Geochemie - Franzosenwiesen EarthCache

Zusammenfassung:

Die Anreicherung von Mineralien in Gestein geht auf geochemische Prozesse zurück, die häufig mit vulkanischen Aktivitäten einhergehen. Darüber hinaus gibt es geochemische Prozesse, die zu einer schleichenden Anreicherung von Elementen in unserer Umgebung führen.

Dieser Earthcache beschäftigt sich mit den chemischen Zusammenhängen, die zur charakteristischen Deposition von Elementen abhängig vom pH-Wert in der Erde führen. Gezeigt wird dies hier am Beispiel saurer Biotope.

Abstract:

The enrichment of minerals in rock has its reasons in geochemical processes that often occur together with volcanic activities. Furtermore there are several geochemical processes that lead to a slow continuous deposition of elements in the enviroment.
This earthcache shows the chemical context that leads to a characteristically deposition of elements in dependence of the pH value. In this case it is shown in an acidic enviroment.

Geochemie - Die Franzosenwiesen

Deutsche Beschreibung:

Die Franzosenwiesen sind ein Moor im Burgwald, dem größten zusammenhängenden Wald Hessens.
Moore sind nasse Lebensräume. Der ständige Wasserüberschuss aus Niederschlägen oder Mineralbodenwasser bedeutet einen Sauerstoffmangel und führt zu einem unvollständigen Abbau pflanzlicher Reste, die Humifizierung wird unterbrochen. Die abgelagerten, kohlenstoffreichen Reste, werden als Torf bezeichnet. Da bei wachsenden Mooren die Biomasse kontinuierlich zunimmt, werden diese als Stoffsenken bezeichnet. Durch den unvollständigen Abbau weist der Moorboden einen hohen Anteil an organisch gebundenem Stickstoff auf und eignet sich damit prinzipiell als guter Dünger. Nach Schätzungen sind alleine in den deutschen Niedermooren etwa 120 Millionen Tonnen Stickstoff in Form organischer Verbindungen gespeichert. Basierend auf dem typischen Verhältnis zwischen Kohlenstoff und Stickstoff in Torf entspricht dies etwa 1,8 Milliarden Tonnen gespeichertem Kohlenstoff.

Aus geochemischer Sicht ist der pH-Wert das auffälligste Merkmal, das ein Moor von Minderalbodengewässern unterscheidet. Der pH Wert von Mooren liegt im Bereich < 4,8, wobei von Mineralbodenwasser durchströmte Moore in einzelnen Fällen mit einem pH Wert bis nahe an den Neutralpunkt bei pH 7 existieren.

Der pH Wert gibt die Konzentration (in der Einheit mol/L) von Wasserstoffionen (H⁺) in Wasser an und ist ein Maß, ob ein Gewässer sauer (pH 0 bis 7) oder basisch (pH 7 bis 14) ist. Damit ist es eine der wesentlichsten Größen in der Gewässeranalytik. Der pH-Wert ist nicht linear zur Konzentration an H⁺, sondern orientiert sich am dekadischen Logarithmus. Eine Änderung der H⁺ Konzentration um den Faktor 10 ergibt daher lediglich eine pH-Wert Änderung von 1. Die gebräuchliche pH-Skala mit Werten von 0 bis 14 deckt damit einen weiten Konzentrationsbereich ab.

Die genaue Formel zur Berechnung ist:

pH = –log[c(H⁺)]

In Worten: Der pH-Wert ist gleich der negative dekadische Logarithmus aus der H⁺-Konzentration.

Der im Vergleich zu Mineralböden auffällig niedrige pH-Wert von Mooren führt zu einer charakteristischen Verteilung vieler Elemente im Torf, was Rückschlüsse auf unter anderem antrophogene Immissionen in das Moor zulässt, die über Luft oder Wasser - vor allem bei durchströmten Mooren - eingetragen wurden.

Die Erdalkalimetalle Calcium Ca und Magnesium Mg werden aufgrund ihrer starken Komplexbildungseigenschaften (vor allem bei Ca) in Mooren stark angereichert, da sie Komplexe mit entstehenden organsichen Säuren bilden. Vor allem Kalium K unterliegt jedoch einer Auswaschungsgefahr, da es kaum schwerlösliche Verbindungen bildet.

