Verwitterung

Physikalisch verwittertes Gesteinerodiertund sammelt sich inSchuttkegelnam Steilufer desIsfjorden,Spitzbergen.

Verwitterungbezeichnet in denGeowissenschaftendie natürliche Zersetzung vonGesteininfolge dessen exponierter Lage an oder nahe der Erdoberfläche. Dabei spielen mehrere Prozesse zusammen, die eine physikalische Zerstörung und/oder die chemische Veränderung des Gesteins – abiotisch oder biotisch verursacht – herbeiführen. Je nach Art der Verwitterung bleiben die gesteinsbildenden Minerale erhalten (physikalische Verwitterung) oder werden aufgelöst oder umgewandelt (chemische Verwitterung).

Einführung

Allgemeines

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 von den jeweils herrschenden klimatischen Bedingungen abhängen (exogene Faktoren). Die wichtigsten endogenen Faktoren sindVulkanismusundTektonik.Die Verwitterung gehört zusammen mitErosionsowie Sedimenttransport und-ablagerungzu den exogenen Faktoren (siehe auchKreislauf der Gesteine).

Die Verwitterung wirkt dabei nicht für sich alleine, sondern ist, insbesondere in hochgelegenem Gelände mit steilen Hängen, oft das erste Glied einer Kette exogener Prozesse. So sorgt eine hoheReliefenergiedafür, dass Verwitterungsprodukte zügig erodiert und an einer Stelle mit geringerer Reliefenergie wieder alsSedimentabgelagert werden.Ebenes Geländekann zwar auch von Erosion betroffen sein (vgl.Rumpffläche), jedoch ist sie dort wesentlich weniger effektiv. Deshalb können dort die Produkte der Gesteinsverwitterung lockere Oberflächenschichten bilden, die alsRegolithbezeichnet werden. Der Regolith geht zur Tiefe in das unveränderte Gestein über, das allgemein alsanstehendes Gestein(kurzdas Anstehende) bezeichnet wird. DieBodenkundespricht hierbei vomC-Horizont.

Bei den Verwitterungsprozessen wird üblicherweise grob unterschieden in:

• Physikalische Prozesse– zumeist diemechanischeSchwächung oder Zerstörung des Gesteinsverbandes infolge einer Volumenzunahme von einzelnen Komponenten desselben, die verschiedene Ursachen haben kann.
• Chemische Prozesse– Zersetzung einzelner oder aller Komponenten des Gesteinsverbandes.
• Biogene Prozesse– gesteinsschwächende Auswirkungen der Aktivität von Lebewesen.

Eine scharfe Trennung zwischen diesen drei Verwitterungsformen, die jeweils weiter untergliedert werden können, 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: Chemische Verwitterung ist effektiver in einem durch physikalische Prozesse (die allerdings auch endogen sein können) bereits stark zerrütteten Gesteinskörper. An von Gletschereis glatt polierten Gesteinsoberflächen zeigen sich hingegen auch nach Jahrtausenden oft keine nennenswerten Anzeichen chemischer Verwitterung.

Synonyme und Begriffsabgrenzung

Nicht nur natürlichanstehende Gesteinesind Verwitterungsprozessen unterworfen, sondern auch Bau- und Kunstwerke ausNaturstein.In letztgenanntem Fall wird auch populär vonSteinfraßgesprochen.

Allgemeinsprachlich wird unter „Verwittern “die natürliche Zersetzung von Materialien, die dem direkten Einfluss derWitterungausgesetzt sind, verstanden. Dies betrifft neben Gestein auch organische Materialien wieHolzsowiemetallische Werkstoffe,Glas,KeramikundKunststoffe.Bei organischen Materialien fällt diese Form der „Verwitterung “unter den OberbegriffVerrottung,bei Metallen, Glas, Keramik und Kunststoffen unter den OberbegriffKorrosion.Bei Glas ist die sprachliche Nähe derGlaskorrosionzur Verwitterung besonders offensichtlich, da die aus sekundären Korrosionsprodukten bestehenden Krusten auf umweltgeschädigten Gläsern, beispielsweise bei gotischen Buntglasfenstern, von den Restauratoren alsWettersteinbezeichnet werden.

Verrottung und Gesteinsverwitterung sind die wichtigsten Prozesse derBodenbildung.

Physikalische Verwitterung

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

Physikalische Verwitterung (auchphysischeodermechanische 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 feinemSandundSchluffreichen 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 umexternemechanische Einwirkungen handelt, sollte dabei eher vonErosionstatt von Verwitterung gesprochen werden.

Frostverwitterung

Ein durch Frostsprengung fragmentierter Stein im südlichen Island

Die Frostverwitterung (auchFrostsprengung) 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 (Polargebieteundkaltgemäßigtes Klima) sowie dienivale Höhenstufein 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.

Nahezu überall ist das anstehende Gestein von Spalten durchzogen, den sogenanntenKlüften.Erstarrungsgesteinesind nur selten frei von Klüften, durch die das Wasser ins Innere des Gesteins gelangen kann (Spaltenfrost). InSedimentgesteinenbilden die Schichtflächen eine natürliche Serie von Ebenen relativ geringer Widerständigkeit im Gestein; die Schichtflächen und die Klüfte kreuzen sich imrechten Winkelzueinander. 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 heißtBlockzerfall.

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 wirdkörniger Zerfallgenannt. 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.

Frostsprengung kann auch in Baustoffen auftreten, die beispielsweise durch eindiffundierteFeuchtemit nachfolgender Kondensation durch Abkühlung unter denTaupunkt,vernässt worden sind.

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 arktischenTundravorkommen, sammeln sich große, kantige Gesteinsbrocken in einer Schuttschicht an, die das darunterliegende anstehende Gestein völlig zudeckt. Der NameFelsenmeerbezeichnet 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 zuSchutthaldenan. 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

Felsnische imMesa-Verde-Nationalpark,Colorado,USA

Salzfraß an derTheatinerkirchein München

Der Wirkung der Frostverwitterung durch wachsende Eiskristalle sehr ähnlich ist der Effekt des Wachstums von Salzkristallen in Spalten und Poren von Gestein. DieserSalzsprengunggenannte Prozess ist besonders in trockenen Klimaten weit verbreitet.GrundwasserundPorenwasserenthalten gelöste Mineralsalze. In feuchtem porösem Materialverdunstetsalzhaltiges Porenwasser bereits in den nahe der Oberfläche gelegenen Kapillaren. Sobald durch Entzug des Wassers eine Übersättigung eintritt, bilden sich in diesem Bereich Salzkristalle.

Wenn in porösem Gestein beständig salzhaltigesKapillarwassernachgeführt wird, kann der Wachstums- oder auchKristallisationsdruckder Kristalle den körnigen Zerfall der äußeren Gesteinsschale bewirken. Das Auskristallisieren aus übersättigten Lösungen erzeugt eine Druckwirkung von 13 MPa, und das Wachstum der Salzkristalle von 4 MPa. Denselben Prozess kann man auch an Gebäuden beobachten. Streusalz, das im Winter auf Straßen ausgestreut wird, dringt mit dem Spritzwasser in den Sockelbereich ein und kristallisiert dort aus. In schlecht abgedichteten Kellern dringt Bodenfeuchte durch das Mauerwerk und verdunstet an der Oberfläche. Salze aus dem Boden oder dem Mauerwerk selber führen zu Schäden insbesondere ankapillarenund weniger druckfesten Baustoffen wie Sandstein, niedrig gebranntenMauerziegelnsowiePutz-undMauermörteln.

Die Salzverwitterung ist allgemein typisch für Regionen mitaridem Klima,da die hohen Verdunstungsraten und die geringen Niederschlagsmengen die Konzentration und Ausfällung von Salzen im Porenraum des Gesteins begünstigen. In längeren Trockenperioden wird Wasser aus dem Inneren des Gesteins durchKapillarkräftean die Oberfläche gezogen. Unabhängig vom Klima tritt diese Form der Verwitterung vor allem an Felswänden oder amUfersaumder Meeresküste auf, wo salziges Meerwasser im porösen Gestein aufsteigt und dort verdunstet.

