Bodenkunde (Subject) / 03. Anorganische Ausgangsmaterialien der Bodenbildung: Minerale und Gesteine (Lesson)

Anorganische Ausgangsmaterialien der Bodenbildung: Minerale und Gesteine

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• 1. Was versteht man unter „primären“ Bestandteilen von Böden? Erläutern Sie diesen Begriff für die anorganischen (mineralischen) und organischen Komponenten. Primär Bestandteile des Bodens sind die Bestandteile, die unverändert bzw. nur physikalisch verwittert vorliegen Anorg. Primärmaterial: Gesteine und mechanisch zerkleinerte Minerale (Feldspat, Sand, Schiefer) Org. Primärmaterial: frisch abgestorbene Biomasse: Streu (Blätter, Äste)
• 2. Erklären Sie die Begriffe „Mineral“ und „Gestein“, erläutern Sie den definitorischen Unterschied. Mineral: chemisch und physikalisch homogene, meist auskristallisierte, natürliche anorganische Bestandteile von Gesteinen und damit der Erdkruste, haben eine chemische Formel. Gestein: aus einem Gemenge von Mineralen (Ausnahme: Monomineral) bestehende, heterogene natürliche Bildungen der Erdkruste, haben keine chemische Formel, können auch biogene Organismenreste, Gesteinsbruchstücke oder amorphe Substanzen enthalten.
• 3. Erklären Sie den Unterschied zwischen einem „amorphen“ Mineral und einem „kristallisierten“. Kristall: Entsteht beim langsamen Auskühlen von Schmelzen. Atome ordnen sich gesetzmäßig zu Ionengittern an, chem./phys. Eigenschaften sind gerichtet (anisotrop) Amorphe Minerale: Durch plötzliches Auskühlen keine Kristallisation möglich. Atome/Ionen/Moleküle sind chaotisch/ungeordnet (isotrop)
• 4. Was versteht man unter der Mineraleigenschaft „Bruch“? Geben sei ein Beispiel. Ist ein Material nicht oder schlecht spaltbar, reagiert es auf großen Druck mit Bruch. Anhand der Oberfläche der Minerale und Gesteine nach einem Bruch kann man Rückschlüsse auf die Zusammensetzung ziehen. Dies hängt von der inneren Kristallstruktur ab. Je nachdem bilden sich glatte Oberflächen oder ein muschliger Bruch. Der Bruch gibt also eine Aussage über die Kristallstruktur. Quarz hat einen unsortierten Aufbau, daher hat er einen muschligen Bruch. Feldspat hingegen hat eine geordnete Kristallstruktur, wodurch ein glänzender, glatter Bruch entsteht.
• 5. Erläutern Sie die Härteskala nach Mohs. Geben Sie drei Beispiele (Mineralname, Härte) aus der Härteskala. Die Härteskala nach Mohs ist eine relative Härteskala. In dieser kann das vorangehende Mineral immer noch vom Folgenden geritzt werden. Beispiele: Talk (1), Feldspat (6), Quarz (7), Diamant (10)
• 6. Welche sind der Reihenfolge nach die 4 wichtigsten Elementbestandteile der Erdkruste und welchen Gesamtanteil machen diese Elemente aus? Sauerstoff (47%) Silizium (27%) Aluminium(8%) Eisen (5%)
• 7. Kohlenstoff und Silizium sind benachbarte Elemente der 4. Hauptgruppe des Periodensystems. Welches sind die stabilsten Formen, d.h. die Anhydrite (Wasserabspaltung) der Kiesel- bzw. der Kohlensäure, und wie unterscheiden sie sich? Aus Kieselsäure bildet sich durch Dehydratisierung das Anhydrit Polykieselsäure. Der große Atomradius des Siliziums verhindert Doppelbindungen, weshalb sich lange Ketten/Gitter ausbilden (Quarz) Aus Kohlensäure bildet sich durch Dehydratisierung das Anhydrit Kohlenstoffdioxid (CO2), ein Gas, und es bilden sich Doppelbindungen.
• 8. Erläutern Sie mit einer einfachen Skizze die Tatraederdarstellung für die SiO4 Bausteine der Silikate und unterscheiden zwischen chemischen Bindungen und graphischen Hilfslinien. Die Linien zwischen den Sauerstoffatomen sind graphische Hilfslinien, die gelben Linien vom Si-Atom zu den Sauerstoffatomen sind chemische Bindungen.
• 9. Erläutern Sie kurz die Struktur und die Eigenschaften von Quarz. Quarz besteht aus Si-Tetraedern, die vollständig über Si-O Bindungen verknüpft sind. Es hat eine ungeordnete, teilweise spiralige Struktur und somit einen muschligen Bruch. An den Rändern wird O mit H+ Ionen gesättigt. Es hat eine Härte von 7 auf der Mohs Skala, ist verwitterungsresistent und sauer. Es ist Hauptbestandteil vieler Gesteine. An Randbereichen binden sich H+- Ionen an das Sauerstoffatom.
• 10. Erläutern Sie kurz die Struktur der Feldspäte als Gerüstsilikate und gehen dabei auf den Begriff „isomorpher Ersatz“ ein. Feldspäte sind hell, schwach gefärbt, haben eine gute Spaltbarkeit und eine Härte nach Mohs von 6. Sie sind Gerüstsilikate, da sich bei der Auskristallisation die Si-O4-Tetraeder dreidimensional im Raum anordnen und verbinden. Gerüstsilikate bestehen aus dem Silikatanion sowie Kationen. Wenn bei der Kristallisation der Minerale zu wenig vierwertiges Silizium für die Ausbildung von Quarz verfügbar ist, wird ersatzweise Aluminium mit nur 3 positiven Ladungen zwischen die Sauerstoffatome in die Tetraeder platziert. Dieses nennt man den isomorphen Ersatz. Bei Feldspat ist in 25-50% der Tetraeder Al statt Si. Dabei entstehen negative Teilladungen. Diese werden durch Einlagerung von Kationen wie Ca2+, Mg2+, Na+ oder K+ in die Zwischenräume zwischen den Tetraedern ausgeglichen. Für den isomorphen Ersatz muss der Atomradius passen.
• 11. Erläutern Sie kurz Ketten-, Band-, und Inselsilikat. Die Siliziumtetraeder können sich über die Si-O-Si-Verknüpfung zu Ketten oder Bändern zusammenfügen. Bei den Kettensilikaten werden die Tetraeder über Si-O-Si Verknüpfungen zu lang gestreckten Strukturen aneinander geordnet. Es entstehen faserartige Minerale mit einer guten Spaltbarkeit entlang der Fasern, z.B. Augite. Bei Bandsilikaten kommt es wie bei den Kettensilikaten zu lang gestreckten Ketten, nur, dass hier 2 Ketten nebeneinander unter Bildung von Ringen vorliegen. Diese Ringe werden durch Kationen zusammengehalten, z.B. Hornblende. Inselsilikate sind isolierte SiO4(4-) Tetraeder mit einer hohen negativen Ladung. Es gibt einen elektrostatischen Ausgleich durch die Einlagerung von Kationen. Der wichtigste Vertreter der Inselsilikate ist Olivin.
• 12. Was sind Blatt-(Phyllo-) Silikate? Was hat die geringe Härte des Talks damit zu tun, dass seine „Kristallblätter“ ungeladen sind? Bei Blatt-(Phyllo-) Silikaten ordnen sich die Tetraeder in einer Ebene in Form verknüpfter Ringe an. Oft verbinden sich zwei Silizium-Tetraederblätter mithilfe von Kationeneinlagerung zu einer dreischichtigen Struktur. Diese hat eine blättrige Struktur, und ist in einer Ebene spaltbar. Kationen verbinden sich mit O zu Oktaedern, aus denen viele sekundäre Tonminerale bestehen. Beim Talk werden 2 Silikatblätter durch Mg-Ionen und OH-Ionen zusammengehalten. Dadurch gibt es zwischen den Doppelblättern nur einen Zusammenhalt durch Van-der-Waals-Kräfte, was zu einer Härte von 1 auf der Mohs-Skala  führt.
