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HvE - System Erde IIa

System Erde II

Exogene DynamikVerwitterung, Erosion, Transport und Ablagerung

Hilmar v. EynattenAbt. Sedimentologie/Umweltgeologie

SS 20138.4. - 3.6. (15 Doppelstunden, Klausur am ??.6.13)


Modul B.Geo.103a

System Erde IIa: Exogene Dynamik

Lehrveranstaltung 1: Vorlesung (2 SWS, 600063)

Mo, Mi 10-12 MN1415 Termine Mo, 8.4. – Mo, 3.6. HvE

Lehrveranstaltung 2: Übung Sedimente und Sedimentgesteine (2SWS, 600196)

MN16 3 GruppenMo 13-16 / Mo 16-19 / Fr 13-16 ID / ID / GM6 Termine Mo, 8.4. – Fr, 17.5.Testat 45 min (PVL)

Klausur (90 min) im Juni 2013; Termin wird noch bekanntgegeben

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Literatur

- Press, F. & Siever, R.: Understanding Earth, 4. Auflage, 2004.dt. Übersetzung: Allgemeine Geologie, 5. Auflage, 2008.

- Bahlburg, H., Breitkreuz, C.: Grundlagen der Geologie, 4. Auflage, 2012.

- Jacobshagen, V., et al.: Einführung in die geologischen Wissenschaften,2000.

- Leeder, M.: Sedimentology and Sedimentary Basins, 1999.

- Allen, P.A.: Earth Surface Processes, 1997.

- Füchtbauer, H.: Sedimente und Sedimentgesteine, 1988.

- Degens, E.T.: Perspectives on Biogeochemistry, 1989.

Skript: http://www.sediment.uni-goettingen.de/skript.html


Der Kreislaufder Gesteine

1. Exogene Dynamik - was ist das ?

Jacobshagen et al. 2000

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Der exogene Teil des Gesteinskreislauf

Press & Siever 2001


Hypsometrisches Diagramm (Höhenverteilung) der Erde

Σ EO ~ 510 * 106 km2

Bah

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Exogene Dynamik

⇒ ∑ aller "exogenen" geologischen ProzesseDas sind diejenigen Prozesse, die die Gestalt und die Zusammensetzung der Erdoberfläche, d.h. der Schnittstelle zwischen Lithosphäre, Hydrosphäre und Atmosphäre, unter Einfluss von Temperatur (Sonne!), Wasser bzw. Eis, Luft, Schwerkraft und der belebten Welt (Biosphäre) bestimmen.

Lithosphäre: kont. und ozean. Erdkruste + lithosphärischer (fester) Mantel

Biosphäre: Gesamtheit des Lebens auf der Erde; intensive Interaktion mitAtmosphäre (Photosynthese!), Hydrosphäre (CO2-Kreislauf) und Lithossphäre("deep biosphere")

Atmosphäre: Gasgemisch, dass die Erde umhüllt (78.08% N2, 20.98% O2,0.93% Ar, 0.03% CO2; + Spuren weiterer Edelgase, H2, CH4, N2O, ...)

Hydrosphäre: Das gesamte Wasser in Ozeanen, Gletschern, Seen + Flüssen, das Grundwasser sowie H2O-Dampf in der Atmosphäre. Die Erde ist der einzige Wasser-reiche Planet in unserem Sonnensystem!

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Treibende Kräfte

Degens 1989

Press & Siever 2001

HvE - System Erde IIa Degens 1989

Schalenbau der Erde inkl. Atmosphäre/Exosphäre

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Sonneneinstrahlung und atmosphärische Zirkulation

Bah

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Bre

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012


nivale Zone: Niederschlag gering, <250mm, meist Schnee,mittl. Temp. 15 bis -45°C, <90 Tage frostfrei,N > V

humide Zone: Niederschlag 250 - 2000mm (gemäßigt-humid),2000 - 5000mm (tropisch-humid), N > Vmittl. Temp. ~0 (-10, kont.) bis 22°C (gemäßigt)± konst. Temp. in den Tropen

aride Zone: Niederschlag gering, <250mm (episodisch !),N < V (potentiell !), mittl. Temp. 12 bis 36°C,sehr hoher Tagesgang

Klimazonen der Erde

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Bahlburg & Breitkreuz 2012Klimazonen der Erde


Sedimente/Sedimentgesteine: Verbreitung

Press & Siever 2001

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HvE - System Erde IIa http://www.ngdc.noaa.gov


