Verwitterung

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Unter Verwitterung versteht man die natürliche Zersetzung von Gestein. Dabei spielen mehrere Prozesse zusammen, die den physikalischen Zerfall und die chemische Veränderung des Gesteins wegen dessen exponierter Lage an oder nahe der Erdoberfläche - abiotisch oder biotisch verursacht - herbeiführen. Beispiele für physikalische Kräfte sind die Einwirkungen von Boden- und Niederschlagswasser, Eisbildung, Temperaturschwankungen und Wurzeldruck. Das Ergebnis von Verwitterung ist Gesteinszerstörung, bei der je nach Art der Verwitterung die gesteinsbildenden Minerale erhalten bleiben (physikalische Verwitterung) oder um- bzw. neu gebildet werden (chemische Verwitterung).

Die Produkte der Gesteinsverwitterung sammeln sich meist als lockere Oberflächenschichten an, die als Regolith bezeichnet werden. Der Regolith geht nach abwärts in das feste, unveränderte Gestein über, das allgemein als das anstehende Gestein (kurz das Anstehende) oder als gewachsener Fels bezeichnet wird. Die Bodenkunde spricht hingegen vom C-Horizont.

Die Verwitterungsprozesse an Bauwerken aus Naturstein werden populär auch als Steinfraß bezeichnet.

Einordnung und Gliederung[Bearbeiten]

Die Gestalt der Erdoberfläche wird sowohl von Prozessen innerhalb und unterhalb der Erdkruste geformt (endogene Faktoren) als auch von Prozessen, die an oder nahe der Oberfläche wirken und zu einem Großteil klimatische Ursachen haben (exogene Faktoren). Die wichtigsten endogenen Faktoren sind Vulkanismus und Tektonik. Die Verwitterung gehört zusammen mit Erosion sowie Sedimenttransport und -ablagerung zu den exogenen Faktoren.

Die Verwitterungseinflüsse werden üblicherweise gegliedert in:

  • Physikalische Einflüsse: Frostverwitterung, Salzverwitterung, Druckentlastungsverwitterung, Quelldruckverwitterung, Hydrationsverwitterung und thermische Verwitterung.
  • Chemische Einflüsse: Kohlensäureverwitterung, Lösungsverwitterung, Hydrolyse und Wollsackverwitterung.
  • Biogene Einflüsse: physikalisch-biotische Verwitterung (beispielsweise Wurzelsprengung) und chemisch-biotische Verwitterung (beispielsweise Kohlensäureverwitterung, Verwitterung durch Bildung anderer Säuren und Oxidationsverwitterung).

Eine scharfe Trennung zwischen diesen drei Verwitterungsformen ist nicht immer möglich. So ist die biogene Verwitterung durch Pflanzen teils physikalischer (Turgordruck), teils chemischer Natur (Ätzwirkung). Außerdem setzt die Wirksamkeit einer Verwitterungsform häufig andere vorher angreifende Verwitterungsformen voraus: Einer wirksamen chemischen Verwitterung geht meist eine Lockerung des Gesteinsverbandes voraus. Bei vom Gletschereis blank polierten Flächen zeigen sich zum Beispiel auch nach Jahrtausenden oft keine nennenswerten Anzeichen chemischer Verwitterung.[1]

Physikalische Verwitterung[Bearbeiten]

Ein durch physikalische Verwitterung mürbe gewordener Stein: 1 wie vorgefunden, 2 nach leichtem Drücken

Physikalische Verwitterung (auch physische oder mechanische Verwitterung) ist ein breiter Begriff, der mehrere recht verschiedene physikalische Prozesse einschließt. Ihre Gemeinsamkeit besteht darin, dass sie alle das harte, massive anstehende Gestein in Fragmente zerlegen, deren Größe von großen Blöcken bis zu feinem Sand und Schluff reichen kann. Da dies auch durch die reibende und zermalmende Wirkung der Arbeit von Flüssen, Wellen und Strömungen, Wind und Gletschereis passiert, werden auch diese Prozesse bisweilen der physikalischen Verwitterung zugeordnet. Weil es sich dabei aber um externe mechanische Einwirkungen handelt, sollte dabei eher von Erosion statt von Verwitterung gesprochen werden.

Frostverwitterung[Bearbeiten]

Ein durch Frostsprengung fragmentierter Stein im südlichen Island

Die Frostverwitterung (auch Frostsprengung) wird durch die Volumenausdehnung gefrierenden, im Poren- und Kluftraum befindlichen Wassers hervorgerufen und gehört zu den wichtigsten Prozessen der physikalischen Verwitterung. Entsprechend ist ihr Auftreten auf Gebiete mit kalten Wintern beschränkt, d. h., auf höhere geographische Breiten sowie größere Höhen in Gebirgsregionen.

Bei der Frostsprengung kann ein Druck von über 200 MPa auftreten. Bei –5 °C beträgt der Druck 50 MPa. Bei –22 °C ist mit 211,5 MPa das Druckmaximum erreicht. Dabei kommt es zu einer Volumenzunahme von bis zu 9 %. Bei noch höherem Druck geht das Eis in eine andere, weniger Raum beanspruchende Form über.[2]

Nahezu überall ist das anstehende Gestein von Spalten durchzogen, den sogenannten Klüften. Erstarrungsgesteine sind nur selten frei von Klüften, durch die das Wasser ins Innere des Gesteins gelangen kann (Spaltenfrost). In Sedimentgesteinen bilden die Schichtflächen eine natürliche Serie von Ebenen relativ geringer Widerständigkeit im Gestein; die Schichtflächen und die Klüfte kreuzen sich im rechten Winkel zueinander. Vergleichsweise geringe Kräfte genügen, um von Klüften und Schichtflächen begrenzte Blöcke aus dem anstehenden Gesteinsverband zu trennen, während viel mehr Kraft vonnöten ist, um im festen anstehenden Gestein neue, frische Spalten zu erzeugen. Der Prozess der Abtrennung von Blöcken aus dem Anstehenden heißt Blockzerfall.

Wenn grobkörniges Erstarrungsgestein durch chemische Zersetzung geschwächt wird, kann Wasser längs der Grenzflächen zwischen den Mineralkörnern in das Gestein eindringen; hier kann das Wasser gefrieren und durch den starken Druck der dabei auftretenden Volumenvergrößerung die Mineralkörner voneinander trennen. Dieser Prozess wird körniger Zerfall genannt. Das dabei entstehende Produkt ist ein Feinkies oder grober Sand, in dem jedes Korn aus einem einzelnen Mineralpartikel besteht, das von seinen Nachbarn längs der ursprünglichen Kristall- oder Korngrenze getrennt worden ist.

Die Wirkung der Frostverwitterung ist in allen Klimaten zu beobachten, die eine winterliche Jahreszeit mit vielen Frostwechseln besitzen. Wo das anstehende Gestein an Felsen und Berggipfeln entblößt ist, werden Blöcke durch Wasser, das in den Klüften gefriert, von Gestein abgetrennt. Unter besonders günstigen Bedingungen, wie sie an hohen Berggipfeln und in der arktischen Tundra vorkommen, sammeln sich große, kantige Gesteinsbrocken in einer Schuttschicht an, die das darunterliegende anstehende Gestein völlig zudeckt. Der Name Felsenmeer bezeichnet solche ausgedehnten Decken aus groben Gesteinsblöcken.

Von Felswänden im Hochgebirge trennt die Frostverwitterung Gesteinsfragmente ab, die zum Fuß der Wand hinunterfallen. Wo die Produktion dieses Schutts mit einer hohen Rate geschieht, sammeln sich die Fragmente am Fuß der Felswände zu Schutthalden an. Frostverwitterung ist ein vorherrschender Prozess in der arktischen Tundra und ein Faktor in der Entwicklung einer großen Vielzahl verschiedener dort vorkommender Bodenstrukturen und Landformen.

Salzverwitterung[Bearbeiten]

Felsnische im Mesa-Verde-Nationalpark, Colorado, USA
Salzfrass an der Theatinerkirche in München

Der Wirkung der Frostverwitterung durch wachsende Eiskristalle sehr ähnlich ist der Effekt des Wachstums von Salzkristallen in Spalten und Poren des Gesteins. Dieser Salzsprengung genannte Prozess ist in trockenen Klimaten weit verbreitet. Während langer Trockenperioden wird Wasser aus dem Inneren des Gesteins durch Kapillarkräfte an die Oberfläche gezogen. Dieses Wasser enthält gelöste Mineralsalze. Bei seiner Verdunstung bleiben winzige Salzkristalle zurück.

Der Wachstums- oder auch Kristallisationsdruck dieser Kristalle ist imstande, den körnigen Zerfall der äußeren Gesteinsschale zu verursachen. Das Auskristallisieren aus übersättigten Lösungen erzeugt eine Druckwirkung von 13 MPa, und beim Wachstum von Salzkristallen 4 MPa. Denselben Prozess kann man auch an Bausteinen und Beton in den Städten beobachten. Streusalz, das im Winter auf Straßen ausgestreut wird, führt zu beachtlichem Zerfall des bodennahen Bereichs von Stein- und Betonbauten.

Sandsteinfelswände sind für Gesteinszerfall durch Salzsprengung besonders anfällig. Tritt am Fuß einer Sandsteinwand Sickerwasser aus, da es nicht in eine dichtere, undurchlässige Gesteinsschicht (Tonschiefer zum Beispiel) eindringen kann, hinterlässt die dort auftretende andauernde Verdunstung dieses Wassers die mitgeführten Salze in den oberflächennahen Poren des Sandsteins. Der Druck der wachsenden Salzkristalle reißt vom Sandstein kleine Schuppen und Splitter ab. Abgetrennte Sandkörner werden von Windstößen weggetragen oder von Regenwasser weggespült, das über die Felswand abläuft.

Mit dem Zurückweichen des Wandfußes entsteht dort allmählich eine Nische oder flache Höhle. In den südwestlichen USA (zum Beispiel im Mesa-Verde-Nationalpark) waren viele solcher Nischen von Indianern bewohnt; mit Steinmauern schlossen sie die natürlichen Hohlformen ein. Diese Felsnischensiedlungen (englisch: cliff dwellings) waren nicht nur vor schlechtem Wetter geschützt, sondern auch vor feindlichen Angriffen.

Die Salzverwitterung ist allgemein typisch für Regionen mit aridem Klima, da die hohen Verdunstungsraten und die geringen Niederschlagsmengen die Ausfällung von Salzen im Porenraum des Gesteins begünstigen. In humidem Klima tritt diese Form der Verwitterung vor allem an Meeresküsten auf, besonderes bei Mauern oder Felsen, die direkt in das Meer ragen.

Hydrationsverwitterung[Bearbeiten]

Unter Hydrationsverwitterung versteht man die Sprengung des ursprünglichen Gesteinsgefüges infolge der Volumenzunahme von Mineralkörnern durch die Einlagerung von Wassermolekülen in das Kristallgitter der entsprechenden Minerale (Hydratation oder Hydration). Die Hydrationsverwitterung darf nicht verwechselt werden mit der Hydrolyse, bei der die Minerale durch chemische Reaktionen mit Wasser-Ionen umgewandelt werden (chemische Verwitterung).

Rostverwitterung[Bearbeiten]

Rostverwitterung (auch Rostsprengung) kommt nur bei Gesteinen vor, die (nicht-oxische) Eisenerzminerale enthalten. Entsprechende Mineralkörner erfahren bei Kontakt mit meteorischem Wasser eine Volumenzunahme durch Oxidation und damit der Bildung von Eisenoxiden, -hydroxiden, -oxidhydroxiden und -oxidhydraten. Die Volumenzunahme sprengt das ursprüngliche Gesteinsgefüge, wobei die Sprengwirkung sehr ausgedehnte Bereiche eines Gesteinskörpers betreffen kann. In gebirgigen Gegenden kann es infolge von Rostsprengung zu schweren Steinschlägen und auch Lawinen kommen. Rostsprengung zerstört auch häufig steinerne Kulturgüter, da in früheren Zeiten häufig Eisendübel und Eisenanker bei der Installation in Bauwerken eingesetzt worden sind.

Quelldruckverwitterung[Bearbeiten]

Durch quellfähige Tonminerale kommt es beim Wechsel zwischen Durchfeuchtung und Trocknung zu Volumenschwankungen, die den Gesteinsverband zerstören können.

Druckentlastungsverwitterung[Bearbeiten]

Exfoliation von Granit

Ein eigentümlicher, weitverbreiteter Prozess, der mit der physikalischen Verwitterung verwandt ist, entsteht durch Druckentlastung: die Reaktion des Gesteins auf die Verminderung vorher vorhandener, den Gesteinskörper einengender Druckkräfte, wenn überlagernde Gesteinsmassen abgetragen werden.

Gesteine, die in großer Tiefe unter der Erdoberfläche gebildet wurden (besonders Erstarrungs- und metamorphe Gesteine), befinden sich in einem komprimierten Zustand wegen der Last des sie überlagernden Gesteins. Wenn diese Gesteine an die Oberfläche gelangen, dehnen sie sich etwas aus; dabei brechen dicke Gesteinsschalen von der darunter befindlichen Gesteinsmasse los. Dieser Vorgang wird auch Exfoliation genannt. Die Trennflächen zwischen den Schalen bilden ein System von Spalten, die als Druckentlastungsklüfte bezeichnet werden.

Diese Kluftstruktur ist am besten in massiven, vorher kluftarmen Gesteinen ausgebildet, wie zum Beispiel in Granit; denn in einem bereits engständig geklüfteten Gestein würden die Expansion lediglich zu einer Erweiterung dieser vorhandenen Klüfte führen.

Die Gesteinsschalen, die von der Druckentlastung erzeugt werden, liegen im Allgemeinen parallel zur Landoberfläche und sind deshalb zu den Talsohlen hin geneigt. An Granitküsten sind die Schalen an allen Punkten seewärts geneigt. Die Druckentlastungsklüftung ist sehr gut in Steinbrüchen zu sehen, wo sie den Abbau großer Gesteinsblöcke stark erleichtert.

Half Dome im Yosemite-Nationalpark mit Gesteinsschalen

Wo sich die Druckentlastungsklüfte über dem Gipfelbereich eines einzelnen großen, massiven Gesteinskörpers entwickelt haben, entsteht eine Exfoliationskuppe (englisch: exfoliation dome). Diese Kuppen gehören zu den größten Landformen, die hauptsächlich durch Verwitterung erzeugt worden sind. In der Region des Yosemite Valley in Kalifornien, wo solche Kuppen eindrucksvoll das Landschaftsbild prägen, besitzen einzelne Gesteinsschalen Dicken von sechs bis 15 Metern.

Andere Arten von großen, glatten Felskuppeln ohne solchen Schalenbau sind keine echten Exfoliationskuppen, sondern entstanden durch den körnigen Zerfall der Oberfläche einer einheitlichen Masse eines harten, grobkörnigen intrusiven Erstarrungsgesteins, dem Klüfte fehlen. Beispiele sind der Zuckerhut von Rio de Janeiro und Stone Mountain in Georgia (USA). Diese glatten Bergkuppen ragen in auffälliger Weise über ihrer Umgebung aus weniger widerständigem Gestein auf.

Thermische Verwitterung[Bearbeiten]

Hauptartikel: Temperaturverwitterung

Die thermische Verwitterung (Insolationsverwitterung) zählt zu den physikalischen Verwitterungsarten, wird aber meist als spezielle Kategorie geführt. Sie wird in festen Materialien durch Temperaturunterschiede hervorgerufen. Diese können

Chemische Verwitterung[Bearbeiten]

Unter der chemischen Verwitterung wird die Gesamtheit all jener Prozesse verstanden, die zur chemischen Veränderung oder vollständigen Lösung von Gesteinen unter dem Einfluss von Niederschlägen und oberflächennahem Grundwasser bzw. Bodenwasser führen. Dabei ändern sich mit dem Mineralbestand meist auch die physikalischen Eigenschaften des Gesteins. Durch das Wasser werden Elemente oder Verbindungen aus den Mineralen gelöst (bis hin zur vollständigen Auflösung) oder im Wasser bereits gelöste Elemente oder Verbindungen in die Minerale neu eingebaut. Weil chemische Verwitterung an Wasser gebunden ist, spielt sie nur in Regionen mit humidem Klima eine bedeutende Rolle. In Regionen mit großem Wasserüberschuss werden die aus dem Gestein gelösten Stoffe oft in Fließgewässern abgeführt und gelangen so letztlich ins Meer.

Lösungsverwitterung[Bearbeiten]

Die Lösungsverwitterung ist die Lösung von Gesteinen aus Mineralen, die in reinem Wasser löslich sind, z. B. Gips (CaSO4•2H2O), Halit (NaCl) oder Sylvin (KCl). Diese Gesteine sind daher in humidem Klima nur selten auf natürliche Weise aufgeschlossen, da sie meist bereits unterhalb der Geländeoberfläche aufgelöst werden. Spezielle Verwitterungserescheinungen der Lösungsverwitterung sind der Salzspiegel und der Gipshut im Dachbereich von Salzstöcken.

Da Lösung traditionell zur Chemie gezählt wird, ordnet man die Lösungsverwitterung der chemischen Verwitterung zu. Da sie aber prinzipiell reversibel ist und die chemische Zusammensetzung des Gesteins nicht verändert wird, sondern lediglich die Kristallstruktur zerstört wird, kann sie auch als physikalische Verwitterungsart aufgefasst werden.

Kohlensäureverwitterung[Bearbeiten]

Hauptartikel: Kohlensäureverwitterung
Oberfläche eines chemisch angewitterten Kalksteins

Calciumcarbonat (CaCO3, Calcit, Aragonit) ist nur sehr schlecht in reinen Wasser löslich. Verbindet sich das Wasser jedoch mit Kohlenstoffdioxid (CO2) aus der Luft, bildet sich die sehr schwache Kohlensäure, die das Carbonat lösen kann. CO2 kann in stärkerer Konzentration auch von Bodenlebewesen oder aus der Zersetzung organischer Substanzen kommen (siehe auch Chemisch-biotische Verwitterung).

Bei der Kohlensäureverwitterung von Calciumkarbonat entstehen Calcium- und Hydrogencarbonat-Ionen. Aber beispielsweise kann auch Olivin, das Bestandteil vieler vulkanischer Gesteine ist, nach der Reaktion

\mathrm{Mg_2SiO_4 + 2\;H_2O + 4\;CO_2 \longrightarrow 2\;Mg(HCO_3)_2 + SiO_2} ,

wobei es sich tatsächlich um eine mehrphasige Reaktion mit mehreren Zwischenschritten handelt, fast vollständig aufgelöst werden.

Die Reaktion der Kohlensäure mit Karbonatgesteinen (Kalkstein, Marmor) erzeugt in kleinem Maßstab viele interessante Oberflächenformen. Die Oberfläche entblößten Kalksteins ist typischerweise mit einem komplexen Muster von Pfannen, Rillen, Furchen und anderen Vertiefungen überzogen. An einigen Stellen erreichen sie das Ausmaß tiefer Furchen und hoher, wandartiger Gesteinsrippen, die von Mensch und Tier nicht mehr in normaler Weise überquert werden können. Durch sie entstehen die bizarren Karrenfelder im Karst und in den Kalkalpen.

In den feuchten Klimaten der niederen Breiten wird mafisches Gestein, insbesondere Basalt, intensiv von größtenteils biogenen Bodensäuren angegriffen. Dabei entstehen Landformen, die eine große Ähnlichkeit mit den durch Carbonatisierung massiven Kalksteins in Feuchtklimaten der höheren Breiten erzeugten Formen besitzen. Die Effekte der Abfuhr von Basalt in Lösung zeigen sich in den eindrucksvollen Furchen, Felsrippen und –türmen an den Hängen tiefer Bergnischen in Teilen der Hawaii-Inseln.

Die Wirkung der Kohlensäure ist ein dominierender Faktor für die Denudation in Kalksteingebieten mit feuchtem Klima wegen der dort intensiven biotischen CO2-bildenden Prozesse. Die Untersuchung eines in Kalkstein eingeschnittenen Tals in Pennsylvania ergab, dass die Landoberfläche allein durch die Wirkung der Kohlensäure im Durchschnitt um 30 cm in 10.000 Jahren erniedrigt worden ist. Wie zu erwarten, liegen in feuchten Klimaten unter den großen Talzonen und anderen Bereichen niedrigen Geländes häufig Carbonatgesteine im Gegensatz zu anderen, weniger anfälligen Gesteinen, aus denen benachbarte Rücken und Plateaus bestehen.

Das umgekehrte trifft auf Trockenklimate zu; dort sind die Verwitterungseinflüsse wegen der geringeren biotischen Aktivität sehr viel geringer und Kalkstein und Dolomit bilden die hohen Rücken und Plateaus. Die Ränder des Grand Canyon und die angrenzenden Plateaus zum Beispiel sind von Dolomitschichten unterlagert. Sandsteinschichten aus Quarzkörnern, die durch Calciumcarbonat miteinander verkittet wurden, verwittern in einem Trockenklima ebenfalls nur geringfügig.

Die Einwirkung der Kohlensäure führt auch tief unter der Landoberfläche zur Wegführung von Carbonatgestein und damit zur Bildung von Höhlen und Höhlensystemen im Kalkgestein. An diesem Prozess ist die Grundwasserbewegung maßgeblich beteiligt.

Schwefelsäureverwitterung[Bearbeiten]

Saurer Regen greift Kalkstein an und wandelt diesen in Gips um. Skulpturen verlieren infolgedessen ihre Konturenschärfe.

Auch diese Verwitterungsform betrifft hauptsächlich Gesteine mit größeren Anteilen an Calciumcarbonat (Kalkstein, Kalksandstein, Marmor). Saurer Regen enthält geringe Mengen Schwefelsäure (H2SO4). Bei Kontakt von Karbonatgesteinen mit saurem Regen verdrängt die stärkere Schwefelsäure die schwächere „Kohlensäure“ aus der ionischen Verbindung. Aus Calciumcarbonat (Calcit) entsteht Calciumsulfat (Gips):

\mathrm{CaCO_3 + H_2SO_4 + H_2O\longrightarrow CaSO_4 \cdot 2\;H_2O + CO_2}

Gips löst sich wesentlich leichter als Calcit und das Gestein wittert deshalb nach der Vergipsung schneller ab.

Marmorskulpturen verlieren als erste sichtbares Anzeichen den typischen Glanz ihrer polierten Oberfläche. Nachfolgend büßen die Skulpturen ihre Konturenschärfe ein und können bei intensiver Verwitterung die gesamte bildhauerisch bearbeitete Oberfläche verlieren. Da Gips hygroskopisch ist, werden auch vom Regen mitgeführte Rußpartikel in die vergipste Oberfläche eingebunden – sogenannte Gips- oder Schwarzkrusten entstehen. Diese verdichten sich nach einer gewissen Zeit so stark, das irgendwann die Wasserdampfdiffusionsfähigkeit nicht mehr gegeben ist. Es entstehen dann parallel zur Oberfläche verlaufende Schadzonen und die Schwarzkruste platzt irgendwann großflächig ab – dabei geht ebenfalls die bildhauerisch bearbeitete Oberfläche verloren.

Die Schwefelsäure im sauren Regen entsteht auf natürliche Weise durch Schwefeltrioxid­emissionen von Vulkanen, aber auch durch die Emission schwefeltrioxidhaltiger Abgase aus Industriebetrieben und Kohlekraftwerken. Wegen des schwefelsauren Regens sind mittlerweile die meisten Marmorskulpturen in Museen verlagert und durch Abgüsse aus Material ersetzt worden, das gegen sauren Regen unempfindlich ist.

Hydrolyse[Bearbeiten]

Bei der Hydrolyse (hydrolytische Verwitterung) werden die Ionen im Kristallgitter bestimmter Minerale an H3O+- und OH-Ionen, die in Wasser durch Autoprotolyse permanent entstehen, gebunden, wodurch das Ionengitter zerfällt. Die Hydrolyse ist ein wichtiger Prozess der Bodenbildung, denn sie bildet die Initialreaktion der Umwandlung häufiger Silikatminerale (z. B. Feldspäte und Glimmer) in Tonminerale (z. B. Illit, Kaolinit, Montmorillonit, Smectit). So zerfällt beispielsweise Kalifeldspat nach der Reaktionsgleichung

\mathrm{KAlSi_3O_8 + 2\;H_3O^+\ +\ OH^-\longrightarrow 2\;HAlSi_3O_8 + 2\;KOH + H_2O}

in alumosilizische Säure und Kaliumhydroxid. Letztgenanntes wird durch Reaktion mit Kohlensäure in Kaliumcarbonat („Pottasche“, K2CO3) überführt und, da es gut wasserlöslich ist, mit dem Kluft-, Poren- oder Oberflächenwasser aus dem Gestein abgeführt. Die alumosilizische Säure reagiert mit Wasser nach der Reaktionsgleichung

\mathrm{2\;HAlSi_3O_8 + 9\;H_2O\longrightarrow Al_2Si_2O_5(OH)_4 + 4\;H_4SiO_4}

zu Kaolinit und Orthokieselsäure. Letztgenannte ist wiederum löslich und wird abgeführt. Ändert sich jedoch unterwegs das chemische Milieu, kann aus dieser Verwitterungslösung SiO2 ausfallen und bildet dann Chalcedon­krusten (Silcretes).

Allgemein gilt: je feuchter das Klima, je höher die Temperatur und je geringer der pH-Wert, umso intensiver ist die Hydrolyse. In den warmen und feuchten Klimaten der tropischen und subtropischen Zone werden magmatische Gesteine und metamorphe Gesteine durch Hydrolyse und Oxidation oft bis zu Tiefen von 100 Metern verwittert. Geologen, die solche Tiefenverwitterung des Gesteins zuerst in den südlichen Appalachen untersuchten, nannten diese Verwitterungsschicht Saprolith (wörtlich „verfaultes Gestein“). Für den Bauingenieur bedeutet tiefgründig verwittertes Gestein ein Risiko beim Bau von Autobahnen, Dämmen oder anderen schwerlastigen Bauwerken. Zwar ist Saprolith weich und kann ohne viel Sprengarbeit von Baggern bewegt werden, jedoch besteht die Gefahr, dass das Material unter schwerer Belastung nachgibt, da es wegen seines hohen Gehalts quellfähiger Tonminerale unerwünschte plastische Eigenschaften besitzt.

Biotische Verwitterung[Bearbeiten]

Durch Wurzeln zerbrochener Asphalt

Unter biotischer Verwitterung (auch biologische oder biogene Verwitterung genannt) versteht man Verwitterung durch den Einfluss lebender Organismen sowie ihrer Ausscheidungs- bzw. Zersetzungsprodukte.[3][4] Diese Wirkungen können physikalischer Natur sein (Beispiel: Wurzelsprengung) oder in einer chemischen Einwirkung bestehen. Biotische und abiotische Verwitterung ist dabei in manchen Fällen schwer abzugrenzen.[5] Die biotischen Verwitterungsvorgänge werden in der Literatur mitunter auch in den Kategorien der physikalischen bzw. chemischen Verwitterung eingeordnet.

Mechanisch-biotische Verwitterung[Bearbeiten]

Mechanisch-biotische Verwitterung ist hauptsächlich die Wurzelsprengung. In Klüfte des Gesteins und in winzige Spalten zwischen Mineralkörnern hineinwachsende Pflanzenwurzeln üben durch ihr Dickenwachstum eine Kraft aus, deren Tendenz es ist, diese Öffnungen zu erweitern. Man sieht gelegentlich Bäume, deren unterer Stamm und deren Wurzeln fest in einer Kluft des massiven Gesteins eingekeilt sind. Es bleibt im Einzelfall offen, ob der Baum es tatsächlich geschafft hat, die Gesteinsblöcke zu beiden Seiten der Kluft weiter auseinanderzutreiben, oder ob er lediglich den bereits vorhandenen Raum der Spalte ausgefüllt hat. In jedem Fall sicher ist jedoch, dass der Druck, den das Wachstum winziger Wurzeln in Haarrissen des Gesteins ausübt, unzählige kleine Gesteinsschuppen und Körner lockert. Anheben und Zerbrechen von Beton-Gehwegplatten durch das Wachstum von Wurzeln naher Bäume ist ein allgemein bekannter Beweis für den wirksamen Beitrag von Pflanzen zur mechanischen Verwitterung.

Chemisch-biotische Verwitterung[Bearbeiten]

Chemisch-biotische Verwitterung wird durch Mikroorganismen, Pflanzen und Tiere verursacht, und gehört zu jenen Phänomenen, die unter dem Begriff Biokorrosion zusammengefasst werden. Beispielsweise greifen die von Pflanzenwurzeln abgesonderten organischen Säuren Minerale an und zerlegen das Gestein dadurch in einzelne Bestandteile. Der aus mikrobiell teilweise abgebauten Resten abgestorbener Pflanzen und Tieren bestehende Humus enthält einen großen Anteil an Huminsäuren, die gesteinszerstörend wirken. Durch mikrobielle Säurebildung, Oxidationen und Reduktionen kann es zur Auflösung von Mineralen kommen.

Die Wirkung der Kohlensäure wird in vielen Fällen durch die Wirkung einfacher organischer Säuren verstärkt. Sie entstehen bei der mikrobiellen Zersetzung von abgestorbener organischer Substanz oder werden von den Wurzeln lebender Pflanzen abgegeben. Sie gehen mit Metallen, vor allem Eisen (Fe), Aluminium (Al) und Magnesium (Mg), sehr stabile, zum Teil wasserlösliche, zum Teil wasserunlösliche Verbindungen ein, so genannte metallorganische Komplexe (Chelatkomplexe, Chelate). Diese Chelatbildung ist eine wichtige Verwitterungsreaktion. Das Wort „Chelat“ bedeutet „ähnlich einer Krebsschere“ und bezieht sich auf die sehr enge Bindung, die organische Moleküle mit Metall-Kationen eingehen.

Im Falle der löslichen Komplexe werden diese im Bodenprofil mit der Sickerwasserbewegung verlagert und dem Verwitterungsmechanismus entzogen. Chelatisierende Stoffe, die vor allem bei mikrobiellen Abbauprozessen freigesetzt werden, sind unter anderem Citronensäure, Weinsäure und Salicylsäure.

Des Weiteren können Mikroorganismen und die Atmung der Pflanzenwurzeln durch Kohlenstoffdioxid-Bildung den Kohlensäuregehalt im Boden erhöhen und dadurch Lösungsvorgänge beschleunigen. Anaerobe Bakterien bewirken teilweise Reduktionsprozesse, indem sie bestimmte Stoffe als Elektronenakzeptoren für ihren Energiestoffwechsel verwenden und dadurch wasserlöslich machen, beispielsweise durch die Reduktion von Eisen von der dreiwertigen zur zweiwertigen Form. Verbindungen des zweiwertigen Eisens sind in Wasser wesentlich leichter löslich als die des dreiwertigen, weshalb Eisen relativ leicht durch mikrobielle Reduktion mobilisiert und verlagert werden kann.

Spezielle Verwitterungserscheinungen[Bearbeiten]

Wollsackverwitterung[Bearbeiten]

Hauptartikel: Wollsackverwitterung
Durch Wollsackverwitterung geformter Felsen im Świętokrzyski-Nationalpark, Polen

Als Wollsackverwitterung wird die durch verschiedene Verwitterungsprozesse erfolgende Ausbildung typischer Formen im anstehenden Gestein bezeichnet. Dabei bildet sich zunächst ein annähernd rechtwinkliges Kluftnetz im Gestein, was auf physikalische Verwitterung zurückgehen kann, sich aber bei magmatischen Gesteinen auch durch Volumenabnahme beim Erkalten ausbilden kann. Wasser dringt in den Klüften ins Gestein vor und setzt chemische Verwitterungsprozesse (z.B. die Hydrolyse von Feldspäten) in Gang. Von den Klüften her rückt die Zersetzung in das Gestein vor, was an Ecken und Kanten besonders schnell geht, da dort das Verhältnis von Angriffsfläche und Gesteinsvolumen am größten ist. Bei Exponierung an der Oberfläche wird das von der Verwitterung angegriffene Gestein bevorzugt erodiert, was den bis dahin noch unverwitterten, freiliegenden Kernen der Blöcke eine gerundete, wollsackähnliche Form gibt.

Vergrusung[Bearbeiten]

Durch Hydrolyse der Feldspäte und Glimmer oder durch Temperaturverwitterung zerfällt das Gesteinsgefüge granitischer Gesteine (Granit, Granodiorit) in einzelne Mineralkörner. Dieses von der Korngröße her sandig bis feinkiesige Material wird Grus genannt und der entsprechende Vorgang heißt Vergrusung oder Abgrusung. Vergrusung geht oft mit Wollsackverwitterung einher.

Alveolarverwitterung[Bearbeiten]

Hauptartikel: Tafone
Tafoni an einer Mauer auf Gozo, Malta

Die Mechanismen hinter der Alveolarverwitterung sind nicht genau geklärt. Vermutlich entsteht sie, abhängig von den vor Ort herrschenden Bedingungen, durch verschiedene Verwitterungsarten (Salzverwitterung, Kohlensäureverwitterung) im Zusammenspiel mit Erosion durch Wind und Wasser. Betroffen sind in erster Linie Sandsteine. Die dabei entstehenden wabenartigen Gebilde werden als Tafoni bezeichnet.

Literatur[Bearbeiten]

  • Harm J. de Blij, Peter O. Muller, Richard S. Williams Jr.: Physical Geography – The global environment. 3. Auflage. Oxford University Press, New York NY u. a. 2004, ISBN 0-19-516022-3.
  • Henry Lutz Ehrlich, Dianne K. Newman: Geomicrobiology. 5. Auflage. CRC Press, Boca Raton FL u. a. 2009, ISBN 978-0-8493-7906-2.
  • Hans Gebhardt, Rüdiger Glaser, Ulrich Radtke, Paul Reuber (Hrsg.): Geographie. Physische Geographie und Humangeographie. Elsevier, Spektrum Akademischer Verlag, München u. a. 2007, ISBN 978-3-8274-1543-1.
  • Kurt Konhauser: Introduction to Geomicrobiology. Blackwell Publishing, Malden MA u. a. 2007, ISBN 978-0-632-05454-1.
  • Frank Press, Raymond Siever: Allgemeine Geologie. Einführung in das System Erde. 3. Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg u. a. 2003, ISBN 3-8274-0307-3.
  • Alan H. Strahler; Arthur N. Strahler: Physische Geographie (= UTB. Geowissenschaften 8159). 3., korrigierte Auflage, Ulmer, Stuttgart 2005, ISBN 3-8001-2854-3.

Weblinks[Bearbeiten]

 Commons: Verwitterung – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Hans Georg Wunderlich: Einführung in die Geologie. Band 1: Exogene Dynamik (= BI-Hochschultaschenbücher 340/340a, ISSN 0521-9582). Bibliographisches Institut, Mannheim 1968, S. 39.
  2. Herbert Louis, Klaus Fischer: Allgemeine Geomorphologie (= Lehrbuch der allgemeinen Geographie. Bd. 1). 4., erneuerte und erweiterte Auflage. de Gruyter, Berlin u. a. 1979, ISBN 3-11-007103-7, S. 113 ff.
  3. Frank J. Stevenson: Humus Chemistry. Genesis, Composition, Reactions. 2. Auflage. John Wiley & Sons, New York NY u. a. 1994, ISBN 0-471-59474-1, S. 474.
  4. Francis George Henry Blyth, Michael H. De Freitas: A geology for engineers. 7. Auflage. Arnold, London 1984, ISBN 0-7131-2882-8, S. 31.
  5. Greg John Retallack: Soils of the past. An introduction to paleopedology. 2. Auflage. Blackwell Science, London u. a. 2001, ISBN 0-632-05376-3, S. 75.