Im Gebirge sickert Regenwasser durch durchlässige Gesteinsschichten und nimmt dabei Salze auf. Wenn das Sickerwasser auf dichtere Schichten (Tonschieferzum Beispiel) trifft, verteilt es sich horizontal und verdunstet an der Oberfläche von tiefer gelegenen Hängen oder Felswänden. Sandsteinfelswände sind für Gesteinszerfall durch Salzsprengung besonders anfällig, sieheAbri.Bei andauernder Verdunstung von einsickerndem Wassers kristallisieren die mitgeführten Salze in den oberflächennahen Poren des Sandsteins. Der Druck der wachsenden Salzkristalle zermürbt den Stein, so dass Wind und Regenwasser die Oberfläche abtragen können.
Teilweise bilden sich Nischen oder flacheHalbhöhlenwie sie in Deutschland vomElbsandsteingebirgebekannt sind (Boofen). In den Felsnischensiedlungen (englisch:cliff dwellings) der südwestlichen USA (etwa imMesa-Verde-Nationalpark) wurden solche Nischen von den ursprünglichen Einwohnern mit Steinmauern geschlossen und als Wohnungen genutzt.

Hydrationsverwitterung

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 (Hydratationoder Hydration). Die Hydrationsverwitterung darf nicht verwechselt werden mit derHydrolyse,bei der die Minerale durch chemische Reaktionen mit Wasser-Ionenumgewandelt werden (chemische Verwitterung).

Rostverwitterung

Rostverwitterung (auchRostsprengung) kommt nur bei Gesteinen vor, die (nicht-oxische)Eisenerzmineraleenthalten. Entsprechende Mineralkörner erfahren bei Kontakt mit meteorischem Wasser eine Volumenzunahme durchOxidationund damit der Bildung vonEisenoxiden,-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 auchLawinenkommen. Rostsprengung zerstört auch häufig steinerne Kulturgüter, da in früheren Zeiten häufig Eisendübel und Eisenanker bei der Installation in Bauwerken eingesetzt wurden.

Quelldruckverwitterung

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

Druckentlastungsverwitterung

Exfoliation beiGranitoiden

Enchanted Rock(Llano Uplift), Texas

Half DomeimYosemite-Nationalpark(Sierra-Nevada-Batholith)

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 (besondersErstarrungs-undmetamorphe 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 Gesteinsschalen von der darunter befindlichen Gesteinsmasse los. Dieser Vorgang wird auchExfoliationgenannt. Die Trennflächen zwischen den Schalen bilden ein System von Spalten, die alsDruckentlastungsklüftebezeichnet werden.

Diese Kluftstruktur tritt vornehmlich in massiven, vorher kluftarmen Gesteinen wie Granit auf. In bereits engständig geklüfteten Gesteine würden die Expansion lediglich zu einer Erweiterung der vorhandenen Klüfte führen.

Die Gesteinsschalen, die von der Druckentlastung erzeugt werden, liegen oft parallel zur Geländeoberfläche und sind dann zu den Talsohlen hin geneigt. An Granitküsten sind die Schalen seewärts geneigt. Die Druckentlastungsklüftung ist oft in Steinbrüchen zu beobachten, wo sie den Abbau der Gesteinsblöcke erleichtert.

Wo sich die Druckentlastungsklüfte über dem Gipfelbereich eines einzelnen großen, massiven Gesteinskörpers entwickelt haben, entsteht eineExfoliationskuppe(englisch:exfoliation dome). Diese Kuppen gehören zu den größten Landformen, die hauptsächlich durch Verwitterung erzeugt worden sind. In der Region desYosemite Valleyin 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, grobkörnigenintrusivenErstarrungsgesteins, dem Klüfte fehlen. Beispiele sind derZuckerhutvon Rio de Janeiro undStone Mountainin Georgia (USA). Diese glatten Bergkuppen ragen in auffälliger Weise über ihrer Umgebung aus weniger widerständigem Gestein auf.

Thermische Verwitterung

→Hauptartikel:Temperaturverwitterung

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

• natürliche Ursachen haben (Sonnenstrahlung,Wind,Frost,Strahlungswetter,Temperaturerhöhung im Erdinnern und Ähnliches) oder
• auf technische Maßnahmen zurückgehen (Reibung,Alterung/Korrosion,Radioaktivität,Heizung und andere)

Chemische Verwitterung

Unter derchemischenVerwitterung wird die Gesamtheit all jener Prozesse verstanden, die zur chemischen Veränderung oder vollständigenLösungvon Gesteinen unter dem Einfluss von Niederschlägen und oberflächennahem Grundwasser bzw.Bodenwasserführen. 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 mithumidem Klimaeine 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

Die Lösungsverwitterung ist die Lösung von Gesteinen, die vorwiegend aus Mineralen bestehen, die in reinem Wasser löslich sind, z. B.Gips(CaSO₄· 2H₂O),Halit(NaCl) oderSylvin(KCl). Diese Gesteine sind daher in humidem Klima nur selten auf natürliche Weiseaufgeschlossen,da sie meist bereits unterhalb der Geländeoberfläche aufgelöst werden. Spezielle Verwitterungserscheinungen der Lösungsverwitterung sind derSalzspiegelund der Gipshut im Dachbereich vonSalzstöcken.

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

KarrenstrukturenwieKamenitzasundMäanderkarrenentstehen durch Kohlensäureverwitterung,Totes Gebirge(Nördliche Kalkalpen), Österreich

Calciumcarbonat(CaCO₃,Calcit,Aragonit) ist nur sehr schlecht in reinem Wasser löslich. Verbindet sich das Wasser jedoch mitKohlenstoffdioxid(CO₂) aus der Luft,

$\mathrm {H_{2}O+CO_{2}\rightleftharpoons H_{2}CO_{3}}$,

bildet sichKohlensäure.Sie wandelt das Carbonat nach der Reaktionsgleichung

$\mathrm {CaCO_{3}+H_{2}CO_{3}\rightleftharpoons Ca(HCO_{3})_{2}}$

inCalciumhydrogencarbonatum, das in Wasser stets vollständig gelöst vorliegt. Dieser Vorgang wirdCarbonatisierunggenannt, weil ein Salz der Kohlensäurenoch einmalmit Kohlensäure reagiert. Aus dem gleichen Grund wirdHydrogencarbonatauch alsBi-oderDoppelcarbonatbezeichnet. CO₂kann in stärkerer Konzentration auch von Bodenlebewesen oder aus der Zersetzung organischer Substanzen stammen (siehe auchchemisch-biotische Verwitterung).

Die Reaktion der Kohlensäure mit Karbonatgesteinen (Kalkstein,Dolomit,Karbonatit,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 normalerweise überquert werden können. So entstehen in Gebieten, deren Oberflächengeologie von Kalkstein dominiert wird, bizarreKarstlandschaften.Die Auflösung von Carbonatgestein ist jedoch nicht auf die Geländeoberfläche beschränkt, sondern erfolgt auch unter der Erde durch versickertes (kohlensaures) Oberflächenwasser. Dies führt zur Bildung ausgedehnter Höhlen und Höhlensysteme und nachfolgend vonDolinenundPoljen.Diechemische Stabilitätdes Calciumhydrogencarbonats ist jedoch abhängig von Druck und Temperatur. Erwärmt sich die Lösung oder erfährt eine Druckentlastung, so verschiebt sich das chemische Reaktionsgleichgewicht zuungunsten von Kohlensäure und Calciumhydrogencarbonat. Im Zuge dessen zerfällt das Hydrogencarbonat unter Abgabe von CO₂,und Calciumcarbonatfällt aus.Auf diese Weise entstehen u. a.Quellkalkeund Tropfsteine in Kalksteinhöhlen.

