Oxidationsverwitterung primärer eisenhaltiger Silikate: Skalenabhängige Raten und ihre Steuerungsfaktoren

• Antragstellerin: Dr. Ricarda Behrens
• Fachliche Zuordnung: Bodenwissenschaften
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 467329711

Für das Verständnis von Verwitterungsprozessen in silikatischen Gesteinen und Böden ist die Bestimmung von Verwitterungsraten und deren Steuerungsfaktoren von großer Bedeutung. Einen wichtigen Verwitterungsprozess stellt die Oxidation von Fe(II) in primären eisenhaltigen Silikaten dar. Es wird allgemein angenommen, dass dieser Prozess die Verwitterung solcher Minerale initiiert und verstärkt, da er zu neuen Wegsamkeiten für Verwitterungslösungen führt. Auf der Mikro- bis Nanometerskala („in situ“) verursacht die Oxidationsreaktion chemische und strukturelle Mineralveränderungen (z.B. Kationenfreisetzung, Gitterverzerrungen, Mikrofrakturen), welche bislang kaum systematisch erforscht sind. Das übergeordnete Ziel dieses Projektes besteht daher in einem Vergleich der Oxidationskinetik der Minerale Biotit, Olivin und Pyroxen, der Erforschung oxidationsbedingter physikochemischer Mineralveränderungen sowie der Untersuchung abiotischer Steuerfaktoren der Oxidationsverwitterung auf unterschiedlichen Skalenebenen. Die spezifischen Projektziele sind: (1) Bestimmung von bulk und in situ Fe(II)-Oxidations- und Kationenfreisetzungsraten, (2) Ermittlung des Einflusses niedermolekularer organischer Säureanionen und reaktiver Sauerstoffspezies (engl., reactive oxygen species, ROS) auf die Oxidationsverwitterung, (3) Untersuchung oxidationsbedingter Veränderungen der Mineralstruktur sowie (4) Untersuchung des räumlichen Ausmaßes der Fe(II)-Oxidation. Um diese Ziele zu erreichen, werden abiotische Durchfluss- und Batchexperimente durchgeführt. Gesamtauflösungsraten, Gesamtraten der Fe(II)-Oxidation, die Bildung von ROS während der Oxidationsverwitterung sowie deren Einfluss auf die Oxidationskinetik werden mittels nasschemischer Analyseverfahren wie der optischen Emissionsspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma, Hochleistungsflüssigchromatographie und UV-VIS-Spektroskopie bestimmt. Detaillierte in situ Analysen der Minerale vor und nach Oxidation erfolgen mittels verschiedener Techniken der Transmissionselektronenmikroskopie wie der hochauflösenden Bildgebung, energiedispersiven Röntgenspektroskopie, Elektronenenergieverlustspektroskopie sowie der Feinbereichselektronenbeugung. Zusammenfassend liefert das Projekt die ersten umfassenden quantitativen Informationen zur abiotisch kontrollierten Oxidationsverwitterung wichtiger primärer Fe(II)-haltiger Silikate und trägt damit zu einem wesentlichen Fortschritt im mechanistischen Verständnis von Verwitterungsreaktionen in der kritischen Zone bei.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen