Verwitterung

Dorothee Mertmann, Berlin

Verwitterung von Gesteinen umfaßt die Gesamtheit aller Reaktionen auf exogene Einwirkungen, also auf die an der Erdoberfläche oder dicht darunter herrschenden physikalischen, chemischen und biologischen Bedingungen. Diese äußern sich in einem fortschreitenden Zerfall des Gesteinsverbandes, durch Auflösung sowie Um- und/oder Neubildung von Mineralen. Durch die Gesteinsaufbereitung schafft Verwitterung die Voraussetzungen für Abtragung (Erosion) durch verschiedene Transportmechanismen (Eis, Wasser, Wind, Schwerkraft) und Bildung neuer Sedimente. Von entscheidendem Einfluß ist das Klima. In ariden und nivalen Gebieten herrscht die physikalische (mechanische) Verwitterung vor, in humiden Gebieten dominiert hingegen die chemische Verwitterung. Die Verwitterung ist eng mit Prozessen der Bodenbildung verknüpft. Verwitterungsraten sind von verschiedenen Faktoren abhängig. Eine Rolle spielen dabei die physikalischen und chemischen Eigenschaften des zu verwitternden Gesteins, Zeitdauer und Art der exogenen Einflüsse, Klima, Entwicklung der Böden und Art der Vegetation ( Tab.).

Physikalische Verwitterung

Die physikalische Verwitterung (mechanische Verwitterung) verursacht eine mechanische Zerstörung des Ausgangsmaterials entlang von Klüften, Spalten, Mikrorissen und Korngrenzen Sie äußert sich in makroskopisch sichtbaren Spalten. Ein Gestein wird dabei in immer kleinere Bruchstücke oder Fragmente zerlegt. Dies wird besonders durch kurzfristige Temperatur- und Niederschlagsschwankungen gefördert. Zusätzlich spielt die lokale Ausrichtung und Neigung exponierter Gesteinsflächen gegenüber der Einwirkung von Wasser und Luft eine Rolle. Verschiedene Mechanismen sind zu nennen: a) Frostsprengung wird mit der Volumenzunahme (etwa 9%) beim Phasenübergang von Wasser zu Eis in Rissen und Spalten des Untergrundes wirksam, vor allem dort, wo genügend Wasser vorhanden ist und die Temperaturen häufig um den Gefrierpunkt schwanken. Dies ist besonders in Periglazialgebieten sowie im Hochgebirge der Fall und kann dort zu Steinschlag führen. Auch Schlaglöcher auf der Straße gehen zum Teil auf Frostsprengung zurück. b) Temperatursprengung (Insolationsverwitterung) wird allein durch starke Temperaturschwankungen hervorgerufen. Dunkle, wenig reflektierende Gesteinsoberflächen werden bei kräftiger Sonneneinstrahlung und nachfolgend schneller Abkühlung wechselweise Ausdehnungs- und Schrumpfungsbewegungen ausgesetzt, die zur oberflächenparallelen Desquamation (Abschalung, Abschuppung) meist wenige Zentimeter dicker Schalen führen. Bei extrem rascher Abkühlung können die Zugspannungen sogar ausreichen, um in Felsblöcken Kernsprünge senkrecht zur Oberfläche auszubilden. Durch den Wechsel von Erwärmung und Abkühlung kommt es in Abhängigkeit von der chemischen Bindung zu unterschiedlicher thermischer Ausdehnung dunkler und heller Minerale. Dieses führt zu Spannungen und Bewegungen an den Korngrenzen der Minerale und damit zu einer Auflockerung des Mineralverbandes, die als Vergrusung bezeichnet wird. Bei Vergrusung von Sandsteinen spricht man vom Absanden. c) Salzsprengung bzw. Salinarverwitterung erfolgt durch Verdunstung von salzhaltigem Wasser in Poren oder Hohlräumen, so daß Gips oder Steinsalz auskristallisieren. Der Kristallisationsdruck lockert das Gefüge mechanisch weiter auf. Ein häufiger Wechsel von Durchfeuchtung und Austrocknung macht die Salzsprengung besonders wirksam. Dieser Prozeß wird auch zur schonenden Aufbereitung von Gesteinsproben benutzt, um z.B. Mikrofossilien zu gewinnen.

Biologische Verwitterung

Die biologische Verwitterung wird durch die Einwirkung von Organismen an oder nahe der Erdoberfläche hervorgerufen. Wurzelsprengung (biologisch-mechanische Variante) wird durch den Wachstums- und Zelldruck (Turgor) von Pflanzenwurzeln ausgeübt, die in winzigen Spalten und Rissen Halt suchen. Wühlende Tiere im Boden sowie der Gang von Tieren über Geröll und Sand können ebenso eine Kornverkleinerung bewirken. Die biologisch-chemische Variante der biologischen Verwitterung beruht im wesentlichen auf der Zersetzung von Organismen- (meist Pflanzenresten) unter Bildung von Humin-, Kohlen- und Schwefelsäure. Darüber hinaus vermögen z.B. Flechten den Silicaten Metallionen zu entziehen. Damit wird der weiteren chemischen Verwitterung Vorschub geleistet.