Bahlburg & Breitkreuz 1998

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t 0t 0

t 1

t 2

t 2

t 1

Erosion Ablagerung(off-shore)

Stra

nd

→ exakte (Zeit-)Zeugen dessen, was an der EO passiert

Sedimente/Sedimentgesteine: Bedeutung


Sedimente/Sedimentgesteine: Bedeutung

• enge Kopplung mit endogenen Prozessen

• sehr gute Klima- und Umwelt- “Archive“

• großer Anteil an den Bodenschätzen

• Grundwasser-Aquifere größtenteils in Sedimenten

• Standorte für Deponien und Endlager

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Sedimente als Klima- und Umweltarchive

Kienel & Negendank (2002)

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Sedimente als Klima- und Umweltarchive

Hettwer et al. 2003, Water Soil Air Poll

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Abb.: Produktion mineralischer Rohstoffe in der Welt im Jahr 1996 nach ihrer Menge (1000 t, Erdgas in Mio. m3); aus Wellmer & Becker-Platen (1999)

± ausschließlichsedimentäre (exogene)Rohstoffe

Massenrohstoffe

Die wichtigsten Massen-rohstoffe sind sedimentär entstanden


Wasserkreislauf


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Verteilung von Wasser auf die einzelnen Reservoire auf der Erde

Press & Siever 2001

HvE - System Erde IIa Leeder (1999)

Was

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Grundwasser

„Sohlschicht“, GW-NichtleiterPress & Siever 2001

gesättigte Zone

Grundwasserleiter

GW-OberflächeKapillarsaum

ungesättigte Zone„Deckschicht“

Sickerwasserzone

HvE - System Erde IIaJacobshagen et al. 2000

Grundwasser

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Press & Siever 1997

Grundwasser


Press & Siever 1997

Grundwasser

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Der Wasserkreislauf der Erde: Die Evaporation über Meer und Land entspricht der Summe der Nieder-schläge. Die Evaporation über dem Meer entspricht dem dortigen Niederschlag plus dem Wassereintrag vom Kontinent über Flüsse ("Runoff"). Die Evaporation über dem Land entspricht dem dortigen Nieder-schlag abzüglich dem Runoff. Alle Angaben in 1000 km3 pro Jahr (Press & Siever 2001)

- - +

-

Wasserkreislauf / Wasserbilanz der Erde


2. Verwitterung2. Verwitterung

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2. Verwitterung

⇒ Summe aller Prozesse, die zu Veränderungen der Minerale und folglich auch der Gesteine im Bereich der Erdoberfläche im Kontakt zu Atmosphäre, Hydrosphä-re und Biosphäre führen.

Chemische Verwitterung: chemische Reaktionen, die zur Auflösung und/oderMineralneubildung führen, i.d.R. Wasser als chemisch

aktives Reagens

Physikalische Verwitterung: mechanische Zerstörung des Ausgangsmaterials,Zerkleinerung, aber keine chemische Umwandlung

Prinzip: Verwitterung passt die Gesteine an die physikalisch-chemischen Bedingungen an der Erdoberfläche an, d.h. die Gesteine werden in an der Erdoberfläche stabile Formen überführt!


Physikalische Verwitterung

⇒ Druckentlastung: bei Exhumierung durch Entfernung der Auflast,laterale Druckentlastung durch Erosion / Eintalung

Ursachen der physikalischen Verwitterung sind:

⇒ Temperaturwechsel: unterschiedliche materialspezifische Ausdehnung,thermisch bedingte Spannungen → "Vergrusung"

⇒ Frostsprengung: Volumenausdehnung von gefrorenem Wasser in Rissen, Klüften; Drücke bis zu 210 N/mm2 bei -22°C

⇒ Kristallisation: Kristallisation von Salz (NaCl, CaSO4 x 2H2O, CaCO3)in Poren und Klüften infolge von Evaporation von ka-pillar aufsteigendem Grundwasser (aride Gebiete!)

⇒ biolog.-physikalische: Zelldruck von Wurzeln → Klufterweiterung,Ursachen Bioturbation

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Zerkleinerung und (reaktive) Oberfläche

Press & Siever 1997



Prinzip der „Wollsack“-Verwitterung

⇒ starker Anteil an chemischer Verwitterung !

