A litoszféra felépítése Környezeti kémia A litoszféra kémiája A földkéreg felső és alsó kőzetöve és a külső földköpeny felső része 70 125 km vastag szilárd réteg Kőzetburok vagy litoszféra (gör. lithos kő; sphaira gömb, burok) A litoszféra felépítése Az óceáni kéreg 6-10 km, a kontinentális kéreg 30-50 km vastagságú Megfigyelni csak 16 km-ig tudjuk (ez volt eddig a legmélyebb kutatófúrás) A földkéregben a hő hővezetéssel (kondukció), gyorsan terjed, a geotermikus hőmérséklet-gradiens mintegy 30 K km 1, vagyis 33,3 m-enként 1 fokkal nő Ennek oka: a földmag hőenergiája konvekcióval a felszín felé halad a litoszféra alatt Következmény: termálvizek kialakulása és felszínre törése; mélyművelésű bányák magas hőmérséklete A földkéreg fő alkotóelemei A földkéreg kémiai összetételére jellemző, hogy benne a litofil elemek koncentrációja nagy; tömegének több mint 99%-át kilenc elem (O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg, Ti) alkotja Pedoszféra (talajzóna) Intenzív anyag- és energiacsere színhelye A talajzónában zajlanak a természetes mállási folyamatok Ez a talaj antropogén szennyezésének színtere A pedoszféra a mikroorganizmusok, a növények és az állatok élettere A benne lejátszódó természetes folyamatok és az antropogén hatások miatt állandóan átalakul Ásványok és kőzetek Ásvány: meghatározott kémiai összetétellel és kristályszerkezettel rendelkező természetes eredetű anyag. A kőzetek építőelemei. 2000 ásvány ismert; kőzetképzés kb. 200 kőzetalkotó ásványok (lényeges vagy járulékos elegyrészek) Lényeges kőzetalkotó ásványok (11): kvarc, plagioklászok, ortoklász, olivin, piroxének, amfibólok, biotit, muszkovit, agyagásványok, kalcit, dolomit Kialakulása során anyagi részecskék rendezetlen állapotból (gőzök,olvadékok, oldatok) rendezett (kristályos) állapotba kerülnek 1
Ásványok rendszerezése Napjaink ásványrendszertana a kémiai összetételen, ezen belül az anionok fajtáin alapul. A rendszer osztályai: terméselemek (nincsen anion) szulfidok és rokon vegyületek (As, Sb, Te, Se) oxidok és hidroxidok (anion O és OH) szilikátok (SiO 4, helyettesítői: AlO 4, OH, O, F, Cl) foszfátok és rokon vegyületek szulfátok és rokon vegyületek borátok, karbonátok, nitrátok halogenidek (sófélék) szerves vegyületek Szilikátok és alumíniumszilikátok A földkéreg legfontosabb kőzetalkotó ásványai A szilícium oxigén kötés nagyon stabilis, felszakítására kevés reakciópartner (hidrogénfluorid, erős bázisok stb.) képes, rendszerint drasztikus körülmények között A szilíciumatomok lépcsőzetes helyettesítése a közel azonos méretű alumíniumatomokkal alumínium-szilikátokat hoz létre: az elektroneutralitást egy-, két- vagy háromértékű kationok beépülése állítja helyre Kőzetek Kőzet: jellemző szövetű, a természetben ténylegesen előforduló ásványtársulás A kőzetek száma sokkal kisebb mint az ásványoké, csak néhány száz A földkéreg külső rétegében lévő kőzeteket három genetikai csoportba soroljuk: magmás (a kőzetcsoport 95%-a), üledékes (1%) és ún. átalakulási, vagy metamorf kőzetek (4%). Magmás kőzetek A magmás kőzetek megszilárdult magmából álló, ún. elsődleges kőzetek. A magma oxidokból, szilikátokból álló forró, gáztartalmú olvadék. Keletkezésük alapján: mélységi és kiömlési kőzetek. Kémiai összetétel szempontjából a SiO 2 -tartalmuk alapján : 1. savanyú (túltelített) SiO 2 tartalom: 66-90% 2. semleges (neutrális v. telített) SiO 2 tartalom: 48-66% 3. bázisos (telítetlen) SiO 2 tartalom: 48% alatt Magmás kőzetek Bázikus mélységi magmás kőzet Bázikus vulkáni kiömlési kőzet Bazalt Gabbro Semleges mélységi magmás kőzet Semleges vulkáni kiömlési kőzet A magmás kőzetek rendszere Magmás kőzetek Savanyú Semleges Bázisos, ultrabázisos SiO 2 tartalom 72% 66% 65% 57% 48% 54% 41% Mélységi magmás kőzetek Gránit Granodiorit Szienit Diorit Gabbró Nefelinszienit Peridotit Vulkáni kiömlési kőzetek Riolit Dácit Trachit Andezit Bazalt Fonolit Pikrit Diorit Savanyú mélységi magmás kőzet Gránit Andezit Savanyú vulkáni kiömlési kőzet Riolit 2
Üledékes kőzetek Üledékes kőzetek: természetesen lerakódott üledékből a szárazföldön, a tengerek és óceánok fenekén diagenizált (az üledék üledékes kőzetté válása) kőzeteket nevezzük. Az átalakulásnak négy fő szakasza van: a kőzetek mállása, a törmelék és mállási termékek szállítása, az anyag lerakódása és a kőzetté válás (diagenezis). Eredetük szerinti csoportosítás: 1. törmelékes kőzetek 2. vegyi üledékes kőzetek 3. szerves eredetű kőzetek homokkő kősó konglomerátum Metamorf kőzetek Az átalakulási, vagy metamorf kőzetek magmatikus és üledékes kőzetekből nagy nyomás és magas hőmérséklet hosszú ideig tartó hatására keletkeznek. Eközben fizikai és kémiai folyamatok játszódnak le, amelyeknek során hőmérsékletstabilis és specifikus sűrűségű ásványok jönnek létre (dehidratálás, formaképződés, fázisátalakulás). mészkőbe ágyazott fosszíliák antracit A metamorfózis fokozatai és az adott fokozatra jellemző metamorf kőzetek és ásványok Nagyon kisfokú metamorfózis (agyagpala, metabazalt). Jellegzetes ásványai: agyagásványok, laumontit (zeolit), prehnit (zeolit). Kőzettípusok egymásba alakulási folyamatai agyagpala metaandezit Kisfokú metamorfózis (szerpentinit, kloritpala, szericitpala). Jellegzetes ásványai: szericit, pirofillit, klorit fillit szerpentinit Közepes fokú metamorfózis (csillámpala, márvány). Jellegzetes ásványai: csillám, kvarc, plagioklász, gránát, andaluzit gránátos csillámpala márvány Nagyfokú metamorfózis (eklogit, gneisz). Jellegzetes ásványai: kvarc, muszkovit, biotit, plagioklász, káliföldpát, sillimanit, sztaurolit eklogit gneisz Kőzetek mállása Fizikai mállás A kőzetek mállása eredményezi a talajokat. A litoszférában a hidroszférával és az atmoszférával való kölcsönhatás során játszódnak le, melynek eredményeként mélyreható változások következnek be, a tulajdonságok jelentősen módosulnak Fizikai mállás, aprózódás (víz, jég), Kémiai mállás (víz, kioldás, oxidáció) Biológiai mállás (élő szervezetek bomlási maradéka, humin savak, komplexképzők) A mállási folyamatok egymást erősítve hatnak. Kémiai, ásványtani változás nem következik be, a kőzet aprózódik, megváltozik a tömörsége és a szemcsék nagysága. Gyors és jelentős hőmérséklet-változás Jég-víz-jég váltakozó átalakulás A jég térfogata kb. 9 %-kal haladja meg a vízét, a nagyobb térfogatigény 150 kp/cm 2 nyomásban nyilvánul meg; a legtöbb kőzet nyomószilárdsága 120 kp/cm 2 ; a kőzet meghasad, darabolódik Szélerózió: a már mállott, kisebb részecskékkel tovább darabol, koptat Gleccserek: az óriási tömeg miatt hatalmas nyomás gyalulja a gleccserágyat Felszín alakítása: erózió (víz); defláció (szél) 3
Biológiai mállási folyamatok: Gyökérnövekedés feszítő ereje (fizikai hatás) A felszabaduló szerves gyökérsavak oldódást elősegítő hatása (kémiai hatás) A növényi eredetű szerves anyagok mineralizációjának (lebomlásának) melléktermékeként képződő savas karakterű bomlástermékek mállasztó hatása Pl. a tűlevelűek humifikálódása során felszabaduló savas ágensek jelentős mértékben hozzájárulnak a litoszféra degradációjához Kémiai mállási folyamatok: Akár több száz méter mélységig hat Fontos reakciópartnerek: víz, levegő (víz, oxigén, szén-dioxid) Oldódás Szén-dioxid segítségével könnyen oldhatóak: alkálifém-komponenseket tartalmazó kőzetek alkáliföldfém-komponenseket tartalmazó kőzetek Nehezen oldhatóak: vulkanikus kőzetek Átkristályosodás más kristályrendszert képezve keménységük lecsökken, a mállási folyamatok könnyebben érvényesülnek Kémiai mállási folyamatok (folytatás 1.): Karbonizáció A levegő szén-dioxid tartalmának segítségével történő átalakulás: H 2 O + CO 2 H 2 CO 3 (szénsav) H 2 O + H 2 CO 3 HCO 3 - + H 3 O + (mállasztó ágensek) Hidrolízis H 2 O + CaO = Ca(OH) 2 (CaOH) + + OH - (CaOH) + + OH - Ca 2+ + 2OH - Savanyú (pl. magmatikus) kőzeteket mállaszt Kémiai mállási folyamatok (folytatás 2.): Hidrolízis (folytatás) Al 3+ + 6 H 2 O = [Al(H 2 O) 6 ] 3+ alumínium-hexakva komplex [Al(H 2 O) 6 ] 3+ + H 2 O = [Al(H 2 O) 5 OH] 2+ + H 3 O + a kémhatás savas Bázikus és ultrabázikus (pl. magmatikus) kőzetek mállását eredményezi Kémiai mállási folyamatok (folytatás 3.): Redoxi (=oxidációs-redukciós) folyamatok a mállási folyamatokban akkor van jelentősége, ha több, stabilis oxidációs állapota is lehet az elemnek pl: Fe 2+ /Fe 3+ Cu + /Cu 2+ Sn 2+ /Sn 4+ Mn 2+ /Mn 4+ /Mn(VI)/Mn(VII) S 2- /S(II)/S(IV)/S(VI) pl: a pirit (FeS 2 ) mállása: a) 4FeS 2 +15O 2 +14H 2 O = 4Fe(OH) 3 +16H + +8SO 4 2- a közeg savassá válik b) FeS 2 +14Fe 3+ (aq)+8h 2 O = 15Fe 3+ (aq)+2so 4 2- +16H + a savasság fokozódik Kémiai mállási folyamatok (folytatás 4.): Redoxi folyamatok (folytatás) Csak az USA-ban, évente kb. 8 millió tonna (!) kénsav képződik ezen az úton a természetben A mállási folyamatok sebessége: tág határok között változik, több tényezőtől függ, ezek közül néhány: A kőzet típusa (kemény lágy) A környezeti hőmérséklet (trópus tundravidék) A nedvességtartalom (esőerdő sivatag) 4
A talaj fogalma A talaj A talaj: a földfelszín legfelső, termékeny rétege, 3 fázisú polidiszperz rendszer. Fázisok: szilárd (mállott anyakőzet; váz), folyadék (talajvíz, pontosabban talajoldat), gáz (talajlevegő) Komponensek: elsősorban szervetlen, kisebb mennyiségben szerves anyagok (jórészt élő vagy elhalt szervezetek) Természeti erőforrás: Biomassza termelés alapvető közege Bioszféra primer tápanyagforrása Fontos szerepet játszik a fenntartható fejlődés célkitűzéseinek megvalósításában (egyes területeken a termőképességet csökkentő vagy korlátozó, az emberi tevékenység hatására felerősödő környezeti kockázatokkal kell számolni) A talaj ökológiai funkciói Biomassza termelési funkció: a mező- és erdőgazdálkodás termőhelye Szabályozó funkciók: a környezet elemeit védő szűrő-, tompító- és átalakító folyamatok Biotóp funkció: a talaj biológiai élettér, egyben géntartalék Emberi tevékenységhez kötődő funkciók Fizikai közeg funkció: A talaj mint építési telek technikai, ipari, szociális létesítmények alapjául szolgál, beleértve a közlekedési utakat, pályákat, pihenőhelyeket stb. Nyersanyagforrás funkció: A talaj anyagai mint a tőzeg, folyami kavics, agyag, homok stb. az építőipar alapanyagai. Emellett a talaj a víz, olaj, ásványok és egyéb nyersanyagok lelőhelye is. Archív funkció: Archeológiai és paleontológiai információkat hordoz A talaj funkciói végesek, megújuló képessége pedig behatárolt. Elsősorban az ökológiai funkciók sérülékenyek és védelemre szorulnak. Mállás Humuszosodás Kilúgzás Agyagosodás Agyagvándorlás Podzolosodás Sófelhalmozódás Glejesedés Tőzegesedés Talajképző folyamatok Humuszosodás Humuszosodás: kialakul a talajra jellemző specifikus szervesanyag a humusz. Előfeltétele a felszínre és a talajba jutó szervesanyag bomlása majd átalakulása és az ásványi anyagokkal való kapcsolódása. 5
További talajképző folyamatok Kilúgzás: Előfeltétele a lefelé áramló víz. Eredménye: a felső talajszintek a bázikus kationokban (Na, K, Ca, Mg) történő elszegényedése. Agyagosodás: Felgyorsul az elsődleges szilikátok átalakulása és bomlása, másodlagos agyagásványok képződnek. Agyagbemosódás: A felső A szint agyagtartalma lényeges átalakulás nélkül levándorol az alatta fekvő B szintbe ahol felhalmozódik. További talajképző folyamatok Podzolosodás: Erősen savanyú közegben az agyagásványok alkotóelemeire esnek szét. A szilícium oxidok a felső szintben míg az alumínium és vas hidroxidok az alsó szintben halmozódnak fel. Szikesedés: A felszín közelében van a talajvíz és a párolgás mértéke meghaladja a csapadékét. A talaj oldható sótartalma a felszín közelében megnövekszik és különböző formában felhalmozódik. További talajképző folyamatok A kovárványosodás a homokon kialakult talajok jellemző folyamata. Lényege, hogy a homokban, a lefelé mozgó talajoldatokból kicsapódó anyagok nem összefüggő felhalmozódási szintet hoznak létre, hanem egymás alatt különböző távolságban ismétlődő rétegeket. Láposodás: Az állandó vagy az év nagy részében fennálló vízborítottság miatt gátolt a szervesanyag lebomlása, ezért nagy mennyiségben halmozódik fel. Talajszintek A talajképző folyamatok talajszinteket hoznak létre a homogén üledékből. A talajszinteket általában az ABC betűivel jelölik. Szilárd fázis: Nagyrészt különböző mértékben mállott anyakőzetekből származik. Kategorizálás szemcseméret szerint: Homok: 0,05-2,0 mm (főleg kvarc, SiO 2 ) Márga: 0,002-0,05 mm (kvarc és egyéb szilikátok) Agyag: 0,002 mm alatt (főleg rétegszilikátok és alumínium-szilikátok) Folyadék és szilárd fázis: Talajoldat és talajlevegő A szilárd részecskék közötti teret töltik ki Mennyiségük egymással fordított arányban van Mozgásukat a szilárd részecskék közötti csatornák mennyisége, mérete és állapota határozza meg 6
Folyadék és szilárd fázis (folytatás): Homoktalajok: csekély vízmegkötő képesség Kevés a talajban tárolt víztartalom, de ezt a növény könnyen fel tudja venni Agyagtalajok: nagyobb porozitás, több kapilláris víz, de erősebb a felületi adszorpció A víztartalomnak csak egy része felvehető (diszponibilis víz, DV) a többihez a növény nem jut hozzá (holtvíz, HV) A növénytáplálás szempontjából döntő tényező: A talajoldat mennyisége, oldott tápelem-tartalma, ph értéke (kémhatása) oxidációs-redukciós állapota levegő-víz arány nagy: oxidatív jó levegőzöttségű talajok (szántás!) levegő-víz arány kicsi: reduktív pl. pangó vizes (belvizes), vagy elárasztott területek (pl. rizsföldek) A talajlevegő összetétele eltér az atmoszférikustól: A szerves anyagok bomlása miatt a szén-dioxid tartalma jóval nagyobb (de változó, függ a talajlakó szervezetek mennyiségétől, a talaj szervesanyag-tartalmától, a hőmérsékletétől, a levegőzöttségétől és a nedvességi állapotától) hatással van a talajoldat ph-értékére is Vízgőzben telítettebb (a viszonylag zárt körülmények miatt a vízgőz jobban fel tud halmozódni) A talaj szerves komponensei: Az össztömeg 2-5 %-át teszik ki A talaj életében tömegarányukat jelentősen meghaladó mértékű szerepük van Elsősorban a talaj felső rétegeiben találhatók Két fő csoport: Élő szervezetek (jórészt mikróbák: baktériumok, mikroszkópikus gombák, de makroszervezetek is: pl. giliszták, talajlakó kisemlősök, stb.; növények aktív gyökérzete) Elhalt növényi és állati maradványok A talaj szerves komponensei (folytatás 1.): Mennyiségük függ: A talaj szervetlen komponenseitől Klimatikus tényezőktől (főleg hőmérséklet és talajnedvesség) A szerves anyagok lebomlása a talajban = humuszképződés A cellulózok többsége átalakul A lignin módosul C:N arány jó közelítéssel 10:1 (de változó) A talaj szerves komponensei (folytatás 2.): A szerves anyagok 2 fő csoportja a talajban: humusz nem-humuszszerű anyagok Humusz: Savas karakterű, fekete színű, jórészt aromás vegyületek, amelyek hidrofil csoportokat tartalmaznak Oldhatóságuk szerint csoportosítjuk: Huminsavak (lúgoldhatók) Fulvosavak (savban és lúgban is oldódnak) Huminanyagok (nem oldhatók) 7
Nem humuszszerű komponensek: Szénhidrátok (cukorszerű anyagok) Aminosavak, proteinek, fehérjemaradványok Lipidek: zsírok, viaszok Kis móltömegű szerves savak Mennyiségük a talaj szervesanyag-készletének 5-20%-át teszi ki. A szerves anyagok fontosak a talaj kolloidjainak kialakításánál, így a talajok adszorpciós képességében is jelentős szerepet játszanak. 8