Bodenkunde (Fach) / 13. Böden auf Carbonatgesteinen (Lektion)

Böden auf Carbonatgesteinen

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• 1. Definieren Sie die Begriffe Carbonat, Kalkstein, Kohlensaurer Kalk, Branntkalk, gelöschter Kalk. Was ist Kalkmörtel? Carbonat: Salze der Kohlensäure, das häufigste in der Pedosphäre ist das CaCO3. Kalkstein: Gestein aus Calciumcarbonat CaCO3, das hauptsächlich als Mineral Calcit (manchmal auch Aragonit) vorkommt. Im bodenkundlichen Sinne liegt ein Carbonatgestein vor, wenn der CaCO3-Gehalt über 75% liegt. Kohlensaurer Kalk: Handelsname für Calciumcarbonat Branntkalk: Branntkalk ist ein wichtiger Industriestoff und Trivialname für Calciumoxid CaO. Gewonnen wird es durch starkes Erhitzen von Calciumcarbonat, CaCO3, auf mindestens 800°C. Es entweicht dadurch CO2 und es entsteht der sehr stark alkalische und hygroskopische Brannt- oder auch Ätzkalk. Gelöschter Kalk ist Calciumoxid (CaO), das mit Wasser zu Calciumhydroxid (CA(OH)2) in einer starken Reaktion abreagiert hat. Kalkmörtel: Mit Zuschlagstoffen wie Quarzsand wird Löschkalk zu Kalkmörtel gemischt, der unter CO2 Aufnahme und Wasserabgabe zu Calciumcarbonat-Gemisch aushärtet. Nicht so stabil wie der heute meist verwendete Zementmörtel.
• 2. Nennen Sie 3 bodenkundlich relevante Carbonatminerale mit ihrer Summenformel sowie ihre Entstehungsbedingungen. Calcit (CaCO3): Entsteht aus Überresten von Lebewesen wie Skeletten oder den Schalen von Muscheln/Schnecken etc. Aragonit (CaCO3): Entsteht aus Ausfällen heißer Lösungen. Unter den Bedingungen der obersten Erdkruste neigt er zur Umkristallisierung zu Calcit. Dolomit (CaMg(CO3)2): Die Bildung erfolgt durch Einsickern magnesiumhaltiger Lösungen in noch nicht auskristallisierte CaCO3 Ablagerungen/Schlämme und auskristallisieren (Diagenese). Soda (Na2CO3): Entsteht in Salzböden arider Klimate  und in Alkaliböden.
• 3. Wie wird Calcit im Gelände nachgewiesen? Wie wird Dolomit im Gelände nachgewiesen? Der Nachweis von CaCO3 im Gelände erfolgt durch Auftropfen verdünnter Salzsäure (10% HCL). Aufbrausen mit unterschiedlicher Intensität zeigt CaCO3. Dolomit reagiert nur, wenn die Salzsäure erwärmt wird. Findet keine Reaktion statt, dann ist kein Carbonat vorhanden, bei 25-50% findet ein starkes, anhaltendes Aufschäumen statt Man unterscheidet zwischen 7 Stufen (c0 – c6). Calciumcarbonat ist das Salz einer sehr starken Base. CO3 ist eine schwache Säure. Schütten wir jetzt eine starke Säure wie HCL dazu, treibt die starke Säure die schwache Säure aus dem Salz heraus.
• 4. Welche Ionen existieren in einem System, das nur aus Wasser, CO2 und Calcit besteht? Es existieren Carbonationen.
• 5. Durch welche Kenngröße wird die in Wasser gelöste Konzentration des CO2 beschrieben? Von welchen Parametern ist diese Konzentration abhängig? Die Konzentration des in Wasser gelösten CO2 wird berechnet mit CO2-Partialdruck ⋅ Henry-Konstante. Der Partialdruck von CO2 beschreibt die in Wasser gelöste Menge von CO2.  Die Konzentration ist abhängig von der Henry-Konstante (Maß für die Gasaufnahmefähigkeit einer Lösung in Abhängigkeit der Temperatur) und der Dissoziation, d.h. es besteht ebenfallsein Zusammenhang zu der H+- Konzentration, die durch Kohlensäure entsteht. Die Konzentration ist abhängig von Luft- und Lösungstemperatur sowie dem pH-Wert der Bodenlösung.
• 6. Wie ist die Säurestärke der Kohlensäure? Kann man diese mit einer einfachen Zahl angeben? In welcher Form findet sich Kohlensäure bei pH-Werten um 9? Eine Angabe in einer genauen Zahl ist nicht möglich, da Kohlensäure zwei Dissoziationsstufen besitzt. Allerdings dominiert die erste Dissoziationsstufe mit einem pKs-Wert von 6,35, während die zweite Dissoziationsstufe mit einem pKs-Wert von 10,33 nicht ganz so bedeutend ist. Bei pH-Werten um 9 liegt Kohlensäure einfach protoniert als HCO3-Ionen vor. Hier dominiert die Form des Hydrogencarbonats. Carbonat ist ebenfalls vorhanden, aber in deutlich geringerer Konzentration als Hydrogencarbonat.
• 7. Nennen Sie den typischen Bereich der CO2-Partialdrücke in gut belüfteten Waldböden. Wie viel Calcium löst sich unter diesen Bedingungen, wenn man annimmt, dass das Calcit im Gleichgewicht mit der Kohlensäure und dem Wasser steht? Warum löst sich unter den Bedingungen natürlicher Böden bei höheren Temperaturen in der Regel mehr Carbonat als bei niedrigen Temperaturen? Bodentypische CO2-Partialdrücke liegen zwischen 0,3 kPa und 1,5 kPa. Es löst sich unter diesen Bedingungen 70 – 130 mg Calcium (bei Temperaturannahme von 4°C. Löslichkeit Carbonat: Zwar sinkt die Löslichkeit von CO2 mit zunehmender Temperatur, aber die Aktivität der Mikroorganismen und Vorgänge im Boden nimmt zu. So steigt bei zunehmender Temperatur der CO2-Partialdruck in der Bodenluft. Das Angebot an CO2 und mit ihm der Gehalt in der Bodenlösung nimmt also zu.
• 8. Wie entstehen Tropfsteine in Höhlen? Zusatzfrage: Wie entstehen Tropfsteine an Betonbauwerken u.ä.? Versickerndes Wasser löst CO₂ aus Bodenluft und Boden. Anschließend fließt es durch den Karst (Carbonatgestein) und löst dabei Carbonate auf, bis die Kalksättigung erreicht ist. Wenn das carbonatgesättigte Wasser an der Decke einer Höhle entlangfließt, bildet es Tropfen aus und gibt CO2 an die Umgebungsluft ab, da diese wenig CO₂ enthält (vor allem im oberen Bereich der Höhle -> CO₂ schwerer als andere Bestandteile der Luft). Da auch in Höhlen meistens Winde gehen, kommt es niemals zu einer Sättigung der Umgebungsluft mit CO2, weswegen sich der Kohlendioxidverlust immer fortsetzt. Carbonathaltiges Wasser braucht CO2 um das Carbonat in Lösung zu halten (Siehe auch Geomorphologie). Wenn zu viel Kohlendioxid verlorengeht, fällt Carbonat aus. An der Decke bilden sich hängende Tropfsteine, die Stalaktiten. An diesem rennen weitere Tropfen entlang, die auf den Boden fallen und dort wieder CO2 abgeben. Erneut fällt Carbonat aus und bildet einen Stalagmiten. Aus Co2 übersättigter Lösung In älteren Bauwerken findet sich oft Ca(OH)₂ im Beton. Wenn Wasser durch das Material perkuliert, nimmt es etwas Calciumhydroxid auf und verliert CO₂.  Es spült Ca(OH)₂ nach außen. Dort reagiert mit dem Kohlendioxid in der Luft und es fällt erneut aus, da die Lösung untersättigt ist. Das ausgefallene Calciumcarbonat bildet dann einen Tropfstein.
• 9. Nennen und beschreiben Sie kurz 4 Carbonatgesteine und ihre Entstehungsbedingungen. Was sind gebankte Kalke, was sind Massenkalke? Warum sind Massenkalke verwitterungsresistenter? Sinterkalk: Geschichtete Kalkkruste: Calcitablagerung durch CO2-Ausgasen von Kohlensäuregesättigtem Wasser bei Temperatur- und Druckänderungen (Tropfsteinhöhlen/Sinterterrassen) Kalkstein: Weißes, dichtes Gestein: Calcitausfällungen in flachen Gewässern aufgrund von Temperaturanstieg Schillkalk: Klastisches, weißes Gestein: durch Diagenese von Muschel- und Schneckenschalen Marmor: Je nach Verunreinigung auch farbliches, weiches metamorphes Gestein: durch Metamorphose verändertes Carbonatgestein Gebankte Kalke sind schichtweise abgelagerte Carbonatgesteine. Die Schichtung macht das Gestein heterogen und dadurch verwitterungsanfällig, da vertikale und horizontale Klüfte Angriffspunkte für die chemische Verwitterung darstellen. Massenkalke sind meist als Korallenriffe entstanden, homogen und dadurch verwitterungsresistenter.
• 10. Unter welchen Umweltbedingungen lagern sich Carbonatgesteine ab? Nennen Sie 3 Erdzeitalter, in denen in Mitteleuropa diese Bedingungen geherrscht haben, also aus denen Carbonatgesteine stammen. Unter marinen (alle im Meer ablaufenden oder mit dem Meer assoziierten Prozesse und sich bildende Formen) oder limnischen (auf die Umgebung eines Süßwassersees bezogen) Bedingungen lagern sich Carbonatgesteine ab. Meist in warmen und flachen Gewässern kommt es zu stärkerer Ablagerung. Erdzeitalter: Devon (Rheinische Schiefergebirge), Jura (Fränkische und schwäbische Alb), Kreidezeit (Pariser Becken), Tertiär (Alpenvorland)
• 11. Welches sind die 4 profilprägenden Prozesse in Carbonatböden? Welche Bodentypen entwickeln sich aus Carbonatgesteinen? Humusakkumulation bei hohem Ca2+ Gehalt, Gefügebildung (insbesondere abiotisch), Entcarbonatisierung, Anreicherung von pedogenen Sekundärcarbonat Es entwickeln sich Carbonat-Syrosem, Rendzina, Terra-Fusca und Terra-Rossa aus Carbonatgesteinen.
• 12. Beschreiben Sie die Rendzina, die bodenbildenden Prozesse und die Eigenschaften des Ah-Horizontes. Rendzina (Ah – cC) hat einen mächtigen, dunkel gefärbten Ah-Horizont (8 – 12%). Freies Carbonat ist bis zur Oberfläche vorhanden. Die biologische Aktivität ist hoch. Der Ah-Horizont besitzt ein ausgeprägtes, makroporenreiches Krümel bis Polyedergefüge. Meist ist im Boden viel Ton enthalten und viel Bodenskelett. Die Wasserversorgung ist schlecht und es herrschen Nährelementungleichgewichte. Rendzina kommt aus dem polnischen und heißt so viel wie „kratzen“, was sich auf den Skelettgehalt bezieht, der beim Pflügen stört. Eigenschaften des Ah-Horizonts: mächtig, dunkel, carbonathaltig, hoher Humusgehalt, hohe Bioturbation, Krümelgefüge Bodenbildende Prozesse: Der hohe Gehalt an Humus beruht auf der Stabilisierung von Huminstoffen durch Ca2+-Ionen, welche Calcium-Humate bilden und somit die negativ geladenen, funktionellen Gruppen der Huminstoffe absättigen. Abgesehen davon wird die chemische Stabilisierung einerseits durch eine hohe Bioturbation (Regenwürmer) und andererseits durch die Bildung von Ton-Humus-Komplexen (hoher Tongehalt) begünstigt. Für die Gefügebildung gibt es drei Gründe: Die Regenwürmer bilden ein Krümelgefüge aus. Die Polyederbildung findet in der Tonfraktion statt. Die Flockung und Kolloidbildung, welche durch die hohe Konzentration an Ca2+ Ionen hervorgerufen wird, dient der Gefügestabilisierung. Im Oberboden findet Entcarbonatisierung (durch CO2) statt. Sie führt zu einer hohen Konzentration von Ca2+ Ionen in der Bodenlösung, was wiederum eine Ca-Belegung von fast 100% an den Austauschern zur Folge hat.
• 13. Warum sind die Ah-Horizonte der Rendzinen besonders humusreich und dunkel gefärbt? Der hohe Gehalt an Humus beruht auf der Stabilisierung von Huminstoffen durch Ca2+ Ionen, welche Calcium-Humate bilden und somit die negativ geladenen, funktionellen Gruppen der Huminstoffe absättigen. Daraus folgt einerseits eine große Verwitterungsbeständigkeit (Schutz vor mikrobiellem Abbau) der Humate, weshalb sie lange erhalten bleiben. Darüber hinaus herrscht meist ein hoher Tongehalt und hohe Bioturbation, wodurch zusätzlich Ton-Humuskomplexe gebildet werden.