Die Wirkung der Kohlensäure ist ein dominierender Faktor für dieDenudationin Kalksteingebieten mit feuchtem Klima, nicht zuletzt wegen der dort intensiven biotischen CO₂-bildenden Prozesse. In feuchtem Klima sind Kalksteine daher relativ verwitterungsanfällig und können große Talzonen und andere Bereiche niedrigen Geländes bilden, während benachbarte Rücken undPlateausaus Gestein bestehen, das unter den herrschenden Bedingungen widerstandsfähiger gegen Verwitterung ist. 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 tiefergelegt worden ist.

Das Umgekehrte trifft aufTrockenklimatezu. Dort ist der Einfluss der Kohlensäureverwitterung wegen der Abwesenheit flüssigen Wassers und der damit zusammenhängenden geringeren biotischen Aktivität sehr viel geringer, und Kalkstein und Dolomit bilden hoheRückenund Plateaus. Zum Beispiel sind die Ränder desGrand Canyonund die angrenzenden Plateaus von Dolomitschichten unterlagert. Sandsteinschichten aus Quarzkörnern, die durch Calciumcarbonat miteinander verkittet wurden (sogenanntekarbonatzementierte Sandsteine) verwittern in einem Trockenklima ebenfalls relativ langsam.

Eine weitere für Kohlensäureverwitterung anfällige Calciumverbindung ist das in der Natur eher selteneCalciumhydroxid(Ca(OH)₂,Portlandit). Es verwittert nach der Reaktionsgleichung

$\mathrm {Ca(OH)_{2}+H_{2}CO_{3}\ \rightarrow \ CaCO_{3}+2\;H_{2}O}$

zu Calciumcarbonat, das nachfolgend weiter verwittert. Calciumhydroxid ist alsLöschkalkallerdings ein bedeutender Bestandteil von Beton. BeiStahlbetonbegünstigt die ebenfalls alsCarbonatisierungbezeichnete Reaktion von Kohlensäure mit Calciumhydroxid, bei der jedoch Calciumcarbonaterzeugtstatt zersetzt wird, die Korrosion derBewehrung,woraus schwerwiegenden Bauschäden resultieren können.

Neben Calciumcarbonat und Calyciumhydroxid können beispielsweise auch diesilikatischenMinerale derOlivingruppe,die Bestandteil vieler vulkanischer Gesteine sind, nach der Reaktionsgleichung

$\mathrm {Mg_{2}SiO_{4}+2\;H_{2}O+4\;CO_{2}\longrightarrow 2\;Mg(HCO_{3})_{2}+SiO_{2}}$

fast vollständig aufgelöst werden, wobei vorstehende Gleichung einen mehrphasigen Prozess mit mehreren Einzelreaktionen zusammenfasst.

In den feuchten Klimaten der niederen Breiten wird somafischesGestein, insbesondereBasalt,intensiv von größtenteils biogenen Bodensäuren angegriffen. Im Zusammenspiel mit chemischer Verwitterung durch Hydrolyse (siehe unten) entstehen Landformen, die als sogenannterSilikatkarstdem Karbonatkarst sehr ähnlich sind.Die Effekte der chemischen Verwitterung von Basalt zeigen sich beispielsweise in den eindrucksvollen Furchen, Felsrippen und -türmen an den Hängen tiefer Bergnischen in Teilen derHawaii-Inseln.

Schwefelsäureverwitterung

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 anCalciumcarbonat(Kalkstein,Kalksandstein,Marmor).Saurer Regenenthält infolge der Aufnahme vonSchwefeldioxid(SO₂) undSchwefeltrioxid(SO₃) aus höheren Luftschichten geringe Mengenschwefliger Säure(H₂SO₃) bzw.Schwefelsäure(H₂SO₄). Beide Schwefeloxide entstammen überwiegend menschgemachten undvulkanischenEmissionen. BestimmteBakterienkönnen den Anteil der Schwefelsäure im Regenwasser nach dessen Auftreffen auf Böden oder anderen Oberflächen erhöhen, indem sie darin enthaltene schweflige Säureoxidieren.

Bei Kontakt von Karbonatgesteinen mit saurem Regen verdrängt die Schwefelsäure die schwächereKohlensäureaus deren Calciumsalz. Aus Calciumcarbonat (Calcit) entstehtCalciumsulfat(Gips) undKohlendioxid(CO₂):

$\mathrm {CaCO_{3}+H_{2}SO_{4}+H_{2}O\longrightarrow CaSO_{4}\cdot 2\;H_{2}O+CO_{2}}$.

Die Wasserlöslichkeit von Gips ist wesentlich besser als die von Calcit, und das Gestein wittert deshalb nach der Vergipsung schneller ab.

Da sie CO₂erzeugt anstatt dass, wie bei der Kohlensäureverwitterung und der anschließenden biogenen Fällung von Calciumcarbonat in den Meeren, atmosphärisches CO₂gebunden wird, kann die Schwefelsäureverwitterung denKohlenstoffkreislaufbeeinflussen. Damit kommt der Reduktion menschgemachter Schwefeloxidemissionen eine gewisse Relevanz in der Debatte um wirksame Maßnahmen gegen dieglobalen Erwärmungzu, denn zumindest regional trägt Schwefelsäureverwitterung heute in erheblichem Maße zur natürlichen Karbonatverwitterung bei.

In urbanen Gebieten sorgt die Schwefelsäureverwitterung für eine beschleunigte Alterung und Zerstörung von historischen Gebäudefassaden, Denkmälern und dergleichen. So verlieren Marmorskulpturenals erstes sichtbares Anzeichen den typischen Glanz ihrer polierten Oberfläche. Nachfolgend büßen sie ihre Konturenschärfe ein und können im Extremfall die gesamte bildhauerisch bearbeitete Oberfläche verlieren. Da Gips hygroskopisch ist, können im Regen enthalteneRußpartikelin die vergipste Oberfläche eingebunden werden – sogenannte Schwarzkrusten entstehen. Diese sind dichter als der Marmor und vermindern die Wasserdampf­diffusions­fähigkeit des Gesteins. Es entstehen dann parallel zur Oberfläche verlaufende Schadzonen und irgendwann platzt die Schwarzkruste großflächig ab – auch dabei geht die bildhauerisch bearbeitete Oberfläche verloren. 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

Bei der Hydrolyse (hydrolytische Verwitterung) werden die Ionen im Kristallgitter bestimmter Minerale an H⁺- und OH⁻-Ionen, die in Wasser durchAutoprotolysepermanent entstehen, gebunden, wodurch das Ionengitter zerfällt. Die Hydrolyse ist ein wichtiger Prozess derBodenbildung,denn sie bildet die Initialreaktion der Umwandlung häufiger Silikatminerale (z. B.FeldspäteundGlimmer) inTonminerale(z. B.Illit,Kaolinit,Montmorillonit,Smectit). So zerfällt beispielsweise Kalifeldspat nach der Reaktionsgleichung

$\mathrm {KAlSi_{3}O_{8}+H^{+}\ +OH^{-}\longrightarrow HAlSi_{3}O_{8}+KOH}$

in alumosilizische Säure und Kaliumhydroxid. Letztgenanntes wird durch Reaktion mit Kohlensäure inKaliumcarbonat(„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

$\mathrm {2\;HAlSi_{3}O_{8}+9\;H_{2}O\longrightarrow Al_{2}Si_{2}O_{5}(OH)_{4}+4\;H_{4}SiO_{4}}$

zu Kaolinit und Orthokieselsäure. Letztgenannte ist wiederum löslich und wird abgeführt. Ändert sich jedoch unterwegs das chemische Milieu, kann aus dieser Verwitterungslösung SiO₂ausfallen und bildet dannChalcedon­krusten (Silcretes).

Allgemein gilt: je feuchter das Klima, je höher die Temperatur und je geringer der pH-Wert, desto 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 VerwitterungsschichtSaprolith(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 unerwünschteplastischeEigenschaften besitzt.

Biotische Verwitterung

Durch Baumwurzeln aufgebrochenerStraßenasphalt

Unter biotischer Verwitterung (auch biologische oder biogene Verwitterung genannt) versteht man Verwitterung durch den Einfluss lebender Organismen sowie ihrer Ausscheidungs- bzw. Zersetzungsprodukte.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.Die biotischen Verwitterungsvorgänge werden in der Literatur mitunter auch in den Kategorien der physikalischen bzw. chemischen Verwitterung eingeordnet.

Mechanisch-biotische Verwitterung

Mechanisch-biotische Verwitterung ist hauptsächlich dieWurzelsprengung.InKlüftedes Gesteins und in winzige Spalten zwischen Mineralkörnern hineinwachsendePflanzenwurzelnüben durch ihrDickenwachstumeine 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 derDruck,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

Chemisch-biotische Verwitterung wird durchMikroorganismen,PflanzenundTiereverursacht, und gehört zu jenen Phänomenen, die unter dem BegriffBiokorrosionzusammengefasst werden. Beispielsweise greifen die vonPflanzenwurzelnabgesondertenorganischenSäurenMinerale an und zerlegen dasGesteindadurch in einzelne Bestandteile. Der aus mikrobiell teilweise abgebauten Resten abgestorbener Pflanzen und Tieren bestehendeHumusenthält einen großen Anteil anHuminsäuren,die gesteinszerstörend wirken. Durch mikrobielle Säurebildung,OxidationenundReduktionenkann 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 allemEisen(Fe),Aluminium(Al) undMagnesium(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 anderemCitronensäure,WeinsäureundSalicylsäure.

Des Weiteren können Mikroorganismen und die Atmung der Pflanzenwurzeln durch Kohlenstoffdioxid-Bildung den Kohlensäuregehalt im Boden erhöhen und dadurch Lösungsvorgänge beschleunigen.AnaerobeBakterien bewirken teilweise Reduktionsprozesse, indem sie bestimmte Stoffe alsElektronenakzeptorenfür ihrenEnergiestoffwechselverwenden 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

Wollsackverwitterung

→Hauptartikel:Wollsackverwitterung

Durch Wollsackverwitterung geformte paläozoische Sandsteine imŚwiętokrzyski-Nationalpark,Heiligkreuzgebirge, Polen

Als Wollsackverwitterung wird die durch verschiedene Verwitterungsprozesse erfolgende Ausbildung typischer Formen im anstehenden Gestein bezeichnet. Dabei bildet sich zunächst ein annähernd rechtwinkligesKluftnetzim 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 zu 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

DurchHydrolyseder Feldspäte und Glimmer oder durchTemperaturverwitterungzerfällt das Gesteinsgefüge granitischer Gesteine (Granit,Granodiorit) in einzelne Mineralkörner. Dieses von derKorngrößeher sandig bis feinkiesige Material wirdGrusgenannt und der entsprechende Vorgang heißtVergrusungoderAbgrusung.Vergrusung geht oft mit Wollsackverwitterung einher.

Alveolarverwitterung

→Hauptartikel:Tafone

Tafoni an einer Mauer aufGozo,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 alsTafonibezeichnet.

Siehe auch

• Verwitterungsrinden
• Weltraumverwitterung

Literatur

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• Henry Lutz Ehrlich, Dianne K. Newman:Geomicrobiology.5. Auflage. CRC Press, Boca Raton FL u. a. 2009,ISBN 978-0-8493-7906-2.
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Weblinks

Wiktionary: Verwitterung– Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Wiktionary: verwittern– Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Commons:Verwitterung– Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Mineralienatlas: Verwitterung und Erosion(Wiki)