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Exfoliation im Granit - Yosemite Park, Kalifornien

Press & Siever 1997


Chemische Verwitterung

Chemische Verwitterung ist das Resultat einer Reihe von chemischen Reaktionen zwischen Mineralen (in Gesteinen, Lockersedimenten, Böden) und Fluiden (Was-ser, Luft und die darin enthaltene Stoffe)

Bei diesen Reaktionen werden einige Minerale aufgelöst, andere reagieren mit Wasser bzw. Luft und deren Komponenten unter Bildung anderer Minerale oder chemischer Verbindungen. Andere Minerale sind wiederum nahezu völlig stabil.

Die chemische Verwitterung ist ein selektiver Prozess !

Wasser ist das wichtigste chemische Reagens bei der Verwitterung

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Chemie des Wassers

OH

HH2O 105°

2H2O ⇔ H3O+ + OH-

+- Dipol-Charakter

wenn Konzentration an Protonen H+(H3O+) 10-7 mol/kg

→ pH - Wert = 7

pH < 7: sauer pH > 7: alkalisch


Allen (1997)

CaCO3 imMeerwasser

SiO2 (amorpheKieselsäure)

Al2O3 / Al(OH)3

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Fe2+ ⇔ Fe3+ + e-

Oxidation - Reduktion

Eh-Wert: Redox-Potential inwässrigen Lösungen relativzur Reaktion (in mV)

2H+ + 2e- ⇔ H2

→ Eh-pH Diagramme


Ionenpotential=

Ionenladung z

Ionenradius r

⇒

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⇒ Hydratation: einfache Lösung von Chloriden, Sulfaten, Nitraten in(Lösungsverwitterung) wässrigen Lösungen (z.B. ~350g Halit in 1l Wasser)

Chemische Verwitterung wird meist eingeteilt in:

⇒ Hydrolyse: Reaktion von Mineralen mit Wasser, Austausch vonH+-Ionen gegen Kationen (Alkali-, Erdalkalimetalle),Neubildung wasserführender Phasen (Tonminerale)

⇒ Oxidation: Austausch von Elektronen. Polyvalente Kationen(Fe, Mn) werden oxidiert (geben Elektronen ab, z.B.Fe2+ → Fe3+) und verbinden sich mit Sauerstoff(nimmt die Elektronen auf)

⇒ biologisch-chemisch: tierisch-pflanzliche Abbauprodukte → organ. Säuren⇒ pH ↓, Bildung metall-organischer Komplexe

⇒ „Rauchgas“-Verw.: Salzausblühungen aufgrund anthropogen/vulkanogenbedingter hoher CO2, SO2 und NOx-Gehalte im Regen


Hydrolyse – Modellfall Feldspat-Verwitterung

2 K[AlSi3O8] + 2 H+ + 2 HCO3- + H2O ⇒ Al2[Si2O5/(OH)4] + 4 SiO2 + 2K+ +2 HCO3

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- Feldspäte sind häufigstes Mineral in der kontinentalen Erdkruste

- Feldspäte sind, wie viele andere Silikate, anfällig für hydrolytische Umwandlung

K[AlSi3O8]

Silikat + Wasser ⇒ Tonmineral + Lösungsfracht

K-Feldspat + Wasser ⇒ Kaolinit + Lösungsfracht (?)

Al2[Si2O5/(OH)4]H2O Si K

H2O + CO2 ⇒ H2CO3 (Kohlensäure)

H2CO3 + H2O ⇒ H+ + H2O + HCO3-

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Was ist passiert ?


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Leeder (1999)

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10 µm

REM-Fotos (Rasterelektronenmikroskop) von nicht (links), wenig (Mitte) und stark (rechts) angeätzten Feldspat-Körnern aus einem Bodenprofil. Die gleichen Strukturen zeigen sich bei Laborexperimenten mit HF (Berner, 1977, Geology).

1 µm 1 µm


Oxidation: z.B. Fe-Silikate

Press & Siever 2001

Fe-freie Kettensilikate (z.B. Diopsid,Tremolit, verwittern im Prinzip wieFeldspäte

Eisen - führende Silikate ?Pyroxene, Olivin, Biotit, Amphibole, etc.

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Kontrollierende Faktorender Verwitterung

- Gesteinszusammensetzung

- ZEIT !!!

- Bodenbildung,organische Aktivität

- Topografie

- Klima → Temperatur→ Niederschlag

Press & Siever 2001


Skinner & Porter 1989

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HvE - System Erde IIaLeeder 1999

Lösungs-kinetik


Verwitterungsresistenz der Minerale vs. Bowen´sche ReaktionsreiheB

ahlb

urg

& B

reitk

reuz

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