Welcher stoffliche Prozess kann der Verkieselung organischer Substanz zugrunde liegen?

Nachdem versucht wurde darzustellen, wie durch fraktionierte Kristallisation und Auszutschung vulkanischer Massen kieselsäurereiche Mobilisate entstehen und transportiert werden können, steht die Frage, wie diese Lösungen in organogene Substanz eindringen und sich fixieren können. Neuere Untersuchungen an verkieselten Hölzern von Chemnitz stellten einen anthrazitischen Inkohlungsgrad an dispers verteiltem Kohlenstoff fest [16], Untersuchungen mit Raman- und Kathodoluminiszenzspektroskopie ergaben, dass einer Primärsilifikation eine Sekundärmineralisation folgt, die durch hydrothermale Prozesse unter vermutlich höheren Temperaturen stattgefunden hat. Als Mineralbildungen werden phanerokristalliner und mikrokristalliner Alphaquarz, Moganit, Fluorit und Oxide des Eisens benannt. Silifizierung und Fluoritisierung erfolgten gleichzeitig [17]. Dieser Befund deckt sich mit den Vorstellungen auf Grund von Beobachtungen und damit, dass die mineralisierenden Substanzen aus dem einbettenden und überlagernden Rhyolithtuff des Zeisigwaldes hergeleitet werden können [18].

Der kieselholzliefernde Zeisigwalder Porphyrtuff ist als hochdifferenziertes alkalibetontes vulkanisches Material eingestuft, wobei das Kalium eine deutliche Vormacht gegenüber dem Natrium besitzt. Nach den hier vorgestellten Abläufen dürften die ehemals glasigen Bestandteile infolge Mobilisatbildung wie auch durch Verwitterungsprozesse zu Tonmineralen umgebildet worden sein.

Eine nach der klassischen Theorie der Hydrothermalbildungen vielfach vermutete aszendente Lösungszufuhr aus tieferliegenden Quellen dürfte wohl ausscheiden, zumal eine im Mittel 100 Meter mächtige Sedimentschicht im Liegenden gegeben ist, die zum Transport der mineralisierenden Lösungen wenig geeignet ist.

Ein grundsätzliches Problem steht nach wie vor: Wie ist es möglich, ausreichend Kieselsäure so bereitzustellen, dass zeitnah derartig umfangreiche Silifizierungen eintreten können?

Nach heutigem Kenntnisstand waren es am Beispiel der Altendorfer Hornsteinplatte tümpelartige Gewässer, in denen zunächst Pflanzenteile hineingeschleudert wurden, die durch "vulkanisch induzierte Zufuhr" von Kieselsäure erhalten wurden [19].

Auf der Suche nach dem Lieferanten für die Kieselsäure dürften mächtige überlagernde Tuffschichten in Frage kommen, in denen aus Glassubstanz unter Beteiligung zirkulierender Wässer Kieselsäure mobilisiert wurde. Andere Lösungsbestandteile dieses Mobilisats beteiligten sich im Pyroklastit an der Tonmineralbildung oder wurden bei höherem Wasserangebot ausgeschwemmt.

Der Verkieselungsvorgang ist wie folgt vorstellbar: Die wohl hauptsächlich als Natriumsilikat gebundene Kieselsäure in den Mobilisaten wird vom Holz aufgenommen. Der alkalische Charakter dieser Infiltration bewirkt die partielle Zersetzung des Lignins und der anderen Holzbestandteile. Dabei entsteht Essigsäure, die eine Veränderung des pH-Wertes zum Sauren hin bewirkt. Ergebnis ist die Koagulation der Kieselsäure in den pflanzlichen Strukturen. Der Prozess läuft kontinuierlich und findet erst seinen Abschluss, wenn alle Holzbestandteile umgesetzt sind. Damit ist die relative Zeitnähe erklärbar, da man nicht von der nur schwer in Wasser löslichen Orthokieselsäure als Substanzlieferant ausgehen muss.

