Laterit - Wichtigster Bodentyp der Tropen

Gliederung

A) Einleitung
Der Boden und seine Variationen am Beispiel Laterit

B) Hauptteil
1 Grundlegende Kenntnisse der allgemeinen Pedogenese
1.1 Bodenbildende Faktoren
(Klima, Relief, Wasser, Ausgangsgestein, Fauna/ Flora, Mensch, Zeitdauer)
1.2 Bodenbildende Prozesse
( Bodendurchmischung, Salzverlagerung, Verbraunung, Tonverlagerung, Podsolierung, Vergleyung/ Pseudovergleyung und Ferralisierung/ Lateritisierung/ Rubefizierung)
2 Die bodenbildenden Faktoren : Spezialisierung auf Laterite
2.1 Faktor Klima und Wasser in der Tropen
2.2 Faktor Ausgangsgestein
2.2.1 Chemische Verwitterung von Feldspäten bei der Lateritbildung
2.3 Faktor Relief und Zeit
2.4 Faktor Flora und Fauna in den Tropen
2.4.1 Bodenfruchtbarkeit und Bodenbewertung von lateritischen Böden
2.5 Anthropogener Einfluss
2.5.2 Bodendegration bei Lateriten
3 Vorausgehende bodenbildende Prozesse zur Lateritentstehung
3.1 Laterit – Kategorie der Oxisole / Oxide
4 Lateritisierung - Bildung des Lateritprofils
4.1 Phase 1 der Lateritisierung : Zersetzung
4.2 Phase 2 der Lateritisierung : Desilifizierung (Entkieselung)
4.3 Phase 3 der Lateritisierung : Ferrallisation (Ferrallitisierung) / Plinthisation
4.3.1 Lateritische Landformen in der Savannenregion: Beispiel Bornhardt
4.3.2 Abbaubare Erze im Lateritprofil : Plinthit und Bauxit
4.4 Hypothesen und Theorien zur Bildung von Plinthit (Laterit)
4.4.1 Residualhypothese
4.4.2 Vergleyungshypothese und Grundwassertheorie
4.4.3 Stau- und Grundwasserhypothese
4.4.4 Seifentheorie
4.4.5 Hanggley – Theorie
4.4.6 Karsthypothese

