2.9.2 „Text für Schüler/innen“ zum„Anwendungsbeispiel Geologie – Salz“

Was ist Salz?Eine Definition:Evaporite, Salzgesteine, chemische Sedimente und Sedimentgesteine, die durch intensive Verdunstung oder gar Eindunstung saliner wässriger Lösungen entstehen. Salinare Lösung kann dabei Meerwasser (Bildung von marinen Evaporiten) oder aber Grundwasser bzw. Porenwasser (Bildung von terrestrischen Evaporiten) sein. (Lexikon der Geowissenschaften 2001)

Wasser auf der Erde.Die Gesamtmenge des auf der Erde vorhandenen Wassers beträgt etwa 1,4 Mrd. km3. Nur rund 2,4 % dieses Wassers ist Süßwasser, davon sind aber nur etwas mehr als 0,1 % der Nutzung durch den Menschen zugänglich. Der Rest, also 97,6% entfällt auf das Salzwasser in den Ozeanen

Zusammensetzung des Meerwassers

Kationen Salzgehalt g/l

Salzgehalt %

Na Na+ 10,47 30,0Mg Mg2+ 1,28 3,7Ca Ca2+ 0,41 1,2K K+ 0,38 1,1Sr Sr2+ 0,013 0,05

AnionenChloride Cl- 18,97 55,2Sulfate SO4

2- 2,65 7,7Bromide B- 0,065 0,2Bicarbonate HCO3- 0,14 0,4Borate BO3

3- 0,027 0,08

Summe 34,4 99,6Tabelle 1: Kationen- und Anionengehalt von Meerwasser. Angabe in Gramm pro kg und in Prozentanteil an der Salinität (Salzgehalt/Salzkonzentration). Die Angaben sind bezogen auf den Durchschnittswert über die Ozeane, also auf eine mittlere Salinität von 34,4 Gramm/kg. (Bearbeitet nach Lexikon der Geowissenschaften 2001)

Im Meerwasser sind alle natürlichen chemischen Elemente nachzuweisen. Die Tabelle beschränkt sich aber auf die Angabe von 5 Kationen und 5 Anionen und das hat seinen Grund. Die angegebenen Ionen bestimmen tatsächlich ca. 99% der Salinität des Meerwassers.

Welche Salzkonzentration treten in den Meeren auf?

Einige Beispiele:• Ostsee <20g/l bis nahezu Süßwasser in den inneren Teilen. • Nordpolarmeer 32g/l• Nordsee 35 – 34 g/l ; • Mittelmeer bis 39 g/l; • Persischer Golf bis 40 g/l; • Rotes Meer bis 41 g/l.• Eine Extrem bildet das Tote Meer mit einem Salzgehalt bis zu 330 g/l

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Abb. 1: Die Erdzeitalter - Flyer von Spektrum der Wissenschaft.

Hatten die Meere immer die gleiche Konzentration an Salz?

Der Salzgehalt der Meere entwickelte sich über einen längeren Zeitraum.Der Prozess begann bereits in der Frühphase des Planeten Erde vor etwa 4.5. Mrd. Jahren. Gegen Ende des Proterozoikums, vor etwa 1 Mrd. Jahre (s. Abb. 1 ) war wohl die heutige Zusammensetzung erreicht.

Vor etwa 570 Mio. Jahren wurden die ersten Salzlagerstätten auf der Erde gebildet. (Zur Bildung der Salzlagerstätten später mehr).