Viele Spurenelemente, die im Mineralboden bei pH Werten um den Neutralpunkt meist als Carbonat oder Oxid vorliegen, finden sich vor allem in Mooren höheren pH-Werts (ab etwa 4,5) in angereicherter Form in Form ihrer Sulfide, Hydroxide oder Oxide, werden in Hochmooren aber teilweise aufgrund erhöhter Löslichkeit ausgewaschen. Die Schwermetalle Cadmium Cd und Mangan Mn werden z.B. schon in der lebenden Pflanze in den Blättern der Moosbeere angereichert und finden sich im Torf wieder. Auch Molybdän Mo findet sich in Niedermooren in ungeöhnlich stark angereicherter Form wieder. In der folgenden Tabelle ist eine Übersicht über wesentliche Spurenelemente dargestellt, deren Gehalt in mg/kg Boden bestimmt wurde:

Die Franzosenwiesen wurden seit dem 19. Jahrhundert als Heuwiesen genutzt, später wurden weite Bereiche mit Fichten bepflanzt. Heute sind große Bereiche der Franzosenwiesen wieder im Besitz des Landes Hessen, so dass die überfluteten Moorbereiche zu einem Teil wieder hergestellt sind. Das heute 115 ha große Moorgebiet mit Feuchtwiesen und zahlreichen kleinen Gewässern ist ein einzigartiges Kleinod in der Region.

Um den Cache zu loggen, musst du folgende Fragen beantworten:

1. Welche Höhe zeigt dein GPSr an der Infotafel?
2. Welche Zahl steht in der dritten Zeile von unten im Text?
3. Warum ist der pH-Wert von Mooren so außergewöhnlich niedrig?
4. Welchen pH-Wert hat ein Gewässer, bei dem die H⁺-Konzentration 0,000001 mol/L beträgt?

Es wäre schön ein Foto von dir oder deinem GPS vor dem Hintergrund des Moors zu sehen.

English description:

The Franzosenwiesen are a bog in the Burgwald, the largest contiguous forest in Hessia.
Bogs are wet habitats. The constant lack of oxygen in the overflooded soil results in the incomplete decomposition of plants residues, the humification process is interrupted. The deposited, carbon-rich remnants are known as peat. Since the biomass increases continuously in growing bogs, they are called sinks for carbon and other elements. Due to the incomplete degradation, the peat contains high amounts of organically bound nitrogen and is generally a good fertilizer. It is estimated that only the low moors store more than 120 million tons of organic bound nitrogen. Based on the typical relationship betwenn the amounts of nitrogen and carbon, this represents an amount of 1.8 billion tons of stored carbon!

From the geochemical point of view, the pH is the most characteristic value that distinguishes a moor from common waters. The pH value of moors is in the range pH <4.8, while the pH of moors where water flows through the moor (especially in lower moors) can almost reach the neutral point of pH 7.

The pH value indicates the concentration (in units of mol / L) of hydrogen ions (H⁺) in water, and is a indicator of whether a water is acidic (pH 0 to 7) or alkaline (pH 7 to 14). This makes it one of the most important variables in water analysis. The pH is not linear to the concentration of H, but based on the common logarithm. A change of H⁺ concentration by a factor of 10 is therefore only a pH change of 1. The common pH scale with values from 0 to 14 covers a wide range of concentrations.

The exact formula for the calculation is:

pH = –log[c(H⁺)]

In words: the pH value is equal to the negative common logarithm of the H⁺ concentration.

The in comparison to mineral soils remarkably low pH of moors results in a characteristic deposition of many elements in the peat. This enables conclusions about the immissons over air and water into the moor.

The alkaline earth metals calcium and magnesium, Ca an Mg, are enriched in moors due to their strong complexing properties (especially Ca), because they form complexes with organic acids. Especially potassium K but is soluted and washed out of the soil, because it doesn‘t form insoluble complexes (except some very special complexes with uranium, for example)

Many trace elements are enriched in lower moors due to the higher pH and stored as hydroxide or sulfide compunds or in their oxides. A perfect example are copper Cu and molybdenum Mo, that are highly enriched in lower moors but not in very acidic moors (see the table below). The heavy metals cadmium Cd and manganese Mn are enriched in the living plant in the leaves of cranberrys and can be found in the peat in higher concentrations again.

The following table shows a summary of essential trace elements, their content in mg / kg soil was determined:

This moor was partially dried out since the 19th century to use it as hay meadows. Large areas were planted with spruce after the meadows were not longer used for hay. Now large parts of the moor were rebought from Hessia to restore the overflooded areas. The 115 ha large habitat of moor, wet meadow and small waters is a unique beauty spot in the region.

To log this geocache you have to answer the following questions:

1. Which height does your GPSr show next to the information board?
2. Which number stands in the third line from the bottom of the text?
3. What is the reason for the remarkably low pH value of moors like this?
4. What is the pH of water with a H⁺ concentration of 0,000001 mol/L?

It would be nice to see a picture of you or your GPSr in front of the moor.