C) Schlussteil
Die Suche nach einer wirtschaftlichen Verwendung von Laterit

A) Einleitung

Der Boden und seine Variationen am Beispiel Laterit

Als Boden wird die dünne Verwitterungsschicht der Erde zwischen Lithosphäre und Atmosphäre bezeichnet, er bildet den grundlegenden Teil der Biosphäre.^[1] Geologen bezeichnen den Boden auch als „unverfestigte mineralische Substanz“^[2] gegenüber dem widerständigen Gestein. Jeder Boden ist zunächst im Laufe der Zeit durch exogen bedingte, dynamische Verwitterungsprozesse aus dem darunter liegenden Gestein entstanden. Dabei sind die mechanische Verwitterung, wie eine durch Temperaturunterschiede herbeigeführte Gesteinssprengung, und die chemische Verwitterung, sie führt zur Lösungsverwitterung und Oxidation, maßgeblich beteiligt. Die Verbindung von Wasser und Kohlenstoff zu Kohlensäure ist beispielsweise in der Lage kaum löslichen Kalkstein auszulaugen, Karstlandschaften entstehen. Zum dritten wird jeder Bodentyp durch die Vegetation und Tierwelt beeinflusst, wobei die Zersetzung und Arbeit von Bodenwühlern abgestorbener organischer Substanz zur Humusbildung führt. Dies wird als so genannte biologische Verwitterung bezeichnet. Erst die Wechselwirkungen zwischen mineralischen und organischen Komponenten bilden das Solum^[3], die zumeist nährstoffhaltige Bodenschicht. Das Objekt Boden stellt dem Geologen zahlreiche Informationen über klimatische Bedingungen oder Entstehung bereit, woraus ein möglicher Nutzen gezogen werden kann. Die Erde mit ihren unterschiedlichen klimatischen Bedingungen, und damit verbundenen hydrologischen Gegebenheiten, weist ein Variantenreichtum an Bodentypen auf. Die Verbreitung der Bodentypen ist gleichzusetzen mit dem Wechsel der Klimate. Besonders die Böden der tropischen Klimaregionen müssen hervorgehoben werden, welche sich in einem Gürtel von 5° südlich und nördlich des Äquators erstrecken.^[4] Diese Böden entstanden aus einer sehr langen Pedogenese, welche vor etwa 65 Millionen (bis 2,6) Jahren im Tertiär begann. Geprägt von hohen Temperaturen und immerfeuchten oder wechselfeuchten Bedingungen vollzog sich eine beschleunigte tiefgründige Verwitterung des Gesteins in dieser Klimaregion. Alte Kontinental – Rumpfflächen, aus Graniten, Gneisen oder Sandsteinen, stellten hierbei die Basis der Verwitterung dar. Das Endprodukt der Pedogenese ist der, in allen Tropenregionen, weit verbreitete Laterit, oder auch Plinthit genannt. Der Name stammt aus dem lateinischen und griechischen, und bedeutet ‚Ziegelstein’, wobei diese Namensgebung auf die Nutzung der unauflöslichen Verkrustung nach der Austrocknung bezogen ist. Dieser rote und unfruchtbare Verwitterungsboden gehört zur Bodengruppe der Oxisole, welche durch die lange und intensive chemische Verwitterung der eisen- und aluminiumreichen Gesteine eine Mächtigkeit in Extremfällen bis zu 60 Metern erreichen kann. Laterite zählen als chemisch biogene Sedimenten, zur Gruppe der tonerdehaltigen Verwitterungsrückstände. Im nun folgenden Text werde ich mich zunächst mit den allgemeinen Gegebenheiten der Pedogenese auseinandersetzen und dann in der Spezialisierung auf Laterit genauer eingehen.