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Woher wissen Geologen das alles? Vor 1 Mrd. Jahre gab es noch keine Menschen, das Leben existierte in Form von Einzellern im Meerwasser. Also keine Zeitungen, keine Bücher, keine Computer, aber vor allem niemand der Informationen weitergeben konnte.Und doch gibt es Informationen aus dieser Zeit. Informationen, die sich in den Gesteinen befinden. Geologen beziehen ihre Informationen aus Beobachtungen und Untersuchungen dieser Gesteine. Sie beschreiben und analysieren die Gesteine und vergleichen ihre Ergebnisse mit denen von Gesteinen, die sich aktuell bilden. Wenn man diese Bildung nicht beobachten kann, versucht man sie im Labor oder in Werkstätten in Experimenten nachzuvollziehen. Bis etwa das gleiche Ergebnis/Produkt herauskommt. In der Annahme, dass die geologischen Prozesse der Vergangenheit in vergleichbarer Weise wie heute abgelaufen sind, sind Geologen/innen damit in der Lage, bestimmte Prozesse und Phasen in der zurückliegenden Erdgeschichte zu rekonstruieren.

Dieses methodische Vorgehensweise wird als„Prinzip des Aktualismus“

bezeichnet.

• In der Erdgeschichte dient es dazu, aus der Kenntnis der Gegenwart zum Verständnis der Vergangenheit zu gelangen.

• Es hilft aber nicht nur, Vergangenes zu rekonstruieren, es ermöglicht gleichermaßen aus der Kenntnis des Bekannten zum Verständnis des Unbekannten zu gelangen, z.B. bei der Erforschung des Erdinneren.

• Es hilft aber auch, aus der Kenntnis der Gegenwart auf die Zukunft zu schließen, also z.B. Vorhersagen für bestimmte geologische Prozesse zu machen.

Wenden wir den Aktualismus auf die Bildung von Salzlagerstätten an.

Wie kommt es zur Bildung von Salzlagerstätten?Im Prinzip nicht anders als wir es in unserem Experiment 2 zum Zusammenhang von Dichte und Salzkonzentration gemacht haben.

Wir haben Salz in Wasser gelöst, das Wasser verdampft und einen kristallisierten Rückstand an Salz erhalten, den wir dann gewogen haben.

Definition Lagerstätte:Lagerstätte, natürliche Anhäufung von Rohstoffen (Erze, Industriemineralien, Braunkohle und Steinkohle, Erdöl und Erdgas, Steine-und-Erden-Lagerstätten) in geologischen Körpern in der Erde oder an der Erdoberfläche, die in solcher Menge und/oder Anreicherung technisch erreichbar vorkommen, dass sich ihre Gewinnung wirtschaftlich lohnt. (Lexikon der Geowissenschaften 2001)

Für die Bildung der Salzlagerstätten haben Geologen Modelle entwickelt.

• Zur Bildung von Salzgesteinen kommt es in abgeschnürten Meeresbecken unter heißen und trockenen Klima-Bedingungen.

• Wichtig ist für derartige Bereiche, dass die Verdunstung größer ist als der Niederschlag.

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Das Modell das für die Salzausscheidung entwickelt wurde, geht auf den Geologen Richter-Bernburg (1953) zurück. Es wird als „Barrentheorie“ bezeichnet. Der Begriff Barre bezeichnet eine untermeerische Schwelle. Durch diese Schwelle wird die Zirkulation des Meerwassers für bestimmte Bereiche eingeschränkt.

Die Verdunstung von Meerwasser verläuft am Besten im flachen Wasser, das von der Sonne gut durchwärmt ist, dies ist der Bereich in Ufernähe. Die Barre trennt das offene Meer gegen eine Lagune ab, damit fördert sie den Zulauf von Salzwasser im Oberstrom. Durch Verdunstung steigt die Dichte des Salzwassers im abgeschnürten Bereich, es sinkt ab. Die Barre verhindert den Rückstrom des Salzes mit dem Unterstrom, da es jetzt eine höhere Dichte hat. Langsam steigt so die Konzentration und die ersten Salze kristallisieren im tieferen Bereich des Beckens aus. (Abbildung. 2)

Die folgende Abbildung zeigt die Entwicklung der Salzausscheidung nach dieser Theorie.

Abb. 2: Barrentheorie. Schema zur Bildung von Salzlagerstätten. Richter, D.; Allgemeine Geologie; Berlin 1992; S. 126

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Entscheidend für die Bildung von Salzablagerungen und die Abfolge der Salze ist die Löslichkeit. Die folgende Tabelle zeigt den Zusammenhang ausgehend von einem Liter Wasser, der langsam verdunstet.

