Chemische Eigenschaften CO2

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.

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).

Die Lava aus dieser geschmolzenen Subduktionsplatte ist reich an CO2, Kalcium 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. ( sieh nichtvulkanische Bodenausgasungen C-Zyklus)

 

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

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 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

Ein Sonderfall der Lösungsverwitterung ist die Kohlensäureverwitterung. Bei dieser spielt das in Wasser gelöste Kohlendioxid (abhängig von Temperatur und CO2 - Partialdruck) die entscheidende Rolle (3).

CaCO3 + CO2 + H2O ---->Ca2+ + 2 HCO3-

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. Die entsprechenden reaktionsgleichungen sind unten aufgeführt.

ein Kalksteinbruch bei Paderborn

CO2 + H2O ----> H2CO2 ----> 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 (2)

 




Der Kohlenstoffkreislauf aus geolo-gischer 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



Quellen:

(1) http://www.geodienst.de/kalkstein.htm
(2) http://www.oberharz.de/Tou/iberg_hoehle01.html
(3) http://www.petrology.de/Geoarchae/BioSchaden.html
(4) Fachbücher der Chemie und Geologie

Mehr zur Chemie von CO2 im Kohlenstoffzyklus (Menü C-Zyklus)