Chemische Verwitterung

Die chemische Verwitterung basiert auf einer Reihe chemischer Reaktionen, durch die Minerale in ihrem Aufbau verändert oder gar aufgelöst werden. Sie greift zunächst an den freien Oberflächen der Minerale und Gesteine an. Das wichtigste Reagens ist das Wasser, das aus dem Ozean, aus Flüssen, Seen, Gletschern, dem Grundwasser oder als Niederschlag aus der Atmosphäre stammen kann. Es transportiert Ionen zum Ort der Reaktion, nimmt an der Reaktion teil und führt deren Produkte wieder fort. Mineralabbau und -neubildung sind in besonderem Maße durch die Lithologie des Ausgangsgesteins, Klima, Chemismus angreifender Lösungen und Dauer gleichartiger Verwitterungsreaktionen bestimmt. Die Lösungsverwitterung ist eine wesentliche Form chemischer Verwitterung. Salze sind in Wasser unterschiedlich gut löslich. Steinsalz und Kalisalze sind sehr stark wasserlöslich und kommen daher in humiden Gebieten an der Erdoberfläche nicht vor. Hingegen ist die Löslichkeit von Anhydrit, Gips und besonders Kalk im humiden Klima deutlich geringer, so daß sie dort zwar an der Erdoberfläche weit verbreitet sind, aber längerfristig auch in großem Maße aufgelöst werden können. Lösungsverwitterung führt dann zu den vielfältigen Erscheinungsformen des Karstes mit z.B. Dolinen an der Erdoberfläche und Höhlen im Untergrund. Während der Oxidation werden in Mineralen Ionen verschiedener Wertigkeitsstufen mit oxidierenden Ionen (z.B. Sauerstoff) verbunden. Dies betrifft vor allem Minerale, in denen Eisen in zweiwertigem Zustand vorkommt, z.B. bei Olivin:

(Fe,Mg)2SiO₄+4H₂O+4CO₂ → 2(Fe²⁺,Mg²⁺)+4HCO₃+H₄SiO₄,

Pyroxen:

(Mg,Fe)2Si₂O₆+2O₂+2H₂O → 2(MgO,FeO)+2H₄SiO₄,

Biotit oder Hornblende. Unter reduzierenden Bedingungen kann Fe²⁺ mit der Kieselsäure im Wasser weit verlagert werden. Unter oxidieianden Bedingungen bildet sich Fe³⁺, das meist in Hydroxyl-Aggregaten ausfällt und sich nahe der Erdoberfläche in Goethit (FeO·OH) umwandelt. Nach Abgabe von (OH)^- entsteht daraus das stabilere Mineral Hämatit (Fe₂O₃). Ähnliche durch reduzierende und oxidierende Sickerwässer ausgelöste Freisetzungs- oder Fällungsprozesse gelten auch für Mangan (Mn²⁺, Mn⁴⁺). In vielen Fällen sind zusätzliche mikrobielle Vorgänge beteiligt, z.B. im Wurzelwerk von Pflanzen.

Hydrolyse oder Silicatverwitterung betrifft die weit verbreiteten Silicate, z.B. Feldspäte, Pyroxene, Hornblenden und Glimmer. Die als Dipole wirkenden Wassermoleküle werden von den Kationen an den Grenzflächen der Silicate angezogen. Die H-Ionen des Wassers treten mit den Kationen in Austausch. Dies bedeutet zusätzlich, daß sich (OH)^--Gruppen in neugebildeten Verwitterungsprodukten (Hydroxiden) anordnen. Vor allem Al-reiche Silicatminerale magmatischer und metamorpher Gesteine sind betroffen. In Anwesenheit ausreichender Mengen an Wasser ist die Hydrolyse besonders im humiden Klima wirksam. Die chemischen Prozesse der Hydrolyse werden zusätzlich aktiviert und kompliziert, wenn z.B. organische Säuren oder Kohlensäure beteiligt sind. Die wichtigste Form der Hydrolyse beobachtet man beim Zersatz von Feldspäten. Aus der Zersetzung der Plagioklas-Mischkristallreihe Albit (1)–Anorthit (2) und beim Orthoklas (3a+b) entstehen verschiedene Tonminerale wie Kaolinit und Illit:

2NaAlSi₃O₈+3H₂O+2CO₂ → Al₂Si₂O₅(OH)₄+2Na⁺+2HCO₃^-+4SiO₂ (1)

CaAl₂Si₂O₈+3H₂O+2CO₂ → Al₂Si₂O₅(OH)₄+2Ca²⁺+2HCO₃^- (2)

2KAlSi₃O₈+9H₂O+2H⁺ → Al₂Si₂O₅(OH)₄+2K⁺+4H₄SiO₄ (3a)

2KAlSi₃O₈+12H₂O+2H⁺ → KAl₃Si₃O₁₀(OH)₂+2K⁺+6H₄SiO₄ (3b).

Die Kationen werden je nach Sättigung aus dem Gestein abgeführt oder verbleiben als neugebildete Tonminerale, Oxihydroxide, Carbonate oder Sulfate im Verwitterungsrückstand. Silicatische Kationen bilden davon den wichtigsten Teil und sind Ausgangspunkt für Stoffverlagerungen in die Biosphäre. Eine spezielle Form der Hydrolyse ist die Rauchgasverwitterung. Kohlendioxid, Schwefeldioxid und andere Verbindungen in der Luft reagieren dabei mit Regenwasser zu aggressiven Säuren. Diese dringen z.B. in das Mauerwerk von Bauwerken ein und können es zerstören.

Durch Verwitterungsprozesse können Elemente und Minerale in situ oder mehrfach umgelagert in supergenen Lagerstätten angereichert werden. Bei entsprechenden Vorkonzentrationen in den Ausgangsgesteinen können dabei teils wirtschaftlich bedeutsame Lagerstätten entstehen, z.B. von Bauxit, Kaolinit, oxidischen Fe-Mn-Erzen oder durch Anreicherung von Lanthaniden oder Uran.

Literatur:

[1] Bland, W., Rolls, D. (1998): Weathering. – London.

[2] Press, F., Siever, R. (1986): Earth. – New York.