Table Of ContentHeidelberger Taschenbiicher Band 240
Peter Moller
Anorganische
Geochemie
Eine Einfiihrung
Mit 141 Abbildungen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York Tokyo
Professor Dr. PETER MOLLER, Hahn-Meitner-Institut fur
Kernforschung Berlin, Postfach 390128,1000 Berlin 39
Leiter der Arbeitsgruppe Geochemie im Hahn-Meitner-Institut
fUr Kernforschung Berlin
Honorarprofessor der Freien UniversiHit Berlin
Privatdozent der Technischen Universitat Berlin
ISBN-13: 978-3-540-16002-1 e-ISBN-13: 978-3-642-70845-9
DOl: 10.1007/978-3-642-70845-9
CIP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek.
Moller, Peter:
Anorganische Geochemie : e. Einf. I Peter Moller. - Berlin; Heidelberg; New York ;
Tokyo: Springer, 1986.
(Heidelberger Taschenbiicher; Bd. 240)
ISBN-13 :978-3-540-16002-1
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© by Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1986
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diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daB
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betrachten waren und daher von jederrnann benutzt werden diirften.
Satz: K. u. V. Fotosatz Beerfelden
2132/3130-543210
Vorwort
Das vorliegende Buch richtet sich an die Studierenden der Geo
wissenschaften, der Chemie sowie an Interessenten aus anderen
Disziplinen. In einer Zeit, in der das BewuBtsein vieler Men
schen fur die Endlichkeit irdischer Resourcen sowie fur anthro
pogene Veranderungen in der Natur und damit fur die Unver
antwortlichkeit menschlicher Ignoranz gegenuber geochemi
schen Prozessen gescharft worden ist, kann mit Recht erhofft
werden, daB sich in zunehmendem MaBe Studierende dem
Fach Geochemie zuwenden.
Der Text ist aus einer Vorlesung hervorgegangen und be
handelt daher nicht aIle Bereiche der Geochemie in gleicher In
tensitat. GemaB dem Titel wird der Gesamtbereich der Organi
schen Geochemie nicht behandelt. Weite Bereiche der Petrolo
gie, wie rum Beispiel der Magmatismus, werden ebenfalls nicht
behandelt. Hierzu sind in letzter Zeit eine Reihe spezieller Bu
cher erschienen. Die in den Kapiteln angefuhrte Literatur ist
uberwiegend aus jungerer Zeit. Fur ein vertiefendes Studium
wird auf die dortigen Literaturzitate verwiesen.
Es ist bewuBt das SI-System benutzt worden. ledoch sind in
den Abbildungen wie auch im Text zur Vereinfachung die mei
sten Angaben parallel dazu im CGS-System angefuhrt. Die Pa
ralleliUU der Systeme soIl es dem Studierenden erleichtern, sich
in das SI-System einzulesen.
Der Zweck der Anorganischen Geochemie ist nicht, vor
handene Bucher zur Geochemie zu ersetzen, sondern das vor
handene Spektrum durch eine veranderte Art der Darstellung
zu erganzen. Daher wird dem Studierenden empfohlen, neben
dem vorliegenden Text noch die empfohlene vertiefende Lite
ratur zur Erweiterung des Verstandnisses heranzuziehen.
Ich bedanke mich fur die geduldig geleistete Schreibarbeit
bei Frau Ingeborg Herbrechtsmeier, Frau Karin Horst und
Frau Reny GrOnberg sowie fur die Anfertigung der zahlreichen
VI Vorwort
Zeichnungen bei Frau Christine Pohle. Frau Dr. Cornelia
Schmitt-Riegraf und meine Frau Sybille haben durch wieder
holtes Lesen des Manuskriptes wesentlich dazu beigetragen,
fachliche und stilistische Fehler auszumerzen. Ihnen sowie
auch meinen TOchtern Astrid und Kerstin gilt mein besonderer
Dank fOr die geleistete Mitarbeit.
Den Mitarbeitern des Springer-Verlags mOchte ich fOr die
angenehme Zusammenarbeit und zOgige Drucklegung ein gro
Bes Lob aussprechen.