B) Hauptteil

1 Grundlegende Kenntnisse der allgemeinen Pedogenese

1.1 Bodenbildende Faktoren (Klima, Relief, Wasser, Ausgangsgestein, Fauna/ Flora, Mensch, Zeitdauer)

Wie schon erwähnt ist Boden das Verwitterungsprodukt von Gestein. Doch bis das Ausgangsgestein zum endgültigen Boden wird, muss dieses eine Reihe von Umwandlungsvorgängen^[5], und den damit verbundenen exogenen Faktoren, durchlaufen. Zu dem wohl wichtigsten bodenbildenden Faktor gehört das Klima und die die dem entsprechende Temperatur, sowie die hydrologischen Gegebenheiten. Chemisch gesehen wird die Verwitterung durch erhöhte Temperatur und Luftfeuchtigkeit enorm beschleunigt, wie man an der tiefgründigen Verwitterung der Böden in den feuchten tropischen Klimaten erkennen kann. Die physikalische Verwitterung wird jedoch in Klimaten mit starken Temperaturschwankungen deutlicher ausgeprägt sein, da diese vor allem durch die unterschiedlichen Aggregatzustände des Wassers erhebliche Gesteinzerstörungen hervorrufen. Die Zerkleinerung von großen Gesteinsblöcken durch Frostsprengungen (Kryoklastik) zählt zu den geläufigsten Prozessen dieser exogenen Dynamik, da sich Wasser beim gefrieren ausdehnt. Aber auch die Desorption und Adsorption von Wasser am Gestein kann den Gesteinszerfall bewirken. Das Element Wasser spielt die entscheidende Rolle im chemischen, wie auch physikalischen Verwitterungsprozess. Dabei bestimmt die jeweilige Durchfeuchtung des Bodens die Tiefe der Verwitterung. Denn unter der Einwirkung von Stauwasser, Sickerwasser, Haftwasser und Kapillarwasser entwickeln sich alle terrestrischen Bodentypen. Ein weiterer bodenbildender Faktor ist das Relief, welches die Merkmale von Temperatur, Windeinfluss und Wasserhaushalt grundlegend verändern kann. Die Hangneigung ist eine wichtige Komponente, da die Erosion durch Niederschläge und Wind in höheren Lagen ausgedehnter ist als in flacheren. Eine ständige Abtragung macht die Entstehung eines tiefgründigen Bodenprofils unmöglich. Damit verbunden ist die Ausprägung der Vegetation, da sie sich im steileren Anbaugebiet teilweise als weniger fruchtbar erweist. Aber auch das Ausgangsgestein ist mit seiner mineralogischen Homogenität oder Inhomogenität für die Pedogenese entscheidend. Zu der physikalischen Beschaffenheit zählen Klüftung, Korngröße, Porosität und die Einteilung in Fest- oder Lockergesteine. Die drei Gesteinsarten, Magmatit, Sedimentit und Metamorphit verwittern unterschiedlich. Wobei grobkörnige Magmatite, wie der Plutonit, leichter verwittern als der feinkörnige Vulkanit. Bei Sedimenten verwittern Lockergesteine schneller als feste. Letztlich bei den Metamophiten verwittern beispielsweise die groben kristallisierten Gneise schneller als feine Tonschiefer. Die Verwitterung des Ausgangsgesteins verändert dessen Zusammensetzung und kann zu Stoffneubildungen führen. Auch die Vegetation ist ein bodenbildender Faktor, sie reguliert den Bodenwasserhaushalt, wirkt als Befestigungsmaterial und dient zudem auch der Nährstoffanreicherung im Boden durch abgestorbene organische Substanz. Die Zersetzung durch Mikroorganismen und die Durchwühlung von Tieren werden bestimmte Humusverbindungen geschaffen, welche allerdings von den klimatischen und hydrologischen Bedingungen abhängig sind und der chemischen Verwitterung des Bodens beitragen. Denn die im Humus enthaltenen Huminstoffe, wie Fulvosäuren und Huminsäuren, lösen chemische Reaktionen bei den bodenbildenden Prozessen aus. Als vorletzten Faktor bezeichnet man die bewussten und unbewussten Tätigkeiten des Menschen in der Natur, welcher somit die bodenbildenden Faktoren aus dem Gleichgewicht bringen kann. Eine Agrarwirtschaft geprägt durch Monokulturen und Rodungen sind dabei die wichtigsten Ursachen, und können eine bestimmte regionale Pedogenese umkehren, so dass sich völlig neue Böden entwickeln. Alles in Allem sind die bodenbildenden Faktoren an die Zeitdauer gebunden, denn nur mit ausreichender Zeit kann das „Gleichgewichtsstadium“ der Bodenentwicklung erreicht werden, dabei sind die Entstehungszeiten von Boden zu Boden unterschiedlich.^[6] Eine schnelle Veränderung der Bodenentwicklung kann sich aber auch in recht kurzer Zeit abspielen, denn Zeit ist stark an die Wechsel des Klimas gekoppelt.^[7]

1.2 Bodenbildende Prozesse ( Bodendurchmischung, Salzverlagerung, Verbraunung, Tonverlagerung, Podsolierung, Vergleyung/ Pseudovergleyung und Ferralisierung/ Lateritisierung/ Rubefizierung)

Der Einfluss der bodenbildenden Faktoren, in Verbindung mit der physikalischen, wie auch der chemischen und biologischen Verwitterung, führt zu den bodenbildenden Prozessen, welche individuelle Bodenentwicklungen und differenzierte Bodenprofile entstehen lassen. Die Bodendurchmischung ist der erste Prozess in der Pedogenese. Dabei kann je nach klimatischer Gegebenheit der Boden von Wurzeln durchsetzt, von Bodenwühlern gelockert oder durch Kryoturbation aufgefroren werden. Aber auch anthropogene Einflüsse, wie Pflügen, sorgen im Boden für Durchmischung. Zum Zweiten stellt die Salzverlagerung im Boden einen wichtigen Prozess dar, denn durch die Anreicherung und Wegnahme von Salzen können sich Farben und Korngrößen im bestehenden Boden verändern. Die Eisenfreisetzung bei der Mineralverwitterung mit anschließender Oxidation führt zum dritten Prozess, der Verbraunung. Die im Boden befindlichen Quarze (Siliziumdioxid) umgeben sich mit einer Eisenoxidhülle, welche die Braunfärbung (Goethit) verursacht. Die Verbraunung ist eng mit der Verlehmung verbunden, durch Tongehalterhöhung oder Neubildungen im Boden. Beim vierten bodenbildenden Prozess, der Lessivierung, wird die Verlagerung des Oberboden - Tons in den Unterboden vollzogen, wobei dies eine Bodenverdichtung zur Folge haben kann. Der Transport von Ton vollzieht sich in Hohlräumen wie Poren und Schrumpfungsrissen. Der fünfte Prozess umfasst die Bleichung, oder auch Podsolierung, des Bodens. Hierbei erfolgt eine Verlagerung der organischen Stoffe, sowie Eisen und Aluminium, in den Unterboden. Die Fulvosäuren im Rohhumus, eine Gruppe saurer Huminstoffe, lösen die Reaktion aus und Siliziumdioxid reichert sich mit braunem Eisenoxid an und bildet die typische grau – weiße Oberfläche aus. Die ausgewaschenen Eisen-, Mangan- und Humusverbindungen lagern sich im B – Horizont an, sie verfestigen sich zu wasserundurchlässigem Ortstein^[8]. Die minderwertigen Podsolböden sind in den kaltgemäßigten Klimaten verbreitet. Die Vergleyung und die Pseudovergleyung, der sechste bodenbildende Prozess, führen zu gebleichten Bereichen im Boden, wobei durch Grundwasser hervorgerufene Wassersättigung und Sauerstoffmangel Eisen- und Manganoxide im Boden gelöst und verlagert werden. Als siebter bodenbildender Prozess wird die Lateritisierung, oder auch Ferralisierung und Rubefizierung, betrachtet, auf die ich allerdings später eingehen werde.

2 Die bodenbildenden Faktoren : Spezialisierung auf Laterite

2.1 Faktor Klima und Wasser in der Tropen

Grundsätzlich sind alle tropischen Böden Produkte einer sehr langen Pedogenese, welche im Tertiär begann. Da diese Pedogenese aber klimatologischen Veränderungen unterworfen war, befinden sich heute Laterite auch in wechselfeuchten und teilweise trockenen Gebieten, da an deren Stelle in den pleistozänen Pluvialzeiten^[9] immerfeuchte Regionen ihren Platz hatten.