• 13. Erläutern Sie den Aufbau des hellen Al-Glimmers (Muskovit) unter Verwendung der Begriffe „isomorpher Ersatz“, „Aluminium-Oktaeder“ und „Zwischenschicht-Kationen“. Welche makroskopischen Eigenschaften lassen sich aus dem Kristallaufbau erklären? Der Muskovit besteht aus einem Dreischichtsystem, bei dem zwischen den Siliziumblättern Aluminium eingelagert wurde. Die Aluminiumatome sind oktaedrisch von 6 Sauerstoffatomen der Siliziumblätter umgeben. Dieses Dreischichtsystem (Siliziumtetraeder – Aluminiumoktaeder – Siliziumtetraeder) könnte nach außen neutral sein. Da aber beim Muskovit durch isomorphen Ersatz 25% der Si-Atome durch Al-Atome ersetzt wurden gibt es eine negative Teilladung wischen den Blättern, in die als Zwischenschicht - Kationen Kalium- Ionen (sterisch perfekte Größe) eingelagert sind. Deren elektrostatische Anziehungskraft ist jedoch deutlich geringer als die Atombindungen(Si-O-Al) innerhalb der Schicht. Makroskopisch ergibt sich daraus eine gute Spaltbarkeit in Richtung der Siliziumschichten.
• 14. Definieren Sie kurz Magmatit, Sedimentgestein, Metamorphit. Welchen Mengenanteil haben Magmatite a) in der Erdkruste b) an der Erdoberfläche? Magmatit: Gesteine, die bei Erstarrung/Kristallisation flüssiger Magmen entstehen Sedimentgestein: Durch Verwitterung zerkleinerte Bestandteile von Gesteinen (Sedimente) werden durch Verfestigung zu Sedimentgesteinen (Vorgang: Diagenese) unter relativ geringem Druck und Temperatur Metamorphit: Bei der Umformung von Sedimentgesteinen und Magmatiten durch hohen Druck und hohe Temperaturen (jedoch ohne aufzuschmelzen) entstehen Metamorphite (Orthogneis, Paragneis) Mengenanteil der Magmatite an der Erdkruste: 90% Mengenanteil der Magmatite an der Erdoberfläche: 25%
• 15. Erklären Sie die Begriffe Plutonit (Tiefengestein) und Vulkanit (Ergussgestein). Wie unterscheiden sie sich makroskopisch? Plutonite sind in der Erdkruste nur langsam abgekühlt, wodurch sich große Kristalle gebildet haben (grobe Körnung) (heterogen). Sie enthalten viel Silizium und wenig Eisen. Vulkanite sind an der Erdoberfläche relativ schnell abgekühlt, wodurch sich Kristalle mit einer geringen Größe (feine Körnung) gebildet haben. Sie haben wenig Silizium und viel Eisen.
• 16. Was versteht man unter „basischen“ und „sauren“ Gesteinen? Wie unterscheiden sich diese makroskopisch? Nennen Sie für jede Gruppe einen häufigen Vertreter und ein Hauptgemengeteil (Mineral). Basische Gesteine sind quarzarm (45-52% Silizium), dunkel und marphig (viel Mg & Fe). Basische Minerale sind Olivin, Augit und Hornblende. Beispiele für basische Gesteine sind Basalt (Vulkanit) und Gabbro (Plutonit). Saure Gesteine sind  quarzreich (65-100% Silizium), hell und felsig (viel Si). Saure Minerale sind Quarz, Feldspat und Glimmer (Biotit). Beispiele für saure Gesteine sind Granit (Plutonit) und Ryolith (Vulkanit).
• 17. Beschreiben Sie für Granit und Basalt in welchen typischen Bildungen diese in der Landschaft auftreten. Basalt ist ein feinkörniger Vulkanit mit dunkler Farbe. Basalt bildet bei der schnellen Abkühlung oft Säulen. Granit ist ein grobkörniger Plutonit. Granitlandschaften erkennt man an der typischen Wollsackverwitterung, bei der abgerundete Blöcke entstehen.
• 18. Was versteht man unter physikalischer Verwitterung? Erklären Sie die Frostsprengung. Unter physikalischer Verwitterung versteht man die Zerkleinerung des Ausgangsgesteins in Gesteinstrümmer durch physikalische Prozesse wie Wind, Wurzeldruck, Temperatur- oder Drucksprengung oder Abrasion. Bei der Frostsprengung gelangt Wasser in feine Haarrisse oder Risse. Wenn dieses Wasser gefriert, dehnt es sich um 10% aus, erzeugt dadurch einen Druck und sprengt somit das Gestein. Das nun zerkleinerte Gestein zeigt auch Risse auf und wird weiter schneller gesprengt (Geschwindigkeitszunahme der Verwitterung)
• 19. Wie verändern sich die Sedimente entlang eines Flusslaufes von steilen Gebirgslagen im Oberlauf bis hinter die Mündung im Meer? Beim Flusstransport nimmt mit zunehmender Transportentfernung die Korngröße von größeren Blöcken in steilen Gebirgslagen bis hin zu feinsten Schwebestoffen in der Mündung ab. Die Kornsortierung nennt man auch Klassierung. Hier werden auch chemisch leicht lösliche Minerale ausgewaschen und weiter transportiert.
• 20. Wie nennt man den Prozess, der aus einem Lockersediment ein Festgestein macht? Erläutern Sie zwei mögliche Abläufe eines solchen Prozesses. Diagenese ist der Vorgang bei dem lockere Sedimente zu Sedimentgesteinen verfestigt werden. 2 Möglichkeiten: Kompaktion: Vorgang der Verfestigung und Volumenverkleinerung durch den Druck darüber liegender Gesteinsschichten: Tonminerale ordnen sich dem Druck nach an, Wasser entweicht und mit ihm auch alle wasserlöslichen Stoffe und Ionen, was zur Verfestigung führtZementation: vorwiegend chemischer Prozess der zur Versteinerung der Lockersedimente führt, wie die chemische Ausfüllung von Porenraum, die Porösität des Ausgangsmaterials verringert sich: z.B. wird Sand durch Auffüllung der Zwischenräume mit Kalk zu Sandstein
• 21. Beschreiben Sie kurz den Materialbestand von 4 Sedimentgesteinen. Kalkstein: Calcit, Aragonit Tonstein: Illit, Smectit, Montmorillonit Kalksandstein: Calcit, Quarzsand Mergel: Calcit, Tonfraktion
• 22. Was versteht man bodenkundlich unter Silikat-, Carbonat- und Mergelgesteinen? Eine Einteilung von Gesteinen nach chemischen Gesichtspunkt und dem Anteil von Carbonat (CaCO3). Carbonatgestein: > 75% Carbonat < 25% Silikate Mergelgestein: 75% > Carbonat > 2% - Rest: Silikate Silikatgestein: <2% Carbonate >98% Silikate
• 23. Erklären Sie den Begriff der Schieferung bei metamorphen Gesteinen, wie entsteht sie? Durch hohen Druck und hohe Temperatur regeln sich die Kristalle ein. Es entsteht eine Schieferung die oft in die Breite auskeilt.
• 24. Was sind Orthogneise? Was sind Paragneise? Orthogneise und Paragneise sind Metamorphite. Orthogneise sind aus Magmatiten entstanden und haben einen hohen Quarzanteil. Paragneise sind aus Sedimentgesteinen entstanden und sind meist reicher an basischen Kationen.
• 25. Wie können Sie eine geologische Karte nutzen, um sich über die in einem Gebiet vorkommenden Gesteine zu informieren? Geologische Karten geben nicht direkt Informationen über die vorliegenden Gesteine, sondern man kann an ihnen die Entstehungszeit der sich an der Oberflächen befindenden Gesteine ablesen und mit historisch-geologischem Hintergrundwissen auf die vorhandenen Gesteine schließen. (Ausnahme Magmatite)
• 26. Erläutern Sie kurz 3 typische Oberflächenbedeckungen (Lockersedimente), die Ausgangsmaterialien der Bodenbildung sind. Äolische Lockersedimente: vom Wind transportierte Partikel lagern sich in Form von Dünen oder Lössdecken ab, sind sehr gut sortiert und feinkörnig Fluviatiles Lockersediment: Fließgewässer lagern das mitgeführte zerkleinerte Gesteinsmaterial je nach Fließgeschwindigkeit in Form von Ton, Schluff, Sand, Kies ab, gute Sortierung, Schichtung fein über grob Glaziale Lockersedimente: vom Gletschereis transportiertes Gesteinsmaterial lagert sich in Form von Moränen oder Geschiebemergel ab; Einzelblöcke bleiben als Findlinge zurück, sind schlecht sortiert, haben abgerundete Kanten

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