Verwitterung bezeichnet in denGeowissenschaften die natürliche Zersetzung vonGestein infolge 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 gesteinsbildendenMinerale erhalten (physikalische Verwitterung) oder werden aufgelöst oder umgewandelt (chemische Verwitterung).
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 sindVulkanismus undTektonik. Die Verwitterung gehört zusammen mitErosion sowie Sedimenttransport und-ablagerung zu 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 hoheReliefenergie dafür, dass Verwitterungsprodukte zügig erodiert und an einer Stelle mit geringerer Reliefenergie wieder alsSediment abgelagert werden.Ebenes Gelände kann 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 alsRegolith bezeichnet werden. Der Regolith geht zur Tiefe in das unveränderte Gestein über, das allgemein alsanstehendes Gestein (kurzdas Anstehende) bezeichnet wird. DieBodenkunde spricht hierbei vomC-Horizont.
Bei den Verwitterungsprozessen wird üblicherweise grob unterschieden in:
Physikalische Prozesse – zumeist diemechanische Schwächung 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.[1]
Nicht nur natürlichanstehende Gesteine sind Verwitterungsprozessen unterworfen, sondern auch Bau- und Kunstwerke ausNaturstein. In letztgenanntem Fall wird auch populär vonSteinfraß gesprochen.
Allgemeinsprachlich wird unter „Verwittern“ die natürliche Zersetzung von Materialien, die dem direkten Einfluss derWitterung ausgesetzt sind, verstanden. Dies betrifft neben Gestein auch organische Materialien wieHolz sowiemetallische Werkstoffe,Glas,Keramik undKunststoffe. 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 derGlaskorrosion zur Verwitterung besonders offensichtlich, da die aus sekundären Korrosionsprodukten bestehenden Krusten auf umweltgeschädigten Gläsern, beispielsweise bei gotischen Buntglasfenstern, von den Restauratoren alsWetterstein bezeichnet werden.[2]
Verrottung und Gesteinsverwitterung sind die wichtigsten Prozesse derBodenbildung.
Ein durch physikalische Verwitterung mürbe gewordener Stein:1 wie vorgefunden,2 nach leichtem Drücken
Physikalische Verwitterung (auchphysische odermechanische 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 feinemSand undSchluff 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 umexterne mechanische Einwirkungen handelt, sollte dabei eher vonErosion statt von Verwitterung gesprochen werden.
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 (Polargebiete undkaltgemäßigtes Klima) sowie dienivale Höhenstufe 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.[3]
Nahezu überall ist das anstehende Gestein von Spalten durchzogen, den sogenanntenKlüften.Erstarrungsgesteine sind nur selten frei von Klüften, durch die das Wasser ins Innere des Gesteins gelangen kann (Spaltenfrost). InSedimentgesteinen bilden die Schichtflächen eine natürliche Serie von Ebenen relativ geringer Widerständigkeit im Gestein; die Schichtflächen und die Klüfte kreuzen sich imrechten 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 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 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.
Frostsprengung kann auch in Baustoffen auftreten, die beispielsweise durch eindiffundierteFeuchte mit 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 arktischenTundra vorkommen, sammeln sich große, kantige Gesteinsbrocken in einer Schuttschicht an, die das darunterliegende anstehende Gestein völlig zudeckt. Der NameFelsenmeer 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 zuSchutthalden 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.
Der Wirkung der Frostverwitterung durch wachsende Eiskristalle sehr ähnlich ist der Effekt des Wachstums von Salzkristallen in Spalten und Poren von Gestein. DieserSalzsprengung genannte Prozess ist besonders in trockenen Klimaten weit verbreitet.Grundwasser undPorenwasser enthalten gelöste Mineralsalze. In feuchtem porösem Materialverdunstet salzhaltiges 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 salzhaltigesKapillarwasser nachgeführt wird, kann der Wachstums- oder auchKristallisationsdruck der 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 ankapillaren und weniger druckfesten Baustoffen wie Sandstein, niedrig gebranntenMauerziegeln sowiePutz- 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 durchKapillarkräfte an die Oberfläche gezogen. Unabhängig vom Klima tritt diese Form der Verwitterung vor allem an Felswänden oder amUfersaum der 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 (Tonschiefer zum 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 Wasser 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 flacheHalbhöhlen wie sie in Deutschland vomElbsandsteingebirge bekannt 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.
