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Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Aufgabe der Geochemie

Zusammenfassung
Der Begriff Geochemie wurde erstmals von C. F. Schönbein (1799–1868) für den Teilbereich der Geowissenschaften verwandt, der sich mit der Zusammensetzung und den chemischen Veränderungen der Erde befaßlt. Zur Aufgabe der Geochemie gehört seitdem:
  • Die Ermittlung der Zusammensetzung der Erde als Ganzes und in ihren Geosphären,
  • die Suche nach Gesetzmäßigkeiten, die die Verteilung und Migration der Elemente und deren Isotope in den Geospharen kontrollieren,
  • das Erforschen von chemischen Ursachen und der daraus folgenden Kinetik von Massenstromen in und auf unserem Planeten und
  • in neuerer Zeit das Studium der Auswirkungen anthropogener Einflüsse auf die chemischen Zusammensetzungen in der Atmosphäre, Hydrosphäre, Biosphäre und der allerobersten Erdkruste sowie damit verbunden der Beeinflussung des Ablaufes von geochemischen Austauschprozessen.
Peter Möller

2. Grundlagen

Zusammenfassung
Atome lassen sich als Kugeln mit einer bestimmten Raumerfullung beschreiben. Sie bestehen aus einem Kern von etwa 10–15 m und einer Hiille von etwa 10–10 m Radius. Die Durchmesser von Kern und Hülle verhalten sich also wie etwa 100 m zum Erddurchmesser. Die Große der Atome wird wesentlich bestimmt durch die Zahl der Protonen (Ordnungszahl), die ihrerseits die Zahl der Hüllenelektronen festlegt. Die Ordnungszahl charakterisiert das Element. Die Zahl der Elektronen und die daraus resultierende Anordnung in der Hulle bestimmt die Größe und die elektrischen Eigenschaften der Elemente bzw. Ionen. Da die Hüllenelektronen von innen nach außen systematisch in Schalen mit jeweils festgelegter maximaler Anzahl von Elektronen eingeordnet werden, ergibt sich ein Aufbau in Perioden (Periodensystem der Elemente). Diese Perioden finden ihren Ausdruck in periodischen Änderungen der Atom-/Ionenradien, Atom-/Ionenvolumen, spezifischen Dichten, Schmelz- und Siedepunkten der Elemente und ihrer Verbindungen, der Koordination in Kristallen und Komplexen sowie den elektrischen Eigenschaften (Ionisationsenergien, Elektronegativitaten und Elektronenaffinitäten). Die Wechselwirkung der elektrischen Eigenschaften der Atome bzw. Ionene untereinander bedingt ihrerseits deren Bindungseigenschaften.
Peter Möller

3. Chemie der Silikate

Zusammenfassung
Silikate und Quarz sind am Aufbau der Erdkruste mit über 97% beteiligt. Diese Gruppe von Mineralen überdeckt ein weites Spektrum von physikalischen Eigenschaften. Sie sind faserig (Asbest), schichtig (Glimmer), kompakt (Feldspäte), weich (Talk), hart (Quarz), tiefblau (Lapis Lazuli), tiefröt (Granat), feinkflrnig (Quarzsand, Tonminerale), grobkornig (Quarz und Feldspate in Graniten) etc. Bedingt durch die vielfaltigen physikalischen Eigenschaften werden sie für viele industrielle Zwecke genutzt (Glas, Porzellan, TGpferware, Beton).
Peter Möller

4. Zusammensetzung der Materie

Zusammenfassung
Wegen der Größe des Systems ist uns die Erde nur oberflächlich zugänglich (ca. 10 km in wenigen Bohrlöchern und bis zu 11 km in Tiefseegräben). In der Erforschung der Atmosphäre sind uns durch die Raketentechnik keine Grenzen mehr gesetzt.
Peter Möller

5. Chemischer Aufbau der Erde

Zusammenfassung
Der chemische Aufbau unserer Erde in Schalen bzw. Sphären unterschiedlicher Zusammensetzung ist das Ergebnis von Vorgängen, in denen die chemischen Elemente und deren Verbindungen auf Grund unterschiedlichen Verhaltens und Anpassung an das Prinzip des kleinsten Zwanges fraktionierten. Diese Fraktionierung hat ein gigantisches Ausmaß, wenn man die gegenwärtige Elementverteilung auf die Geosphären (vgl. Tabellen 4.3 und 5.1) vor dem Hintergrund einer urspriinglich einmal homogenen Verteilung der Elemente mit nahezu kosmischer Häufigkeit sieht (vgl. § 5.5).
Peter Möller

6. Geochemische Zyklen

Zusammenfassung
Die Verteilung der Elemente auf die äußeren Geosphären, Atmo-, Hydro- und Lithosphäre, ist das Ergebnis von gekoppelten geochemischen Zyklen (Abb. 6.1). In erster Näherung besteht dieses Konzept von geochemischen Zyklen aus einem anorganischen Teilbereich, dem ein biogener angekoppelt ist. Im anorganischen Zyklusbereich erstarren Magmen zu Magmatiten, die im Laufe geologischer Zeiten unter den chemischen und physikalischen Bedingungen der Erdoberfläche verwittern. Das aufgearbeitete klastische Material aus den Gebirgen sedimentiert in Senken und Meeresbecken. Die physikalische und chemische Verwitterung
Peter Möller

