Verwitterung (Erosion)

Die Verwitterung von Gesteinsverbänden, Lockersedimenten und Böden ist der erste Schritt im Kreislauf der Sedimentologie. Man unterscheidet zwischen der physikalischen Erosion, die für die Abtragung und Zerkleinerung der Gesteine zuständig ist und der chemischen Erosion, die Hand in Hand mit der physikalischen Verwitterung arbeitet und die zerkleinerten Stücke so leichter angreifen kann. Bei der Verwitterung entstehen sowohl feste Verwitterungsprodukte als auch gelöste Substanzen und teils sogar Gase. Beide Erosionsarten können durch verschiedene Medien, wie Wind, Wasser, Luft oder Eis gesteuert werden. Nach der Verwitterung des Gesteins folgt der Transport, welcher die entstandenen Gesteinsbruchstücke und Stoffe vom Verwitterungsort wegträgt, bevor sie sich an einem anderen Ort ablagern und sedimentiert werden.

Durch Verwitterung wird das anstehende Festgestein in den sogenannten Regolith verwandelt. Dabei handelt es sich z.B. um Verwitterungsdecken (Saprolith), Lockersedimente oder auch um Böden. Bei fortschreitender Verwitterung spricht man vom Pedolith, bei dem das Gefüge komplett zerstört und die meisten Elemente ausgelaugt wurden. An Ort und Stelle gilt es herauszufinden, ob das Lockermaterial aus dem anstehenden Gestein (autochthon) stammt oder ob es herantransportiert wurde (allochthon).

Physikalische Verwitterung

Bei der physikalischen Verwitterung wird das anstehende Gestein meist in kleinere Bruchstücke umgewandelt, die chemische Zusammensetzung ändert sich aber zunächst nicht. Es gibt verschiedene Arten und Gründe von physikalischer Verwitterung.

Frostverwitterung: Frostverwitterung (Frostsprengung) tritt auf, wenn Wasser in Gesteinsrissen oder Poren eindringt und dann bei Gefrieren zu Eis wird. Das Volumen des Wassers nimmt beim Gefrieren um etwa 9% zu, was zu Druck auf das umgebende Gestein führt. Wiederholtes Gefrieren und Auftauen führt zu wiederholtem Druck auf das Gestein und zur Bildung von Rissen und Spalten. In manchen arktischen Gebieten ist dies eine der wenigen Erosionsarten die auftreten.

Salzverwitterung: Salzverwitterung tritt auf, wenn Salzwasser in Gesteinsporen oder -risse eindringt und dann verdunstet. Während des Verdunstungsvorgangs kristallisiert das Salz aus und bildet Kristalle, die Druck auf das umgebende Gestein ausüben. Dieser Druck kann das Gestein sprengen oder aufspalten und zur Bildung von Rissen und Spalten führen. Besonders am Fuß von Sandsteinwänden, die von dichteren Gesteinen, wie Tonsteinen unterlegt werden, sammeln sich Sickerwässer von denen Salze ausfallen. Dies tritt aufgrund der erhöhten Verdunstungsrate besonders in ariden Gebieten auf (z.B. Mesa-Verde-Nationalpark, Colorado).

Hydrationsverwitterung: Die Hydrationsverwitterung lässt sich leicht mit der chemischen Hydrolyse-Verwitterung verwechseln. Bei der Hydrationsverwitterung kommt es zur Einlagerung von Wassermolekülen in die Kristallstruktur bestimmter Minerale (Hydratation) und damit zur Volumenzunahme. Diese Zunahme führt zur Bildung von Rissen und Spalten.

Rostverwitterung: Die Rostverwitterung ist ein Prozess bei dem Eisenminerale, wie Magnetit oder Hämatit im Gestein durch die Reaktion mit Sauerstoff und Wasser zu Eisenhydroxiden und Eisenoxiden verwittern und sich dadurch das Volumen der jeweiligen Minerale erhöht. Ein typisches Beispiel für Rostverwitterung ist die Verwitterung von eisenhaltigen Gesteinen wie Buntsandstein oder eisenhaltigem Schiefer.

Quelldruckverwitterung: Im Prinzip ein Spezialfall der Hydrationsverwitterung. Bei quellfähigen Tonmineralen und deren zugehörigen Gesteinen kann es zu Volumenschwankungen durch die Ein- und Auslagerung von Wasser kommen. Dadurch kann es zu einer Lockerung des Gesteinsverbandes und zur Bildung von Brüchen kommen.

Druckentlastungsverwitterung: Druckentlastungsverwitterung tritt auf, wenn Gesteine, die unter hohem Druck durch darüberliegende Gesteinsschichten oder Erdkrustenbewegungen stehen, durch Erosion oder Abtragung dieser darüberliegenden Schichten entlastet werden. Wenn der Druck auf das Gestein verringert wird, kann es zur Ausdehnung des Gesteins kommen, was zu Spannungen führt und zur Bildung von Rissen und Spalten im Gestein führt. Meistens handelt es sich um besonders dichte Gesteine, wie Granite, die vorher kaum Klüfte aufwiesen. Ein bekanntes Beispiel für Druckentlastungsverwitterung in Gebirgsregionen, ist die Exfoliation (Bild), ein Prozess bei dem sich dünne Schichten oder Platten ablösen und sich Druckentlastungsklüfte bilden.

Thermische Verwitterung: Die Hauptursache für Temperaturverwitterung ist der thermische Stress, dem Gesteine durch wiederholte Erwärmung und Abkühlung ausgesetzt sind. Bei Erwärmung dehnt sich das Gestein aus, und bei Abkühlung zieht es sich zusammen. Durch diese zyklischen Ausdehnungs- und Schrumpfungseffekte können Spannungen im Gestein entstehen, die zur Bildung von Rissen, Spalten und anderen strukturellen Veränderungen führen können.

Auch die erosive Wirkung von Flüssen, Wind, Gletschern oder dem Meer ist eine Art der physikalischen Verwitterung. Da diese aber extern stattfindet wird sie in den jeweiligen Unterkapiteln besprochen.

Chemische Verwitterung

Bei der chemischen Verwitterung wird das anstehende Gestein oder das durch physikalische Verwitterungsprozesse angegriffene Gestein in seiner chemischen Zusammensetzung beeinflusst oder sogar vollständig gelöst. Meist sind dabei Wässer, wie meteorische Wässer (Niederschlag) oder oberflächennahe Bodenwässer beteiligt. Daher spielt chemische Verwitterung in humiden Regionen, mit viel Niederschlag eine besonders große Rolle.

Lösungsverwitterung: Der Prozess der Lösungsverwitterung greift leicht lösliche Minerale, wie Halit (NaCl), Gips (CaSO₄· 2H₂O) oder andere Salze an. Daher gibt es verschieden Lösungs- und Ausfällungsmechanismen, die in Salzstöcken präsent sind. So kann sich durch Subrosion, also unterirdische Auslaugung und Verfrachtung von meist leicht löslichem Gestein, ein sogenannter Salzspiegel entstehen. Dabei handelt es sich um die Reste schwerlöslicher Evaporitgesteine wie Anhydrit oder Gips (Hutgesteine), die sich im Dachbereich des Stocks anreichern.

Kohlensäureverwitterung: Die Kohlensäureverwitterung beruht auf der Lösung von Calciumcarbonat (Calcit, Aragonit) durch saure, CO₂-reiche Wässer, hauptsächlich Niederschlag, die Carbonatisierung oder Verkarstung. Bei hohen CO₂-Konzentrationen bildet sich durch die Reaktion mit Wasser Kohlensäure, welche dann wiederum mit dem Calciumcarbonat zu Calciumhydrogencarbonat reagiert, dass in Wasser stets vollständig gelöst vorliegt. Kälteres Wasser kann dabei mehr Kohlenstoffdioxid lösen.

H₂O + CO₂ ⇔ H₂CO₃

CaCO₃ + H₂CO₃ ⇔ Ca(HCO₃)₂

Eine Landschaftsform, die durch diese Reaktion von angesäuerten Wässern mit Karbonatgesteinen, wie Kalkstein, Dolomit, Karbonatit oder Marmor entsteht ist die Karstlandschaft. Dabei handelt es sich um Rillen, Furchen und andere Vertiefungen im, an der Oberfläche aufgeschlossenem Gestein. Die kohlensäurehaltigen Wässer bleiben jedoch nicht auf der Oberfläche, sondern sickern durch Fugen und Klüfte in den Boden ein und lösen dort weitere Gesteinsverbände. Dies ist der Anfang der epigenen Höhlenbildung. Dabei spielt vor allem der Prozess der Mischungskorrosion eine Rolle. Denn kalkgesättigte Lösungen sind nicht mehr in der Lage weiteren Kalk zu lösen und es muss daher zur Vermischung mit neuen, ungesättigten Lösungen kommen. Aus den übersättigten Kalklösungen fallen sekundäre Höhlen-Mineralablagerungen, sogenannte Speläotheme, wie Sinter oder Tropfsteine aus.

Dolinen, Polje, Klimaabhängikeit (Grand Canyon)

Schwefelsäureverwitterung

Hydrolyse

Biotische Verwitterung

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