P. MOLLER
Inhaltsverzeichnis
1 Aufgabe der Geochemie ...................... 1
2 Grundlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
2.1 Eigenschaften von Atomen und lonen .......... 4
2.2 Chemische Bindung und Eigenschaften
von Gittern ... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 Strukturchemische Regeln fOr lonenkristalle . . . . . 19
Bildung von Koordinationspolyedern . . . . . . . . . . . 19
Elektrostatische Valenzregel .................. 21
Verknilpfungsregel .......................... 22
Sparsamkeitsregel ........................... 22
2.4 Aggregatzustande und Polymorphie . . . . . . . . . . . . 23
2.5 Chemisches Gleichgewicht .................... 26
2.6 Aktivitat. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.7 Saure-Basen-Beziehung.. .. .. ...... ....... .. . 34
Definition einer Saure und Base . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Saure-und Basenkonstanten .................. 37
lonisierungsfaktor (Dissoziationsgrad) . . . . . . . . . . 41
Pufferkapazitat ............................. 41
2.8 Redox-Potential. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.9 Zur Ablauffahigkeit von Reaktionen ........... 49
Treibende Krafte ............................ 49
Inhibition und Katalyse ...................... 52
2.10 Prozesse der Stoffdifferenzierung .............. 54
Physikalische Prozesse ....................... 54
Chemisch-physikalische Prozesse .............. 56
3 Chemie der Silikate .......................... 59
3.1 Strukturelle Klassifikation der Silikate .......... 59
3.2 Fe2+ _Mg2+ -Verteilung in kogenetischen Silikaten . 66
VIII Inhaltsverzeichnis
4 Zusammensetzung der Materie ................ 71
4.1 Systematik der Atomkerne und
Hiiufigkeitsverteilung der Elemente ............ 71
4.2 Nukleosynthese............................. 74
4.3 Hiiufigkeitsverteilung der Elemente ............ 77
4.3.1 Hiiufigkeitsverteilung der Elemente in der oberen
Erdkruste ................................. . 78
4.3.2 Solare Hiiufigkeitsverteilung der Elemente ..... . 81
5 Chemischer Aufbau der Erde ................. . 85
5.1 Atmosphiire ............................... . 85
5.2 Hydrosphiire .............................. . 94
5.3 Feste Erde ................................. . 96
5.3.1 Erdkruste ................................. . 97
Obere kontinentale Erdkruste ................ . 98
Untere kontinentale Erdkruste ................ . 103
Ozeanische Kruste .......................... . 106
5.3.2 Erdmantel ................................. . 108
5.3.3 Erdkern ................................... . 117
5.4 Mittlere chemische Zusammensetzung der Erde .. 118
5.5 Akkretion der Erde ......................... . 119
5.5.1 Randbedingungen fUr die Akkretion der Erde ... . 119
5.5.2 Akkretionsmodelle ......................... . 120
6 Geochemische Zyklen ....................... . 124
6.1 Der groBe geochemische Zyklus ............... . 124
6.2 Verwitterung .............................. . 128
6.3 Diagenese ................................. . 133
6.4 Metamorphose ............................. . 135
6.5 Hydrothermale Uberpdlgung ................. . 142
6.6 Alteration und Bildung hydrothermaler
Erzlagerstiitten ............................. . 151
6.7 Beispiele einzelner Element-Zyklen ............ . 155
6.7.1 Kohlenstoff-Zyklus ......................... . 155
6.7.2 Sauerstoff-Zyklus .......................... . 159
6.7.3 Mariner Phosphat-Zyklus ................... . 160
7 Fluide Phasen . .. .. .. . .. . . . .. .. .. .. .. .. .. .. .. 162
7.1 Hydrothermale LOsungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
7.1.1 Eigenschaften von H20 unter erhOhter Temperatur
und erhOhtem Druck.. .. . .. .. ... .. ... .. .. . . .. 162
Inhaltsverzeichnis IX
7.1.2 Partielle molare Volumen von Elektrolyten ...... 164
7.1.3 Natllrliche hydrothermale L6sungen . . . . . . . . . . . . 168
7.1.4 Kritischer Zustand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
Kritischer Punkt ............................ 174
Das System NaCI-HzO ....................... 177
7.1.5 Entwicklung fluider Phasen aus Schmelzen ...... 181
7.2 Silikatische Schmelzen ....................... 185
7.2.1 Struktur der Schmelzen .. .. ..... .. . .. . . . .. .. . . 185
7.2.2 U)slichkeit volatiler Phasen ................... 188
7.2.3 ViskositlU von Silikatschmelzen . . .. . .. . . . .. .. . . 193
8 Bildung fester Phasen ........................ 195
8.1 Keimbildung................................ 195
8.2 Kristallwachstum............................ 198
8.3 Phasenregel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
8.4 Isomorphie und feste L6sungen . . . . . . . . . . . . . . . . 202
8.5 Phasengleichgewichte in
Mehrkomponentensystemen .................. 205
8.5.1 Binare Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 205
Binare, eutektische Mischung ohne feste L6sungen 205