Dieser so skizzierte Vorgang hat in der Industrie sein Pendant. Der Natronlauge-Aufschluss zur Gewinnung von Zellulose erfolgt nach Imprägnation des Pflanzenmaterials mit NaOH bei einer Temperatur von 160 bis 170°C in einem Kocher unter einem sich selbst einstellenden Druck. Versuche mit verschiedenen Hölzern haben gezeigt, dass bei hohen Temperaturen der pH-Wert in Korrelation mit dem zur Neutralisation verbrauchten NaOH sinkt. Diese Verschiebung in den sauren Bereich ist auf die saure Hydrolyse, verbunden mit der Abspaltung von Essigsäure aus den Acetylgruppen der Hemicellulosen zurückzuführen. Hinzu kommt eine grössere Degradation der kurzkettigeren Moleküle der Hemicellulose. Ausserdem wird diese durch die Hydrolyse in Monosaccharide umgewandelt [20]. Sie sind wasserlöslich und werden extrahiert [21].

Vergleichbar ähnlich dürften die Bedingungen bei der Einbettung der Hölzer in das Tuffmaterial gewesen sein, wobei auch mit zunehmender Verdichtung durch Entglasung der Tuffpartikel auch ein relativer Unterdruck eintreten konnte. Blasenbildungen, die durch Tonminerale und speziell im Zeisigwald auch mit Fluorit sekundär wieder verfüllt wurden, deuten darauf hin.

Dass sich in diesem Prozess die in ihrer Zusammensetzung und Struktur differierenden Holzbestandteile auch zeitlich versetzt umgebildet haben könnten, ist zu vermuten. Damit dürfte das Bild der mittels Kathodoluminiszenzuntersuchung festgestellten Mehrphasigkeit der Mineralisation [22] auch erklärbar sein. Schließlich werden die alkalischen Bestandteile und die Essigsäure durch zirkulierende Wässer entfernt bzw. biologisch abgebaut.

Um hinter dem nach wie vor schwer fassbaren Verkieselungsprozess einfache natürliche Wirkmechanismen zu finden, wurden Versuche mit vulkanischem Glas angestellt. Ziel war es, das Verhalten des Pechsteins in alkalischen und sauren Lösungen zusammen mit Holz zu untersuchen [23].

Tabelle: Versuchsserie zur Verkieselung von Holz

Proben 1 bis 6 von links nach rechts in 2 Serien (oben und unten)

Nach 100 Tagen Verweilzeit der Proben konnten insbesondere im stark alkalischen Bereich (Proben 1 und 2) Veränderungen festgestellt werden. Das Holz dieser Proben hatte sich oberflächlich zersetzt und eingedunkelt.

An der Glaswand setzte sich nach Wochen hochkriechendes Kieselgel ab (Probe1/1).

Herausnehmen des Holzes konnte entlang dessen Faserrichtung verstärkter Absatz von Kieselgel beobachtet werden (Probe 2/1).

 verbliebene Lösung wurde mit Essigsäure neutralisiert. Darin entstanden Gelkörper in der Form ehemaliger Holzteilchen (Probe 1/1) .

Ein resümierender Gedanke sei erlaubt:

Die zeitnahe Darstellung des Vorganges der Verkieselung von organischer Substanz unter einfachen Bedingungen - gewissermaßen in eigener Küche und Keller - ist zumindest in Ansätzen möglich. 

Der vor Jahrzehnten geäußerte Gedanke über einen Zusammenhang zwischen dem Auftreten von sauren vulkanischen Gläsern, Rhyolithkugeln und verkieselter organischer Substanz [25] hat einen neuen Aspekt seiner Bestätigung erhalten. Die stoffliche Instabiliät der Vulkanite und deren Vermögen, bereits im Platznahmestadium mineralisierende Mobilisate unter Beteiligung von Wasser und anderen Volatilen zu bilden, können als Ursache benannt werden. Ohne die vielfältigen Diskussionen und Ergebnisse über die Achatgenese in Frage zu stellen, eröffnet sich eine Möglichkeit, dem Problem des reichlichen Transportes von Kieselsäure zur Bildung von Jaspisen, Achaten bis hin zu umfangreichen Verkieselungen näher zu kommen.