Verwitterung
Verwitterung (von Wetter bzw. Witterung) ist die Veränderung und Zerkleinerung von Materialien, beispielsweise Gesteinen, durch physikalische, chemische oder biogene Prozesse. Man unterscheidet meist zwischen physikalischer und chemischer Verwitterung. Zusätzlich betrachtet man oft auch die biogene Verwitterung als eine eigenständige Verwitterungsform. Im Rahmen dieses Artikels wurde diese jedoch den anderen Verwitterungsarten angegliedert.
Verwitterungsprozesse spielen eine große Rolle im Kreislauf der Gesteine und führen hier durch die Zerlegung von magmatischen und metamorphen Gesteinen zur Bildung von Sedimenten und Gesteinstrümmern. Auch werden die sogennanten Ausgangsgesteine oft zu Rohböden
Den Abtransport dieses verwitterten Materials unter anderem durch fluvialen und aeolischer Transport bezeichnet man als Erosion. Durch Sedimentation und/oder Diagenese können sich die Verwitterungsprodukte zudem erneut in Sedimentgesteinen verfestigen können.
Die Stärke der Verwitterung eines Gesteins wird in Verwitterungsgraden klassifiziert.
| Inhaltsverzeichnis |
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1.2 Frostverwitterung |
Physikalische Verwitterung
[[Bild:Im Salar de Uyuni.jpg|thumb|260px|Bizarre Felsgebilde durch Windabrasion bei ]] Unter der physikalischen Verwitterung versteht man all jene Prozesse, die das Ausgangsgestein auf mechanischen Wege oder durch eine Temperatur- bzw. Volumenänderung zersetzen. Die Gesteine werden dabei in der Regel entlang ihrer bereits existierenden Störungen (also Risse, Spalten, Klüfte) an den Korngrenzen in immer kleinere Stücke zerlegt, ohne jedoch das dabei chemische Veränderungen des Gesteins erfolgen.
Temperaturverwitterung
Die Temperaturverwitterung oder auch Insolationsverwitterung (von Insolation) wird durch Temperaturunterschiede hervorgerufen. Jedes Gestein erfährt bei der Erwärmung durch Sonneneinstrahlung am Tag bzw. dem Zusammenziehen bei der Abkühlung in der Nacht eine materialspezifische Wärmeausdehnung. Dabei weisen Gesteine eine geringe Wärmeleitfähigkeit und auch eine geringe Wärmekapazität auf, weshalb deren direkte Oberfläche mit sehr starken Temperaturänderungen auf die Sonneneinstahlung reagiert. Dies führt zu einer ungleichmäßigen Kontraktion bzw. Ausdehnung des Gesteins mit Druckunterschieden von bis zu 50 MPa. Bei anisotropen Körpern ist die Wärmeausdehnung zudem richtungsabhängig, so dass es vor allem bei diesen als Folge zur Bildung von oberflächenparallelen Rissen oder gar Sprüngen (Kernsprünge) kommen kann. Weiten sich diese Risse aus, so können Teile des Gesteins abplatzen (Blockschutt). Man spricht in diesem Falle daher auch oft von einer Temperatursprengung. Weitere Einflussfaktoren sind die unterschiedlichen Mineralfarben innerhalb des Gesteins und die hierdurch bedingten Absorptionseigenschaften, sowie auch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der aneinander angrenzeden Mineralkörner.
Je stärker, häufiger und schneller die Temperaturschwankungen im Gesteinsverband sind, desto stärker zeigt sich auch der Effekt der Temperaturverwitterung. Dabei übersteigen die Temperaturschwankungen der Gesteine oft deutlich die der Luft und weisen durch den Tagesgang auch einen hohe Frequenz derselben auf. Diese Temperaturschwankungen nehmen vor allem in Hochgebirgen und subtropischen bis tropischen Wüsten Extremwerte von biszu 50 °C an. Besonders wenn sich diese rasch verändern, zum Beispiel bedingt durch ein Regenereignis, kommt es zu teils erheblichen Reaktionen des Gesteins. Hierbei reichen die Temperaturschwankungen im Tagesgang circa 25-50 cm und im Jahresgang circa 20 cm tief in den Boden, sind hier jedoch auch meist wesentlich geringer als an der Erdoberfläche.
Meist bereitet die Temperaturverwitterung nur ein frisches Gestein für andere Verwitterungsarten vor, führt aber auch zur Grusbildung auf dessen Oberfläche, zum Beispiel bei der Wollsackverwitterung.
Schalenverwitterung
Eine Schalenverwitterung ...
Desquamation
Eine Desquamation oder Schalenablösung, ist eine Kombination aus Salz- und Temperaturverwitterung, bei welcher es zu einem abplatzen der äußeren Gesteinsschichten und damit auch oft zur Abrundung des Gesteinskörpers kommt. Es kann daher zur Verwechslung mit fluviatil bedingten Gesteinsabrundungen kommen.
Frostverwitterung
Der maßgebliche Effekt der Frostverwitterung ist die Frostsprengung (auch Eissprengung oder Kryoklastik). Diese wird durch Wasser hervorgerufen, welches in kleinen Klüften des Materials eindringt und bei Temperaturen unter 0 °C gefriert. Aufgrund der Dichteanomalie des Wassers vergrößert das Wasser dabei sein Volumen um rund 9%. Diese Volumenzunahme führt zur mechanischen Ausdehnung der Klüfte des Materials und damit zu einer Lockerung des Materialverbandes, eventuell sogar auch zur Absprengung einzelner Materialteile. Die Sprengwirkung kann bei Temperaturen von bis zu -22 °C, eine Sättigung mit Wasser vorausgesetzt, einen Druck von 210 MPa erreichen.
Die Intensität der Frostverwitterung wird durch die Sonneneinstrahlung, die Mineralbestandteile im Gestein bzw. die Gesteinseigenschaften (Klüftigkeit, Spaltbarkeit), dessen Porenvolumen und den Salzgehalt der angreifenden wässrigen Lösung bestimmt.
Durch Sonneneinstrahlung können in kalten Klimaten Frostwechsel auftreten. Je dunkler die Mineralfarbe dabei ist, umso intensiver kann die Sonne auf das Gestein wirken und lokale Frostwechselzyklen hervorrufen. Auch bestimmt die Festigkeit des Gesteins den Widerstand, den dieses einer mechanischen Kluftausweitung entgegen setzt. Zudem spielt die Klüftigkeit des Gesteins eine Rolle, also insbesondere die vorgelagerte Verwitterung durch andere Verwitterungsprozesse. Eine natürliche Anfälligkeit zeigen, bedingt durch ihre gute Spaltbarkeit, Minerale wie Glimmer oder Feldspäte. Es zeigt sich zudem, dass die Grenzflächeneffekte kleiner Klüfte den Schmelzpunkt des Wassers vermindern und daher die Wirkung der Frostspengung mit der Größe der Klüfte bzw. der Poren zunimmt. Hierbei spielt jedoch auch die Sättigung dieser Klüfte/Poren mit Wassers eine Rolle, welche durch die größeren Kapillarkäfte bei kleineren Klüften im allgemeinen höher ist. Durch den Salzgehalt kann der spezifische Gefrierpunkt herabgesetzt werden, was man als Gefrierpunktserniedrigung bezeichnet. Dies wirkt hemmend auf die Intensität der Frostverwitterung.
Am stärksten von der Frostverwitterung betroffen sind humide Klimate mit starken Temperaturschwankungen um den Gefrierpunkt des Wassers, also vor allem Hochgebirge in der gemäßigten Zone (Periglazialgebiete). Resultat einer Frostverwitterung sind in der Regel klastische Materialien und scharfkantige Gesteinstrümmer, aber auch Grus, Sand, Schluff und unter Umständen auch Grobton.
Salzverwitterung
Analog zur Frostsprengung, jedoch mit anderen Ursachen, ist die Salzsprengung der maßgebliche Effekt der Salzverwitterung. Sowohl bei der Kristallisation von Salzkristallen im Zuge der Verdunstung des Wassers aus einer salzhaltigen Lösung, als auch bei der eventuell anschließenden Umkristallisation, vergrößern die Salze ihr Volumen und haben daher, wie die Frostspregung, eine Ausweitung der Gesteinsklüfte zur Folge.
Am stärksten hiervon betroffen sind aride Gebiete mit hohen Verdunstungsraten und einem unregelmäßigen aber dennoch vorhandenen Wasserzufluss von außen bzw. durch Kapillaraufstieg aus dem Grundwasser, vor allem dann, wenn das Wasser bei der Bodenpassage mit Salzen angereichert wurde bzw. Salzwasser darstellt. Es sind also insbesondere Oberflächen betroffen, die einen ständigen Wechsel zwischen Durchfeuchtung und Austrocknung aufweisen. Resultat einer vollständigen Salzverwitterung mit einem häufigen Wechsel zwischen Feucht- und Trockenphasen ist ein Grus.
Quellung und Schrumpfung
Im Zuge der chemischen Umwandlung eines Minerals kann es zu Quellungs- und Schrumpfungsprozessen kommen, welcher ihrerseits eine mechanische Spannung bzw. Spannungsentlastung zur Folge haben. Durch den Einbau von Kristallwasser in das Kristallgitter von Schichtsilikaten wie Smectiten (Hydratation im Zwischenschichtraum) kommt es hierbei zur sogennanten intrakristallinen Quellung. Im Gegensatz hierzu basiert die osmotische Quellung
Druckentlastung
physikalisch-biologische Verwitterung
Bei einer physikalisch-biologische Verwitterung handelt es sich um die mechanische Zerstörung des Gesteins durch Lebewesen, in der Regel verursacht durch Wurzeln, die in die Gesteinsklüfte einwachsen und diese dabei ausweiten. Resultat sind in der Regel klastische Materialien.
Chemische Verwitterung
Hydrolytische Verwitterung
Durch die Anlagerung von Wassermolekülen an die Ionen eines Kristallgitters entsteht zum einen Druck durch Volumenvergrößerung, zum anderen werden H+-Ionen des Wassers gegen Ionen des Minerals ausgetauscht, siehe auch Modellfall der Silikatverwitterung.
Oxidationsverwitterung
Besonders bei Gesteinen, die Eisen, Schwefel oder Mangan enthalten, kann der Luftsauerstoff in Verbindung mit Wasser chemische Reaktionen hervorrufen. Es entstehen Hämatit und Goethit. Mit der Oxidationsverwitterung geht eine deutliche Farbänderung des Materials einher.
Lösungsverwitterung
Die Lösungsverwitterung greift vor allem Salz- und Karbonatgesteine an, deren Minerale in Lösung gehen oder Kristallwasser aufnehmen (zum Beispiel Umwandlung Anhydrit zu Gips). Im einfachsten Fall werden Salze im Boden durch einsickerndes Wasser herausgelöst, wodurch Hohlräume einstürzen können.
Kohlensäureverwitterung
Als Sonderform der Lösungsverwitterung werden in kohlensäurehaltigem Wasser auch bestimmte Mineralien, zum Beispiel karbonathaltige Minerale gelöst, was man als Kohlensäureverwitterung bezeichnet.
Rauchgasverwitterung
Hierbei handelt es sich um eine Verwitterungsart bedingt durch Rauchgasemissionen aus anthropogenen und vulkanischen Quellen. Diese führen zu saurem Regen und den damit verbundenen Verwitterungserscheinungen nach dem Typ der Salzverwitterung.
chemisch-biologische Verwitterung
Es handelt sich hierbei um eine von Pflanzen und Tieren verusrsachte Verwitterung. Die von diesen Lebewesen abgesonderten Huminsäuren greifen Gesteine und Mineralien an und zerlegen diese schlussendlich. Vor allem der aus abgestorbenen pflanzlichen und tierischen Resten bestehende Humus enthält in hohe Masse Huminsäuren
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Literatur
- Scheffer F., Schachtschabel P. (2002): Lehrbuch der Bodenkunde. 15. Aufl. Spektrum Akademischer Verlag. 15. Auflage. ISBN 3827413249
- Bahlburg H., Breitkreuz C. (2003): Grundlagen der Geologie. 2. Aufl. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg, ISBN 382741394X