CO2 Eigenschaften, Kalkgleichgewicht & Lithosphären-Plattenzyklus

4.2.3
CO2, ein essentieller Naturstoff, physikalisch/chemische Eigenschaften
II

 

Lithosphären-Plattenzyklus

Die Lithosphäre
besteht aus relativ festen Platten, die auf einer plastischen Astenosphäre
schwimmen. Die meisten Meere sind mit einer relativ dünnen (0 – 75
km dick) “ozeanischen” Lithosphäre unterlegt, während
die Kontinente miteiner dickeren (75-250 km dick) “kontinentalen”
Lithosphäre unterschichtet sind. Auf den 12 gobalen Platten befinden
sich meist Ozeane und Kontinente. Die gesamte Lithosphäre besteht
aus zwei Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung.

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Die obere Schicht wird Kruste genannt und besteht
im Allgemeinen hauptsächlich aus Magnesium,
Eisen, Silizium und Sauerstoff (Basalt) in ozeanischen Bereichen

und meist aus Silizium, Sauerstoff, Eisen und
Kalzium in Festlandsbereichen
. Das Kalzium im Festlandsbereich
ist wichtig für den Kohlenstoffzyklus. Die untere Schicht der Lithosphäre
besteht hauptsächlich aus Magnesium, Silizium und Sauerstoff bis
hin zur oberen Asthenosphäre. (siehe Abbildung unten)

Der unter Teil der Asthenosphäre ist plastischer
und heißer als der obere Teil. Die Platten der Kruste bewegen sich,
was Kontinentalverschiebung genannt
wird und Sedimente, die sich darauf angesammelt haben werden damit
passiv mitbewegt.
Die Platten stoßen miteinander zusammen, reiben aneinender
oder schieben sich untereinander (= Subduktion), wobei sie
teils schmelzen. Bei den ozeanischen Platten, die untergeschoben werden
schmilzt das Sediment ebenfalls. Ein Teil der geschmolzenen untergeschobenen
Kruste samt Sedimente steigt in einem Lavakanal auf und gelangt durch
die darüberliegende Platte in Form einer Vulkanexplosion an die Oberfläche
(siehe z.B. St. Helena, USA).

Ozeanisches Sediment ist reich an Kalkstein, woraus
bei der Subduktion bei Wärme dauernd CO2 entsteht durch:

CaCO3
+ SiO2 —-> CaSiO3+ CO2

Das entstehende CO2 tritt
in der Umgebung von Vulkanen durch das poröse Gestein ständig
direkt in die Atmosphäre aus, in geringerem Maße auch
bei Vulkanausbrüchen und in Mineralquellen.

Weiterhin entweicht es im Bereich von aufeinanderstoßenden
bzw. untereinander sich schiebenden Kontinentalplatten (= Subduktion).

( = nichtvulkanische Bodenausgasung)

Diese Ausgasungen wurden erst in letzter Zeit an
einigen Stellen genauer gemessen. Dabei stellte sich im Bereich
von rund 24 Vulkanen und anderen nichtvulkanischen Stellen heraus,
daß dadurch bisher unterschätzt riesige Mengen CO2 und
Methan in die Atmosphäre gelangen (> 600 MT).

subduk

Die Lava aus dieser geschmolzenen Subduktionsplatte ist
reich an CO2, Kalzium und Wasserdampf. Der Wasserdampf
und das CO2 (samt anderer Gase) machen diese Form des Vulkanismus so explosiv.
Wenn die Lava, Asche und das nicht eruptierte Magma erstarrt entsteht
dadurch neue Kruste, was die durch Erosion verlorengegangene Erdkruste
ersetzt. Durch das “Sea-floor-spreading” an den ozeanischen
Rissen wird durch den Austritt von Asthenosphären-Material die durch
Subduktion verlorengegangene Kruste wieder ersetzt.
Dieser Zyklus der Platten samt Sediment wird Lithosphären/Plattenzyklus
genannt.

Eine solche Subduktion ist z.B.im Bereich Italiens
zu sehen.
Die Adria liegt in einer solche Subduktionszone.
Dabei schiebt sich seit dem Pliozän die Platte unter der Adria
in Richtung Westen unter Italien (mehrere 100 Km tief).

Im Apennin Richtung Süditalien gast entsprechend
eine enorme Menge CO2 aus. ( siehe nichtvulkanische Bodenausgasungen
C-Zyklus)

 

Die Bewegung der 12 großen tektonischen Platten
der Lithosphäre ist in der Abbildung unten zu sehen:

italysub

platemo

Sowohl die Kollision der Platten, die zu Gebirgen führt
und die Subduktion der Platten trägt zur Neubildung der Kontinentalplatten
oberhalb des Meersspiegels bei. Durch die Erosion der Kontinentalplatten
wird das Krsutenmateriel durch Flüsse wieder in die Ozeane transportiert.