7. Fluide Phasen

Zusammenfassung
Flüssiges Wasser verfügt uber eine statistische Nahordnung der H2O- Moleküle untereinander, aber nicht über eine Fernordnung. Aus infrarotspektroskopischen Daten hat man abgeleitet, daß die H2O-Cluster bei 273 K aus etwa 600, bei 373 K aus 74, bei 473 K aus 16 und bei 623 K aus 1 bis 2 Molekülen H2O bestehen (Abb. 7.1). Die aus dem Dipolcharakter des H2O-Moleküls (vgl. § 2.2) resultierende Dielektrizitätskonstante ε des Wassers nimmt von 273 K bis 647 K stetig ab (Abb. 7.1). Die Abnahme von e mit zunehmender Temperatur ist mit dem Abbau der Nahordnung der H2O-Moleküle korreliert. Wird unter isothermen Bedingungen der Druck erhöht, so steigt die Dielektrizitätskonstante wieder an. Dieser Befund deutet darauf hin, daß mit Druckzunahme die Nahordnung der Wasserdipole aufgebaut wird. Gleichsinnige Druckund Temperaturanderungen beeinflussen die Dielektrizitätskonstante gegenläufig.
Peter Möller

8. Bildung fester Phasen

Zusammenfassung
Die Bildung eines Keimes ist der erste Schritt auf dem Weg zu einer neuen festen Phase. Diese Keimbildung kann entweder homogen (aus der fluiden Phase heraus) oder heterogen (an vorhandenen Oberflächen) erfolgen. Da das geordnete Zusammenfügen der keimaufbauenden Teilchen ein recht unwahrscheinlicher Vorgang ist (thermodynamisch gesehen bedeutet Keimbildung Abnahme der Entropie), bedarf es Randbedingungen, unter denen das System als ganzes — fluide Phasen und Feststoff — an Entropie (vgl. Tabelle 2.9) gewinnt. Dies wird im allgemeinen durch Unterkühlen oder Übersättigen der fluiden Phase im Hinblick auf die sich bildende Feststoffphase erreicht. Auf beiden Wegen werden energetisch metastabile Systeme erzeugt, die sich jeweils in zwei Teilsysteme — oft unter Energieabgabe — auflösen: gesättigte fluide Phase und feste Phasen (Abb. 8.1 und 8.2).
Peter Möller

9. Verteilung von Neben- und Spurenelementen

Zusammenfassung
Diadochie, Camouflage oder Mitfällung sind verschiedene Begriffe für die Substitution von Hauptelement-Ionen in Kristallgittern durch Ionen von Neben- und Spurenelementen des Minerals. Die Diadochie wird damit zu einem wichtigen Migrationsfaktor für viele Elemente. Die Kenntnis von Regeln iiber die Verteilung von Elementen auf verschiedene Phasen gibt wichtige Hinweise auf genetische Beziehungen zwischen magmatischen Gesteinen und zwischen Mineralen, auf die Muttergesteine metallreicher (erzbringender) Lösungen, die Verteilung von aus radioaktiven Abfallprodukten freigesetzten Nukliden, auf Temperatur und Druck während der Verteilung der Elemente (Geothermometer und -barometer (vgl. § 11)) u.v.a.m.
Peter Möller

10. Isotopenfraktionierung

Zusammenfassung
Unterschiede in den Kerneigenschaften von Isotopen führen im Verlaufe physikalischer Vorgänge und chemischer Reaktionen zu Änderungen der Isotopenverhältnisse. Neben der Radioaktivität sind es die Unterschiede in den Isotopenmassen, die im Verlauf von chemischen Reaktionen Isotopieeffekte bewirken. Bei den Isotopieeffekten werden jene, die sich über Gleichgewichte (thermodynamisch) herausbilden, von denen unterschieden, die sich während eines Reaktionsablaufes kinetisch einstellen.
Peter Möller

11. Geothermobarometrie

Zusammenfassung
Die Kenntnis der Bildungstemperaturen und -drücke von Mineralen ermoglicht die Eingrenzung ihrer Genese. Da in den allermeisten Fällen bei geochemischen Prozessen Temperatur und Druck nicht direkt ermittelt werden können, ist man an die Ableitung dieser Informationen aus Beobachtungen von temperatur- und druckabhängigen Phasengleichgewichtsbeziehungen gebunden. So lassen sich Phasenumwandlungen (reversibel), irreversible Prozesse in Feststoffen, Element- und Isotopenverteilungen, Elementaustausch zwischen Festphasen und fluiden Medien sowie Gasgleichgewichte für die Eingrenzung von P-TBedingungen heranziehen. Neben diesen physikalischen Methoden sindeine Reihe von chemischen Methoden bis zur Anwendungsreife entwickelt worden, die sich auf die Auswertung von inter- und intrakristallinen Verteilungsgleichgewichten von Ionen sowie Loslichkeiten von Mineralen beziehen.
Peter Möller

Erratum to: Grundlagen

Ohne Zusammenfassung
Peter Möller

Erratum to: Chemie der Silikate

Ohne Zusammenfassung
Peter Möller

Erratum to: Zusammensetzung der Materie

Ohne Zusammenfassung
Peter Möller

Erratum to: Chemischer Aufbau der Erde

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Peter Möller

Erratum to: Geochemische Zyklen

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Peter Möller

Erratum to: Fluide Phasen

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Peter Möller

Erratum to: Bildung fester Phasen

Ohne Zusammenfassung
Peter Möller

Erratum to: Verteilung von Neben- und Spurenelementen

Ohne Zusammenfassung
Peter Möller

Erratum to: Isotopenfraktionierung

Ohne Zusammenfassung
Peter Möller

Erratum to: Geothermobarometrie

Ohne Zusammenfassung
Peter Möller

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