• 14. Im Vergleich zu Silikaten lösen sich Carbonate unter den Bedingungen des Bodens relativ schnell auf, dennoch ist der Übergang von der Rendzina zur Terra Fusca sehr langwierig. Warum? Terra Fusca besteht lediglich aus den Lösungsrückständen von Carbonatgestein. Da Carbonatgestein über 75% aus Calciumcarbonat besteht, muss immens viel Carbonat gelöst werden, bis ein Boden aus den Rückständen, die nur einen sehr geringen Anteil des Gesteins ausmachen, gebildet hat, was dementsprechend langwierig ist.
• 15. Beschreiben Sie die Entstehung und die Eigenschaften der Terra Fusca. Warum wird die Terra Fusca bei landwirtschaftlicher Nutzung auch als Stundenboden bezeichnet? Welcher Bodentyp hat sehr ähnliche ökologische Eigenschaften, wodurch unterscheidet er sich von der Terra Fusca? Terra Fusca entsteht aus den Lösungsrückständen von Carbonatgestein. Sie tritt aber meist in Lagen mit Zufuhr von Lösungsrückstand vom Oberhang auf. Lösseinwehung kann ebenfalls einen Volumenbeitrag leisten. Typisch für die Terra Fusca ist der carbonatfreie Oberboden (Ah) über tonreichen Unterbodenhorizont (T) auf carbonhaltigem Ausgangsgestein (cC). International wird dieser Bodentyp aber zu den Cambisols gezählt, welche der Braunerde entspricht. Grund dafür ist die Prägung durch einen hohen Tongehalt und das Polyedergefüge des Ah-Horizonts. Die Terra Fusca ist mäßig sauer und hat aufgrund der Tonfraktion ein gutes Wasserspeichervermögen. Der Ah- und der T-Horizont sind carbonatfrei. Stundenböden sind humusarme Karbonatböden mit sehr zähem Tonanteil, die schwer zu bearbeiten sind. Sie können nur in einem engen Zeitfenster gepflügt werden, wenn sie einen bestimmten Wassergehalt haben. Zu trocken → wird sehr hart, zu nass → schmierig. Terra Rossa weist ähnliche ökologische Eigenschaften auf. Es dominieren jedoch tief rot gefärbte Eisenoxide, die auf klimabedingt abweichende Oxidationsbedingungen zurückgehen. Beide haben einen hohen Tongehalt.
• 16. Warum sind Böden aus Carbonatgestein oft sehr tonreich? Tonreiche Böden können quellen und schrumpfen. Handelt es sich um symmetrische Prozesse? Carbonatgesteine entstehen unter marinen oder limnischen Bedingungen in flachen und warmen Gewässern, in denen sich gelöste Schwebestoffe befinden, die in die Carbonatgesteine mit eingebunden werden und so für die tonreichen Carbonatböden sorgen. Quellung und Schrumpfung ist keine symmetrische Hin- und Rückreaktion. Die Schrumpfung ist nicht reversibel. Bei Wassermangel entsteht zwischen Tonpartikeln eine Zugspannung durch Wassermenisken, die den Abstand zwischen den Partikeln verringern und das Gefüge schrumpfen und reißen lassen. Umgekehrt entstehen aber bei Wasserüberschuss keine Druckkräfte, die die Partikel wieder verbinden könnten.
• 17. Beschreiben sie das Polyedergefüge. Warum quellen die Makroporen zwischen den Polyeder bei starkem Regen nicht zu? Die Bildung von scharfkantigen Polyedern, die dadurch entstehen, dass sich zwischen Partikeln im Bewegungsgleichgewicht in geraden Linien Zugspannungen ausbilden und senkrecht zu diesen Linien Risse entstehen. Durch diese symmetrische Kraftwirkung verlaufen die Risse gerade und bilden polygonale Strukturen.
• 18. Was ist Sekundärcarbonat? Sekundäres oder auch pedogenes Carbonat entsteht durch Ausfällung aus der Bodenlösung, meist nach Verlagerung vom Ort der Lösung des Primärcarbonates.
• 19. Woraus entsteht die Terra Rossa, wie sieht sie aus, wo kommt sie häufig vor? Terra Rossa entsteht ebenfalls aus tonreichen Lösungsrückständen von Carbonatgesteinen. Sie ist durch Eisenoxide (Hämatit) tiefrot gefärbt, was wohl auf klimabedingt abweichende Oxidationsbedingungen zurückgeht. Sie ist vor allem im Mittelmeerraum ein weit verbreiteter Bodentyp.

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