Durch die Erosion werden Gesteine zu Böden und deren
Bestandteile können gelöst werden. Sandkörner und Lehm
bzw. Kalkstein sind bezüglich des Kohlenstoffzyklus die wichtigsten
Produkte der Erosion. Das Kalziumcarbonat (= Kalk) ist aus im Wasser
gelösten CO2 der Atmosphäre und dem Calziumsilikat (wichtiger
Gesteinsbestandteil) entstanden.

Zusammen mit verrottenden Pflanzen gelangt dieses Material
an den Merresgrund und wird als Sediment abgelagert. Wirbellose Tiere
bauen das CaCO3 in ihre Schalen ein, die bei deren Tod wieder
Teil des Sediments werden.

Durch den Lithosphären/Plattenzyklus werden diese
Sedimente den Kontinentalplatten untergeschoben, bzw. bilden Gebirge.
Im Ergebnis taucht das Material auf jeden Fall wieder an der Oberfläche
auf.

Kalkgleichgewicht

 

CaCO3
+ CO2 + H2O —->Ca2+ + 2 HCO3
Ein Sonderfall der Lösungsverwitterung ist
die Kohlensäureverwitterung. Bei dieser spielt das in
Wasser gelöste Kohlendioxid (abhängig von Temperatur und
CO2 – Partialdruck) die entscheidende Rolle. Dieses Gas bildet in
Gegenwart von Wasser Kohlensäure, welche weitaus besser in
der Lage ist vor allem Kalkgesteine, Löß und Dolomit
unter Bildung von Kalziumhydrogencarbonat zu zersetzen als dies
das Wasser allein könnte.

Links ein Kalksteinbruch
bei Paderborn

(Quelle:
http://www.geodienst.de/kalkstein.htm)

Kalkgkeichgewicht:

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CO2
+ H2O —-> H2CO3 —-> H+ + HCO3
—-> 2 H+ + CO32-

H2CO3
+ CaCO3 —-> Ca(HCO3)2 = Kalziumbicarbonat

bzw.
H+ + HCO3 + CaCO3 —->
Ca2+ + 2 HCO3

Das Kalziumhydrogencarbonat ist – im Gegensatz zum
CaCO3 – im Wasser gut löslich.
Bei niedrigen Temperaturen wächst die Wirkung,
da dann das Wasser mehr CO2 lösen kann, also mehr
Kohlensäure vorhanden ist und daher mehr

 

Hydrogencarbonat kann sich im Wasser jedoch nur
halten,
wenn daneben freies CO2 (durch Dissoziation)
vorhanden ist. Entweicht freies CO2 (z. B. bei Temperaturerhöhung),
dann fällt Kalk aus.

Das Lösungsgleichgewicht zwischen H2O
(CO2) und CaCO3 stellt sich beim Entweichen
von CO2 langsam ein. Bei höheren Temperaturen ist
wenig CO2 gelöst. Hier findet jedoch ein schnelles
Einstellen des Lösungsgleichgewichts statt, da die Reaktionsgeschwindigkeit
mit der Temperatur steigt.

Links die Iberger Tropfsteinhöhle, Harz;
(Quelle: http://www.oberharz.de/Tou/iberg_hoehle01.html)

image022

 

Der Kohlenstoffkreislauf aus geologischer
Sicht sieht dann in etwa so aus, wie rechts abgebildet:
Dabei ist Corg das Abbauprodukt der
Kohlenhydrate aus der Photosynthese
.

  1. Asthenosphäre (Erdmantel)
  2. Lithosphäre (Erdkruste)
  3. Kontinentalkruste – meist Granit
  4. ozeanische Kruste (meist Basalt)
  5. Sediment in den ozeanischen Becken
  6. Eruptionsgestein (Lava)
  7. Ozean


_ccycle

 

Weiterführende Quellen:


Iberger Tropfsteinhöhle, Harz; http://www.oberharz.de/Tou/iberg_hoehle01.html

Plattenzyklus: http://geollab.jmu.edu/Fichter/PlateTect/plates.html
und
http://www.washington.edu/burkemuseum/geo_history_wa/The%20Restless%20Earth%20v.2.0.htm

PLattentektonik:
http://jan.ucc.nau.edu/~wittke/GLG100/PlateTectonics.html

geologischer
C-Zyklus:
http://rainbow.ldgo.columbia.edu/courses/v1001/earthcy6.html

Interaktive Physik: http://www.lightlink.com/sergey/java/index.html

Flammenfärbungen: http://library.thinkquest.org/3310/lographics/experiments/flmwatch.html

Infrarotspektroskopie: http://www.wag.caltech.edu/home/jang/genchem/infrared.htm
http://www.adnex.de/data/strahlungsmessung/

Geschichte:
http://www.colby.edu/sci.tech/st215/3.3view/sld010.htm

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