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 derHydrolyse, bei der die Minerale durch chemische Reaktionen mit Wasser-Ionen umgewandelt werden (chemische Verwitterung).
Rostverwitterung (auchRostsprengung) kommt nur bei Gesteinen vor, die (nicht-oxische)Eisenerzminerale enthalten. Entsprechende Mineralkörner erfahren bei Kontakt mit meteorischem Wasser eine Volumenzunahme durchOxidation und 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 auchLawinen kommen. Rostsprengung zerstört auch häufig steinerne Kulturgüter, da in früheren Zeiten häufig Eisendübel und Eisenanker bei der Installation in Bauwerken eingesetzt wurden.
Durch quellfähigeTonminerale kommt es beim Wechsel zwischen Durchfeuchtung und Trocknung zu Volumenschwankungen, die den Gesteinsverband zerstören können.
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 auchExfoliation genannt. Die Trennflächen zwischen den Schalen bilden ein System von Spalten, die alsDruckentlastungsklüfte bezeichnet 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 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, grobkörnigenintrusiven Erstarrungsgesteins, dem Klüfte fehlen. Beispiele sind derZuckerhut von Rio de Janeiro undStone Mountain in Georgia (USA). Diese glatten Bergkuppen ragen in auffälliger Weise über ihrer Umgebung aus weniger widerständigem Gestein auf.
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
Unter derchemischen Verwitterung wird die Gesamtheit all jener Prozesse verstanden, die zur chemischen Veränderung oder vollständigenLösung 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 mithumidem 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.
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 derSalzspiegel und 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.
bildet sichKohlensäure. Sie wandelt das Carbonat nach der Reaktionsgleichung
inCalciumhydrogencarbonat um, das in Wasser stets vollständig gelöst vorliegt. Dieser Vorgang wirdCarbonatisierung genannt, weil ein Salz der Kohlensäurenoch einmal mit Kohlensäure reagiert. Aus dem gleichen Grund wirdHydrogencarbonat auch alsBi- oderDoppelcarbonat bezeichnet. CO2 kann 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 normaler Weise 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 vonDolinen undPoljen. Diechemische Stabilität des 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.Quellkalke und Tropfsteine in Kalksteinhöhlen.
Die Wirkung der Kohlensäure ist ein dominierender Faktor für dieDenudation in 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 undPlateaus aus 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 aufTrockenklimate zu. 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 hoheRücken und Plateaus. Zum Beispiel sind die Ränder desGrand Canyon und 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
zu Calciumcarbonat, das nachfolgend weiter verwittert. Calciumhydroxid ist alsLöschkalk allerdings ein bedeutender Bestandteil von Beton. BeiStahlbeton begünstigt die ebenfalls alsCarbonatisierung bezeichnete Reaktion von Kohlensäure mit Calciumhydroxid, bei der jedoch Calciumcarbonaterzeugt statt zersetzt wird, die Korrosion derBewehrung, woraus schwerwiegenden Bauschäden resultieren können.
Neben Calciumcarbonat und Calyciumhydroxid können beispielsweise auch diesilikatischen Minerale derOlivingruppe, die Bestandteil vieler vulkanischer Gesteine sind, nach der Reaktionsgleichung
fast vollständig aufgelöst werden, wobei vorstehende Gleichung einen mehrphasigen Prozess mit mehreren Einzelreaktionen zusammenfasst.
In den feuchten Klimaten der niederen Breiten wird somafisches Gestein, insbesondereBasalt, intensiv von größtenteils biogenen Bodensäuren angegriffen. Im Zusammenspiel mit chemischer Verwitterung durch Hydrolyse (siehe unten) entstehen Landformen, die als sogenannterSilikatkarst dem Karbonatkarst sehr ähnlich sind.[4] 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.
