Dienstag, 8. Dezember 2009

die "Welt" über Geologie, oder; wie verwittert Biotit

Man sollte sich doch eigentlich freuen, wenn Geothemen in der Presse verbreitet werden. Wenn man sich dann aber die betreffenden Artikel ansieht, so fallen einem natürlich auch immer sofort die Fehler auf. Das ist an sich ja auch nicht verwunderlich, ich kann ja auch kaum von einem Journalisten erwarten, dass er sich auf ein entsprechendes fachliches Niveau begibt, bevor er einen simplen Artikel schreibt. Trotzdem, ab und an muss ich mich dann als alter Korinthenkacker über die Ergüsse auslassen und hoffe, manches dann richtig stellen zu können. Denn dieser Artikel über Verwitterung aus der "Welt" (via geoberg) hat es wirklich in sich. Abgesehen davon habe ich eine gesunde Skepsis gegenüber einer Zeitung, die gewissen Werken eines Solinger Bauingenieurs eine "sexy" Besprechung lieferte, die bar jeglichen Fachwissens war. Vielleicht ist das einer der Gründe, warum ich da wirklich kleinlich bin.
Aber gehen wir den Artikel mal der Reihe nach durch:

Felsen verwittern nicht nur durch physikalische, sondern auch durch biologische Einflüsse.
Aha. Haben wir da nicht noch was vergessen? Ich meine ja nur, dass ich mich an so etwas wie chemische Verwitterung erinnern kann. Gut, ist schon OK, wenn der normale Journalist von dieser Sonderform noch nichts gehört hat, die den größten teil der tropischen Böden gebildet hat und beispielsweise in Afrika für die Formung der Landschaft zuständig ist. Stichwort Laterit. Die chemische Verwitterung ist im Übrigen auch ein wichtiger Prozess für die Bildung bestimmter Lagerstätten, wie beispielsweise Bauxit (Aluminium). Auch für Nickelerze sind diese chemischen Verwitterungsprozesse bedeutsam, so haben sich die Nickelerze auf Neukaledonien durch die intensive chemische Verwitterung von normalerweise nur schwach nickelhaltigen Gesteinen gebildet. Natürlich können auch Lebewesen in diese Prozesse eingreifen. Dazu gehören nicht nur Pilze, wie die dem Artikel zugrunde liegende Publikation zeigt, sondern auch verschiedene Mikroorganismen.

Am Beispiel von Biotit, einem dunklen Glimmermineral, das häufig in Urgesteinen vorkommt,...
Äh, was sind denn Urgesteine? Das ist eine Frage, die nicht nur ich mir stelle. Denn der Begriff wird in der Geologie eigentlich seit fast 150 Jahren nicht mehr verwendet. "Urgestein" entstammt einer Zeit, als man davon ausging, dass bestimmte Gesteine wie beispielsweise metamorphe Gesteine oder die Tiefengesteine sich am Beginn der Erde gebildet hätten, unter Bedingungen, wie sie heute nicht mehr vorkommen. Das Wort wurde von den Vorstellungen Abraham Gottlieb Werners entscheidend mitgeprägt, und sollte heute, auch aufgrund seiner Unschärfe, eigentlich nur noch im historischen Kontext verwendet werden. Interessant finde ich in diesem Zusammenhang wieder, das der damals so "sexy" von der Welt besprochene Zillmer ebenfalls ein großer Freund der historischen Begriffe ist, die er gerne und ausgiebig (und leider auch ebenso gerne sinnentstellend) verwendet. Ein Schelm, der hier einen näheren Zusammenhang vermuten möchte.
Aber bleiben wir beim Thema. Biotit ist wirklich ein sehr schönes Beispiel, weil er als dunkles Glimmermineral in metamorphen und auch in magmatischen Gesteinen recht weit verbreitet ist. Außerdem lässt sich seine Verwitterung auch sehr gut beobachten.

Stößt eine Wurzel mit dem sie umgebenden Pilzgeflecht auf einen Biotitkristall, dann schmiegt sich ein Pilzfaden eng an den Kristall und übt auf ihn einen Druck aus, der dem eines Autoreifens entspricht. Nach dieser physikalischen Attacke, die den Kristall unter Spannung setzt, erfolgt ein chemischer Angriff. Der Pilz gibt Verdauungssäfte ab, die aus dem Kristall lebenswichtige Elemente wie Natrium herauslösen.
Äh, ja. Nun, Biotit ist, wie ich schon erwähnte, ein Glimmer, also ein Schichtsilikat. Ich bezweifel arg, ob man für die Zersetzung von Biotit so viel Druck braucht, jedenfalls nicht einen durch anschmiegen. Aber in diesem Absatz zeigt der Autor auch, dass er es sehr erfolgreich vermieden hat, auch nur mal kurz bei Wikipedia unter Biotit nachzuschauen. Denn sonst wäre ihm sicher nicht entgangen, dass Biotit ausgerechnet Natrium nicht enthält. Folglich kann man also auch kein Natrium aus ihm herauslösen. Biotit ist nämlich eigentlich ein Mischkristall. Also eine Mischung aus verschiedenen Mineralen, nämlich Annit (Eisen-haltig) und Phogopit (Magnesium-haltig). Dazu kommt oft noch ein Austausch von Eisen und Magnesium gegen Aluminium. Daraus ergeben sich gewisse Probleme für das Mineral, es muss die unterschiedlichen Ladungen ausgleichen (schließlich will es ja neutral bleiben). Dadurch wird in dem Silikat auf verschiedenen Positionen Silizium gegen Aluminium auf den Tetraederpositionen ersetzt, was die ganze Mischkristallreihe etwas komplizierter macht. Am einfachsten lässt es sich grafisch darstellen:


Hier sind die Endglieder der Biotit-Mischungsreihe dargestellt. Im grau unterlegten Feld finden sich die allermeisten natürlich vorkommenden Biotite. Wie unschwer zu erkennen, spielt Natrium keine Rolle (aus: Deer, W. A., Howie, R. A. & Zussman, J., 1992. An Introduction to the Rock Forming Minerals. Longman Group, Burnt Mill, Harlow).

In seiner Eigenschaft als Schichtsilikat ist Biotit auch nicht gerade ein hartnäckiges Mineral. Im Gegenteil, es wird relativ rasch ein Opfer der chemischen Verwitterung, auch ohne die Unterstützung der Pilze (obwohl Pilze die Sache beschleunigen können). Schon der Aufbau von Biotit mach deutlich, wie empfindlich dieses Mineral unter den Bedingungen der Erdoberfläche ist.Wikimedia User Bubenik, CC-SA-3.0
Schematische Darstellung des Aufbaus von Biotit. Das Mineral wird durch zweidimensionale Netzwerke aus Tetraeder- und Oktaederschichten aufgebaut, die durch Zwischenschichtionen aus Kalium (als rote Kugeln dargestellt) miteinander verbunden sind. In der Oktaederschicht sind alternierend Fe- oder Mg-Ionen (hier als helle oder dunkle Oktaeder dargestellt) eingebaut. Schon dieses Bild zeigt deutlich, dass man nicht viel Gewalt einsetzen muss, um den Biotit zu zersetzen. man muss schlicht nur die Zwischenschichtionen (Kalium) durch meist hydratisierte Ionen austauschen, und schon wird der Zusammenhalt der Schichtpakete entscheidend geschwächt. Das sieht dann in etwa folgendermaßen aus:
Dabei kann die Verwitterungsfront auf zwei Weisen in das Mineral vordringen. Entweder schichtweise, hier als b) dargestellt, oder von den Kanten her, hier als c). Der schichtweise Austausch weitet die Zwischenschichten auf, während die dort befindlichen Kalium-Ionen gegen hydratisierte Ionen ausgetauscht werden. Der Vorgang führt zu so genannten Mixed-Layer-Mineralen, die irgendwo zwischen den Endgliedern Biotit - Smectit oder Biotit - Vermiculit stehen. Im zweiten Fall der Verwitterung von den Kanten her werden die einzelnen Schichten entlang der Kristallkanten oder von Rissen aus aufgeweitet. Der Kern des Minerals bleibt hier noch eine Zeitlang unverändert. Hinzu kommt noch, dass das Eisen im Biotit in der zweiwertigen Form vorliegt. Unter den Bedingungen, wie sie im verwitternden Gestein herrschen, neigt Eisen aber dazu, zur dreiwertigen Form zu oxidieren. Wenn aber das Eisen in der Oktaederschicht zu dreiwertigem Eisen wird, muss auf irgendeine Weise wieder ein Ladungsausgleich erfolgen. Meist ist es wieder das Zwischenschichtion, also das Kalium, das den Preis bezahlt und seinen Platz verlassen muss, aber auch zweiwertiges Eisen und Silizium verlassen das Mineral. Besonders diese Schwäche ist es auch, welche sich die Pilzfäden gerne zu Nutze machen.
Biotit
(Eigenes Foto, all rights reserved)
Das betreffende Mineral sieht dann ungefähr so aus. Die einzelnen Lamellen weiten sich auf, verbiegen sich und verlieren ihren Zusammenhalt. In diesem Zustand ist es für jede Pflanze und auch jeden Pilz sicher entsprechend einfach, das Mineral weiter zu knacken. Aber auch ein frischer Biotit ist aufgrund seines internen Baus sicher geradezu prädestiniert dafür, Pflanzen als Lieferant für wichtige Nährstoffe zu dienen. Am Ende der Verwitterung des Biotits stehen verschiedene Tonminerale wie die bereits oben erwähnten Smectite oder Vermiculit. Besonders die quellfähigen Smectite sind in Böden gerne gesehen, da sie viele Eigenschaften aufweisen, welche für das Wachstum von Pflanzen sehr förderlich sind.

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