Abfolgeder

Salz-aussche

idung

Kristallisationdurch:

Verdunstungsrest Wasser

bezogen auf 1 Liter

Ausgangsmenge

Ausgeschiedene

Salzphase

Zusammensetzung

LöslichkeitBei 20°C

in g/l

a)

b)

Bei Erhöhung der Temperatur oder

Zufuhr von CO2 .

~ 1000 ml Kalk CaCO3

0,014

Dolomit (Mg,Ca) CO3

0,106

c) Bei Einengung auf 294 ml Gips undAnhydrit

CaSO4H2O CaSO4

2,036

d) Bei Einengung auf 105 ml Steinsalz und

Anhydrit

CaSO4

NaCl 358,5

e) Bei Einengung auf 17 ml Edelsalze = Sylvin,Carnalit,

Kainit

KCl, MgCl26H2O

343,5542,5

f) SalztonTon als Überdeckung, der das Salz vor dem Absaugen durch das über der Barre neu einströmende Meerwassers schützen.

Tabelle 2: Salzabscheidung. Ausscheidungsabfolge und Löslichkeit der Salze bezogen auf die „Barrentheorie“.

Irgendwann aber hörte die Salzbildung hört auf. Ganz normale Sedimente, wie Sand oder Ton werden auf den Salzablagerungen abgelagert.

Sedimente bestehen aus Gesteinsbruchstücken die von Flüssen oder durch den Wind als Verwitterungsschutt aus den Gebirgen ins Meer verfrachtet und dort abgelagert werden. Für Verwitterungsprozesse braucht es Wasser, damit die Gesteine auch chemisch aufgelöst werden können. Und auch die Flüsse brauchen Wasser, um den Verwitterungsschutt zu transportieren. Offensichtlich haben sich die klimatischen Bedingungen verändert, die Verdunstung hört auf und die Niederschlagsmengen haben deutlich zugenommen. Bedingungen, die wir nur in anderen Klimabereichen erwarten.

Was ist passiert? • Hat sich das Klima verändert?• Hat eine Katastrophe stattgefunden?

Wir verknüpfen die Überlegungen zu diesen Fragen mit einer anderen Frage.

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Wie kommen die Salzlagerstätten nach Norddeutschland???

Wir beziehen unser Salz aus Norddeutschland und zwar nicht aus Salinen, denn dort wird sich auf die geschilderte Weise kein Salz bilden, sondern aus Bergwerken.Salz findet man unter Lüneburg und vor allem in der Umgebung von Salzgitter, wo sich auch einige Salzbergwerke befinden, aber auch in Thüringen, nicht weit von hier. Die Salzlagerstätten in Deutschland haben eine Ausbreitung von einigen hundert Kilometern in der Länge und in der Breite. Sie befinden sich in einigen hundert Metern Tiefe.

Auch hierauf wissen Geologen Antwort.

Die Salzbildung ist an die Klimazonen gebunden. Das Klima wandert nicht. Also müssen die Kontinente gewandert sein, wenn wir heute Salz in Regionen

finden, in denen es normalerweise nicht entstehen kann. Auch das Ende der Salzausscheidung wäre so zu erklären.

Die Erklärung der Geologen hierfür ist die Kontinentalverschiebung. Ein besserer Begriff ist Plattentektonik. Ein Konzept mit dem Geologen sehr viele Prozesse auf der Erde erklären können.

Nach dem Konzept der Plattentektonik ist die Erdoberfläche aufgeteilt in Platten. An den Plattengrenzen wird entweder neue Erdkruste produziert oder Erdkruste verschwindet durch „Verschluckung“ (Subduktion). (Dazu später mehr.....)

Die Platten sind in ständiger Bewegung. Die Geschwindigkeit liegt zwischen 1 und 20 cm/Jahr.Die Zahlen klingen sehr klein aber auf geologische Zeiträume bezogen sieht das schon anders aus.