Laterite, heute als Plinthit bezeichnet, ist die stark verbreitete Bodenart des tropischen Regenwaldes, circa die Hälfte des Regenwaldbestandes wächst auf diesem Roterdeboden. Es handelt sich um eine extrem allitische Pedogenese, in semihumiden bis semiariden Klima, die zur Bildung von Aluminiumhydroxyden und Eisenoxyden führt. Laterit ist der umfassende Begriff für den roten Verwitterungsboden der immerfeuchten und periodisch - feuchten Tropen, welche sich über einen Gürtel von 5° nördlich und südlich vom Äquator um die Erde erstrecken. Die letzte Geozone des Festlandes, oder auch als inneren Tropen bezeichnet, ist an den östlichen Rändern von Südamerika und Afrika schwach ausgebildet, da diese Gebiete den trockenen und kontinentalen Passatströmungen unterliegen. Der Faktor Klima war und ist entscheidend für die intensive chemische Verwitterung der Feldspäte im Boden, als Vorraussetzung für die Bildung von lateritischem Boden, den Latosolen oder Plinthosolen. In den tropischen Klimaten herrscht eine Jahresmitteltemperatur von etwa 25°C, es bestehen als keine jahreszeitlich bedingten Temperaturschwankungen wie es in den gemäßigten Klimaten üblich ist. Lediglich tägliche und regelmäßige Schwankungen von 6°C bis 12°C können eintreten. Im dauerfeuchten Gebiet der Tropen spielt natürlich der Faktor Wasser eine entscheidende Rolle für die beschleunigte chemische Gesteinsverwitterung. Hohe Niederschläge von 1000 bis 15 000 mm (Durchschnitt 3000mm) im Jahr sind normal, wodurch ein humides Klima erzeugt wird. Es kann jedoch auch in einzelnen Gebieten zu längeren Regenzeiten kommen, welche anschließend durch eine trockenere Periode unterbrochen werden. Im Boden herrscht, infolge der hohen Luftfeuchtigkeit, ein geringes Wassersättigungsdefizit, wodurch die Verdunstung von Bodenwasser nach außen vermindert wird. Der Bodenwasserhaushalt und dessen Wasservorrat sind konstant, so dass kein Wasserstress auftreten kann. Es besteht ein Udic – Regime^[10] im Boden. Plinthosols befinden sich zumeist in Becken mit Stauwasser oder Grundwassereinfluss und Gebieten mit wechselndem Grundwasserstand, dies sind Flächen sehr alter Bodenbildung, wie dem Kongo – Becken, Zentral – Amazonien oder in der Sudan – Sahel – Zone. Zusammenfassend ist zu sagen, dass die Bildung von Laterit, also die Verwitterung des Substrats, durch die ständige Feuchtigkeit und gleichmäßig hohe Temperatur der immerfeuchten Tropen gefördert wird. Des Weiteren führt der ständige Wasserüberschuss die Auswaschung von Bodenbestandteilen, wie Kieselsäure und aller im Boden vorhandener Basen. Die ausgelaugten Bodenschichten werden somit sauer. Jedoch sind die vollständig verwitterten Tropenböden meist neutral statt sauer. Regionen der periodischen – feuchten Tropen sind geprägt durch einen jahreszeitlichen Wechsel der Luftmassen, dies hat eine feuchte Jahreszeit und eine trockene zur Folge. In den kälteren Trockenzeiten der periodisch – feuchten Tropen kann sich Plinthit krustenartig und irreversibel verhärten, dieser unfruchtbare Eisenpanzer wird auch als „ironstone“ oder „hardpan“ bezeichnet. Plinthosole sind von großer Bedeutung in den Tropen, da sie das Ende der tiefgründigen Verwitterung von tropischen Böden markieren.

2.2 Faktor Ausgangsgestein

Den steinigen Untergrund in tropischen Gebieten kann man in drei Hauptarten einteilen. Zum ersten wären da die alten kontinentalen Rumpfflächen, welche aus Graniten, Gneisen oder Sandstein bestehen. Des Weiteren sind auch die in Flusstälern und Senken beherbergte Schwemmsedimentschichten als bodenbildendes Ausgangsgestein der Verwitterungsbasis dienlich. Aber auch sehr junge Landschaften, welche durch Vulkanismus aus alkalischer Vulkanasche bestehen sind in den tropischen Regionen vorhanden. Laterit, oder Plinthit, entsteht durch die Verwitterung von alten Erstarrungsgesteinen, den Intrusivgesteinen, wie Granit. Lateritische Bodenprofile entwickelten sich in tropischen Klimaten auf einem basischen Magmatit, dem Granit.

2.2.1 Chemische Verwitterung von Feldspäten bei der Lateritbildung

Das Wesen der Lateritisierung besteht darin, dass aus den Silikatgesteinen alle Kieselsäuren und fast alle Alkalien aufgelöst und fortgeführt werden (Hydrolyse^[11]), der Feldspatverwitterung. Daraus entsteht ein Tonerdehydrat wie Hydrargillit oder Bauxit mit einem bestimmten Gehalt an Eisenhydroxyd. Demnach resultiert Laterit aus der raschen und extremen Verwitterung der Feldspäte. Das Muttergestein ist Granit. Die ausgeprägten bodenbildenden Faktoren in den Tropen führen dazu, dass massive Granitblöcke in eine weiche Masse chemisch zerlegt werden.^[12] Der Feldspat wandelt sich dabei zu Tonmineralien um. Das Gefüge des vormals stark verbundenen Granits wird geschwächt, die Kohäsionskräfte zwischen den Mineralien werden gelöst. Das Kristallgitter wird instabil, da durch die Hydration^[13] die Anziehung entgegengesetzter Ionen blockiert wird. Es entsteht zunächst Saprolith^[14], das stark zersetzte und durch chemische Verwitterung aufgeweichte, bröselige Gestein kennzeichnet die erste Verwitterungsstufe bei der Entstehung von Laterit. Das Gesteingefüge, sowie die stabilen Quarze sind im Saprolith noch erkennbar (Grus). Da die Feldspäte direkt zu Tonmineralien verwittern, ist in dieser mineralisch vollständig zersetzten Schicht kein Schluff vorhanden. Durch die andauernde Verwitterung zersetzt sich das Ausgangsgestein völlig, übrig bleibt ein weißer Zweischicht - Ton, das Aluminiumsilikat Kaolinit.^[15]

Das Prinzip dieser Reaktion ist die Aufnahme von Wasser und der folgenden Abgabe von gelösten chemischen Bestandteilen des Feldspats. Die im Regen- oder Grundwasser gelöste Kohlensäure^[16] (H₂CO₃) beschleunigt die Feldspatverwitterung, wobei neben Kieselsäure auch Kaliumcarbonat und Hydrogencarbonat aus dem Feldspat herausgelöst und abtransportiert wird.^[17] Es folgt der Prozess der Podsolierung.^[18] Die Entstehung von Laterit wird anhand der bodenbildenden Prozesse der Desilifizierung und Ferralitisierung später behandelt.

[...]

^[1] Abbildung 1: Bodenbildungsprozesse in zeitlich fortschreitender Entwicklung, In: Fischer,P.; Erdkunde (2000), Cornelsen Skriptor.

^[2] Strahler / Strahler, S.506.

^[3] Abbildung 2: Konzept des Pedons und Polypedons, In: Strahler / Strahler, S.506.

> Pedon = säulenförmiger Ausschnitt des Bodens

^[4] Abbildung 3: Verbreitung der tropischen Klimaregion und ihrer Böden.

^[5] Abbildung 4: Umwandlungsvorgänge bei der Bodenbildung. In: Fischer,P., Erdkunde 2000.

^[6] Beispiel Parabraunerde: aus Schwarzerde in den letzten 2000 Jahren hervorgegangen.

^[7] Beispiel Periglazialklima wechselt zu einem gemäßigten Klima innerhalb von 10000 Jahren.

^[8] Ortstein, eine durch Witterrungseinflüsse verfestigte Bodenschicht.

^[9] Pluvialzeit bezeichnet eine Periode der Erdgeschichte mit kühlerem Klima und stärkeren Niederschlägen. Heute sind dies die trockenen Subtropen. In Verbindung mit der allitischen Pedogenese, also einer Art Winterzeit der Bodenbildung.

^[10] Lat. udus = humid.

^[11] Hydrolyse : Die Spaltung chemischer Verbindungen durch Wasser

^[12] Abbildung 5 : Gesteinszerfall, Press / Siever, S. 120.

^[13] Hydration : Einlagerung von Wasser im mineralischen Kristallgitter.

^[14] Saprolith = verfaultes Gestein.

^[15] [Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten]

^[16] Abbildung 6 : Carbonatisierung , Feldspatverwitterung, Press/ Siever, S. 124.

^[17] Formel / Verwitterungsreaktion : Feldspat + Kohlensäure + Wasser => gelöstes Kaolinit + gelöste Kieselsäure + gelöstes Kalium + gelöstes Hydrogencarbonat.

^[18] Exkurs Podsol: Kommt im Rio – Negro – Becken des Amazonas vor und ist durch die angeschwemmten organischen Stoffe (Schwemmböden) im Gegensatz zu den Latosolen sehr nährstoffreich.