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 Regen enthält infolge der Aufnahme vonSchwefeldioxid (SO2) undSchwefeltrioxid (SO3) aus höheren Luftschichten geringe Mengenschwefliger Säure (H2SO3) bzw.Schwefelsäure (H2SO4). Beide Schwefeloxide entstammen überwiegend menschgemachten undvulkanischen Emissionen. BestimmteBakterien können 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 schwächereKohlensäure aus deren Calciumsalz. Aus Calciumcarbonat (Calcit) entstehtCalciumsulfat (Gips) undKohlendioxid (CO2):
.
Die Wasserlöslichkeit von Gips ist wesentlich besser als die von Calcit, und das Gestein wittert deshalb nach der Vergipsung schneller ab.
Da sie CO2 erzeugt anstatt dass, wie bei der Kohlensäureverwitterung und der anschließenden biogenen Fällung von Calciumcarbonat in den Meeren, atmosphärisches CO2 gebunden wird, kann die Schwefelsäureverwitterung denKohlenstoffkreislauf beeinflussen. Damit kommt der Reduktion menschgemachter Schwefeloxidemissionen eine gewisse Relevanz in der Debatte um wirksame Maßnahmen gegen dieglobalen Erwärmung zu, denn zumindest regional trägt Schwefelsäureverwitterung heute in erheblichem Maße zur natürlichen Karbonatverwitterung bei.[5]
In urbanen Gebieten sorgt die Schwefelsäureverwitterung für eine beschleunigte Alterung und Zerstörung von historischen Gebäudefassaden, Denkmälern und dergleichen. So verlieren Marmorskulpturen als 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 enthalteneRußpartikel in 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.
Bei der Hydrolyse (hydrolytische Verwitterung) werden die Ionen im Kristallgitter bestimmter Minerale an H+- und OH−-Ionen, die in Wasser durchAutoprotolyse permanent entstehen, gebunden, wodurch das Ionengitter zerfällt. Die Hydrolyse ist ein wichtiger Prozess derBodenbildung, denn sie bildet die Initialreaktion der Umwandlung häufiger Silikatminerale (z. B.Feldspäte undGlimmer) inTonminerale (z. B.Illit,Kaolinit,Montmorillonit,Smectit). So zerfällt beispielsweise Kalifeldspat nach der Reaktionsgleichung
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
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 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 unerwünschteplastische Eigenschaften besitzt.
Unter biotischer Verwitterung (auch biologische oder biogene Verwitterung genannt) versteht man Verwitterung durch den Einfluss lebender Organismen sowie ihrer Ausscheidungs- bzw. Zersetzungsprodukte.[6][7] 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.[8] Die biotischen Verwitterungsvorgänge werden in der Literatur mitunter auch in den Kategorien der physikalischen bzw. chemischen Verwitterung eingeordnet.
Mechanisch-biotische Verwitterung ist hauptsächlich dieWurzelsprengung. InKlüfte des Gesteins und in winzige Spalten zwischen Mineralkörnern hineinwachsendePflanzenwurzeln üben durch ihrDickenwachstum 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 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 wird durchMikroorganismen,Pflanzen undTiere verursacht, und gehört zu jenen Phänomenen, die unter dem BegriffBiokorrosion zusammengefasst werden. Beispielsweise greifen die vonPflanzenwurzeln abgesondertenorganischenSäuren Minerale an und zerlegen dasGestein dadurch in einzelne Bestandteile. Der aus mikrobiell teilweise abgebauten Resten abgestorbener Pflanzen und Tieren bestehendeHumus enthält einen großen Anteil anHuminsäuren, die gesteinszerstörend wirken. Durch mikrobielle Säurebildung,Oxidationen undReduktionen 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 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,Weinsäure undSalicylsäure.
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 alsElektronenakzeptoren für ihrenEnergiestoffwechsel 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.
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 rechtwinkligesKluftnetz 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 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.
DurchHydrolyse der Feldspäte und Glimmer oder durchTemperaturverwitterung zerfällt das Gesteinsgefüge granitischer Gesteine (Granit,Granodiorit) in einzelne Mineralkörner. Dieses von derKorngröße her sandig bis feinkiesige Material wirdGrus genannt und der entsprechende Vorgang heißtVergrusung oderAbgrusung. Vergrusung geht oft mit Wollsackverwitterung einher.
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 alsTafoni bezeichnet.
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