N E 1970 C). A U S den Aufnahmen geht hervor, d a ß K a o l i n i t und Sarospatakit mit einem derart ausge- zeichneten Kristallisationsvermögen nur unter hydrothermalen Bedingungen ge-

Fig. 3. D . T . A . - K u r v e n der Proben l bis 4. Die Probe 4 zeigt die geringsten endothermen und exothermen Reaktionen; sie entsprechen der geringen Verwitterungsintensität bzw. dem m ä ß i - gen Kristallisationsgrad besonders der Kaolinite. Die Proben 2 und 3 haben starke Ausschläge, die bei Probe 2 durch die Q u a n t i t ä t , bei Probe 3 durch die Q u a l i t ä t (Ausbildung) des Kaoli- nits und Illits hervorgerufen werden; die unterschiedliche Genese des Kaolinits und die ver- schiedene Ausbildung des Illits (bei Probe 3 als Sarospatakit) ist nicht zu erkennen. Wie bei Probe 4 so ist auch bei Probe 1 nicht ersichtlich, d a ß ein Tonmineral lediglich in Spuren auftritt.

bildet werden k ö n n e n ( M Ü C K E N H A U S E N 1 9 6 4 , B E U T E L^SP A C H E R & V A N D E R M A - R E L 1 9 6 8 , S. 1 2 3 ) . Das V o r k o m m e n der gebleichten Sandsteine darf demnach also nicht herangezogen werden, wenn es gilt, das tertiäre Relief zu rekonstruieren oder tektonische V o r g ä n g e zu diskutieren.

Für Aussagen über die tertiären Reliefverhältnisse des Westerwaldes w i r d die Arbeit von J A R I T Z ( 1 9 6 6 ) wertvolle Hinweise geben. J A R I T Z untersucht die fossilen T e r t i ä r b ö d e n , die bisher einer tertiären „ R o t v e r w i t t e r u n g " zugeschrieben wurden, und stellte fest, d a ß neben echten roten T e r t i ä r b ö d e n sogenannte rote vulkanogene Edaphoide vorkommen, die ihre Entstehung vulkanischen Prozes- sen verdanken. Unter den von ihm angewandten Untersuchungsmethoden spielt das Elektronenmikroskop eine entscheidende Rolle, speziell bei der Bestimmung der Tonmineralgarnitur der Verwitterungs- und Zersetzungsprodukte. D a ß bei der Auswertung fossiler Böden, Bodenrelikte und Zersetzungsprodukte hinsicht- lich geomorphologischer V o r g ä n g e und Formen äußerste Vorsicht geboten ist, zei- gen auch die Untersuchungen von M Ü C K E N H A U S E N ( 1 9 6 4 ) an verschiedenen B o - dentypen. O f t ist es nur mit H i l f e des Elektronenmikroskops möglich, die Boden- bildungen genauer anzusprechen. So k ö n n e n beispielsweise detailliertere Angaben über das Ausgangsmaterial, die bodenbildenden Faktoren, Umlagerungsprozesse, Beimischungen, hydrothermale Beeinflussung etc. gemacht werden (vgl. auch

K V I T K O V I C 1 9 6 8 , S. 1 0 ff.).

Eine pedologische Untersuchung verschiedener Würmlösse i m Marburger R a u m sollte Aufschluß über die Herkunftsgebiete des Materials geben ( H E I N E 1 9 7 0 b). Auch hier b e w ä h r t e sich der Einsatz des Elektronenmikroskops. W ä h r e n d sedimentpetrographische und Schwermineral-Analysen kaum weitreichende Aus- sagen erhoffen ließen, konnten i m elektronenmikroskopischen B i l d die Ergebnisse der anderen Untersuchungen bestätigt und verfeinert werden. Hierbei erlangten die Tonminerale, die einem bestimmten Herkunftsgebiet entstammen - wie z. B . der Sarospatakit und Sepiolith den gebleichten Zonen des Sandsteins, der H a l l o y - sit dem Vogelsberg - und nur in Spuren im L ö ß zu finden sind, besondere Be- deutung (Photo 4 ) . Ihre Identifizierung ist allein durch das Elektronenmikroskop möglich, da andere Methoden, wie die R ö n t g e n - und die D . T . - A n a l y s e , die T o n - minerale nicht direkt sichtbar machen und für entsprechende Untersuchungen zu unempfindlich sind.

Bisher sind die Erfahrungen, die im Zusammenhang mit geomorphologi- schen Untersuchungen gemacht worden sind, gering. T r o t z aller Vorteile, die das Elektronenmikroskop bei der Analyse der Tonsubstanz bietet - das Forschungs- objekt w i r d direkt sichtbar gemacht, wogegen die anderen diesbezüglichen Metho- den nur indirekte Feststellungen vermitteln - , sollte die elektronenoptische Be- stimmung der Tonminerale nur als zusätzliche Methode Verwendung finden. N u r in Verbindung mit weiteren Beobachtungen und Untersuchungen ist das E l e k t r o - nenmikroskop auch für den Geomorphologen, der sich naturwissenschaftlicher Methoden, die anderen Disziplinen entlehnt werden, bedient, von g r o ß e m Wert, besonders wenn es darum geht, verfeinerte Aussagen vorzunehmen.

H e r r Professor D r . D r . E . M Ü C K E N H A U S E N ermöglichte die D u r c h f ü h r u n g vieler Untersuchungen i m Institut für Bodenkunde der U n i v e r s i t ä t B o n n ; ihm sei auch an dieser Stelle herzlich dafür gedankt.

P h o t o 1. Elektronenmikroskopische A u f n a h m e mit Spuren v o n H a l l o y s i t (im l i n k e n unteren B i l d t e i l ) . D e r H a l l o y s i t w i r d i n F o r m v o n R ö h r c h e n , der K a o l i n i t in F o r m v o n pseudohexagonal umgrenzten P l ä t t c h e n sicht- bar. D i e Probe 1 stammt aus den mindelzeitlichen Lahnschottern bei M a r b u r g .

P h o t o 2. Elektronenmikroskopisches B i l d eines t e r t i ä r e n Bodens (Probe 2) östlich des A m ö n e b u r g e r Beckens. D a s B i l d zeigt v o r w i e g e n d K a o l i n i t , I l l i t , H y d r o g l i m m e r , i n Spuren H a l l o y s i t .

P h o t o 3. Elektronenmikroskopisches B i l d der Tonsubstanz eines h y d r o - t h e r m a l zersetzten Sandsteins. D e u t l i c h sichtbar ist der leistenförmig;:

Sarospatakit u n d der gutausgebildete K a o l i n i t . D i e Probe 3 entstammt dem M i t t l e r e n Buntsandstein n ö r d l i c h M a r b u r g .

P h o t o 4. Elektronenmikroskopisches B i l d der T o n f r a k t i o n eines Losses.

Sarospatakit u n d S e p i o l i t h treten i n Spuren auf (Leisten u n d N a d e l n ) . Das M a t e r i a l der Probe 4 w u r d e dem B v - H o r i z o n t eines W ü r m l ö s s e s i m L a h n t a l südlich M a r b u r g entnommen.

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Anschrift des Verfassers:

Dr. K . H E I N E , Geographisches Institut der U n i v e r s i t ä t , 53 Bonn, Franziskanerstr. 2.

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