Zur Orientierung: • 1 mm/Jahr = 1 km/Mio. Jahre• 1 cm/Jahr = 10 km/Mio. Jahre

Die folgende Abbildung 3 zeigt eine Rekonstruktion der Plattenbewegungen auf der Erde für die vergangenen 540 Mio. Jahre.

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Abb. 3: Die Entwicklung der Konstellation von Kontinenten und Ozeanen in den vergangenen 540 Mio. Jahren. aus : Dynamik der Erde, Sammelband Spektrum der Wissenschaft, Hg. R. Siever; Heidelberg 1987; S. 12

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Einige grundlegende Erläuterungen zur Plattentektonik.

Nach dem Konzept der Plattentektonik ist die Erdoberfläche aufgeteilt in Platten.Die folgende Abbildung zeigt die Erde aus plattentektonischer Sicht:Sie besteht aus 6 Großplatten und einer Reihe von kleinere oder Mikroplatten. Die Abbildung zeigt die Bewegungsrichtungen der Platten und die Geschwindigkeiten der Plattenbewegung in cm/Jahr (cm/a). Die Zahlen klingen sehr klein aber auf geologische Zeiträume bezogen sieht das schon anders aus.Noch einmal zur Erinnerung: 1 mm/a = 1km/Mio.a oder 1 cm= 10 km/Mio.a

Abb. 4: Platten und Plattengrenzen. Bahlburg, Heinrich. & Breitkreuz, Christoph. Grundlagen der Geologie. Stuttgart 1998. S. 156

Wenn sich große Teile der Erdkruste Aufeinanderzu- oder Voneinanderwegbewegen muss es dafür Antriebskräfte geben.

Was ist der Motor für diese Bewegung?

Wo kommen die Kräfte für die ständige Bewegung her?

Wir suchen in der Erde.

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Abb. 5: Die Erde im Schnitt. Im Zentrum der heiße Erdkern. Er besteht aus einem festen inneren Kern und einem flüssigen äußeren Kern. Darüber wölbt sich der Erdmantel. Die Erdkruste mit einer durchschnittlichen Mächtigkeit von 35 km ist die dünne äußere Haut des Planeten und unser Lebensraum. Die enorme Hitze im Erdinnern ist der Motor für die Plattentektonik und im weiteren Sinn für fast alle dynamischen Prozesse des Erdkörpers.(GFZ-Potsdam 2002).

Die wichtigsten Daten im Überblick.

Abb. 6: Aufbau der Erde. Bearbeitet nach: Möller, P. 1986; S. 97. Die Temperaturangaben aus Lanius, K. - Die Erde im Wandel, 1994; S.79f. und Strobach, K. 1991; S. 165.

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≈ 1800 Kelvin

2700 Kelvin

4000 ± 200 Kelvin

4850 ± 200 Kelvin

Thermische Grenzschicht

Abb. 7: Entwicklung eines Mittelozeanischen Rückens. (FU-Berlin, CD-Rom. Die Erde der dynamische Planet, 2003)

Abb. 8: Schema für die wichtigsten Bereiche der Plattentektonik und die Plattengrenzen. (Press&Siever, Allgemeine Geologie. 2002)

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Wie wird Salz gewonnen?

Es gibt im wesentlichen drei Verfahren. Dabei kommt es darauf an, wofür das Salz Verwendung finden soll.

1. Das Salz wird im Bergwerk abgebaut und gemahlen. So kann es für industrielle Zwecke verwendet werden.

2. Durch Eindampfen und Trocknen von gesättigten Solen in flachen Siedepfannen (Sole- oder Sudsalz), erhält man das weiße, feinkörnige Siedesalz, das als Tafelsalz verwendet wird. Dazu werden auch die in Bergwerken gewonnen Salze verwendet.

3. Durch Eindunsten von Meerwasser in Salinen gewinnt man in wärmeren Ländern das Meer-, See- oder Baysalz.

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