Binares Peritektikum ohne feste L6sungen ...... 207
Binare feste L6sungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
Das System Albit-Orthoklas . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 211
8.5.2 Ternare Systeme ............................ 212
Ternares Eutektikum ohne feste L6sungen ...... 212
Ternares System mit binarer fester L5sung ...... 214
8.5.3 Modell zur Magmenerstarrung ............ :... 216
9 Verteilung von Neben-und Spurenelementen .... 219
9.1 Diadochie. .. . .. .. .. .. .. .. .. .. .. . .. .. . .. .... 219
9.2 Kontrollierende Parameter der
Element-Verteilung .......................... 219
9.3 Verteilungsgesetze. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 226
9.3.1 Homogene Verteilungsgesetze ................. 226
9.3.2 Heterogene Verteilungsgesetze ... ... .. .. ....... 228
9.4 Partielles Aufschmelzen ...................... 233
9.5 Anwendungen.............................. 236
9.5.1 Fraktionierte Kristallisation . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 236
9.5.2 Hydrothermale Differentiation ................ 239
X Literaturverzeichnis
10 Isotopenfraktionierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 243
10.1 Isotopieeffekte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 243
Thermodynamische Isotopieeffekte ........... 243
Kinetische Isotopieeffekte ................... 244
10.2 Isotopenfraktionierung einiger Elemente ....... 246
Wasserstoff-Fraktionierung: 1H, 2H_D ........ 246
Kohlenstoff-Fraktionierung: 12C_13C .......... 248
Sauerstoff-Fraktionierung: 1~)80 ........... 249
Schwefel-Fraktionierung: 32s_34s . . . . . . . . . . . . .. 251
10.3 Radiometrische Datierungen ................. 253
10.3.1 Grundlagen ............................... 253
Radioaktiver Zerfall ........................ 253
Beziehungen zwischen Mutter-und Tochternukliden 255
10.3.2 Datierungen unter Verwendung natiirlicher
Nuklidpaare .............................. . 260
87Rbj87Sr-Datierung ....................... . 260
«K;40Ar-Datierung ........................ . 263
Uran-Thorium-Blei-Datierung ............... . 264
Blei-Isotopen-Datierung .................... . 265
147S j143.. d D .
m- ~ I~T - atlerung ..................... . 268
Spaltspur-Methode ........................ . 270
14c-Datierung ............................. . 271
11 Geothermobarometrie ...................... . 274
11.1 Reversible und irreversible Umwandlungen von
Festphasen ............................... . 275
11.2 Element- und Isotopenverteilungsgleichgewichte . 277
11.2.1 Elementverteilung zwischen Mineralien sowie
unterschiedlichen Gitterpositionen eines Minerals 277
11.2.2 Elementverteilung zwischen festen und fluiden
Phasen ................................... . 285
11.2.3 Isotopenthermometrie ...................... . 292
11.2.4 Gasgleichgewichte ......................... . 296
Verzeichnis der AbkUrzungen ...................... . 298
Einheiten und Konstanten ......................... . 302
Literatur ....................................... . 303
Autorenverzeichnis ............................... . 313
Sachverzeichnis .................................. . 317
1 Aufgabe der Geochemie
Der Begriff Geochemie wurde erstmals von C. F. ScMnbein (1799 - 1868)
fUr den Teilbereich der Geowissenschaften verwandt, der sich mit der
Zusammensetzung und den chemischen Vedinderungen der Erde be
faBt. Zur Aufgabe der Geochemie geh5rt seitdem:
- Die Ermittlung der Zusammensetzung der Erde als Ganzes und in ih
ren Geosphllren,
- die Suche nach GesetzmliBigkeiten, die die Verteilung und Migration
der Elemente und deren Isotope in den Geosphliren kontrollieren,
- das Erforschen von chemischen Ursachen und der daraus folgenden
Kinetik von Massenstr5men in und auf unserem Planeten und
- in neuerer Zeit das Studium der Auswirkungen anthropogener Ein
fliisse auf die chemischen Zusammensetzungen in der Atmosphllre,
Hydrosphtlre, Biosphtlre und der allerobersten Erdkruste sowie da
mit verbunden der Beeinflussung des Ablaufes von geochemischen
Austauschprozessen.
Urn diese Ziele zu erreichen, wird die Verteilung der Elemente zwischen
den zugllnglichen Geosphliren, wllhrend der Magmendifferentiation,
zwischen kogenetischen Mineralen sowie Mineralen und fluiden Phasen
analytisch und experimentell untersucht. Ausgehend von dem so gesam
melten Datenmaterial wird das Verhalten der Elemente und ihrer Ver
bindungen in den unterschiedlichen geochemischen Prozessen abgelei
tet.
Urn dieses weitgesteckte Aufgabengebiet bearbeiten zu k5nnen, steht
die Geochemie in wechselseitiger Beziehung zu anderen Disziplinen wie
der Mineralogie, Petrologie, Geologie, Lagerstllttenforschung, Boden
kunde, Kristallographie, Aligemeinen Chemie, Physikalischen Chemie,
Biologie und - in jfingster Zeit - der Umweltforschung. Je nach dem
Forschungsbezug gliedert sich die Geochemie heute in die Teilgebiete:
