Direkt zum Inhalt

Lexikon der Geowissenschaften: Verwitterung

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.


Verwitterung (Tab.): relative Verwitterungsraten in Abhängigkeit von verschiedenen kontrollierenden Faktoren. Verwitterung (Tab.):
  • Die Autoren
Redaktion

Landscape GmbH
Dipl.-Geogr. Christiane Martin
Nicole Bischof
Dipl.-Geol. Manfred Eiblmaier

Fachberater

Allgemeine Geologie
Prof. Dr. V. Jacobshagen, Berlin

Angewandte Geologie
Prof. Dr. H. Hötzl, Karlsruhe

Bodenkunde
Prof. Dr. H.-R. Bork, Potsdam

Fernerkundung
Prof. Dr. phil. M. Buchroithner, Dresden

Geochemie
Prof. Dr. W. Altermann, München

Geodäsie
Prof. Dr. K.-H. Ilk, Bonn

Geomorphologie
Prof. Dr. W. Andres, Frankfurt / Main

Geophysik
Prof. Dr. P. Giese, Berlin

Historische Geologie
Prof. Dr. H.-G. Herbig, Köln

Hydrologie
Prof. Dr. H.-J. Liebscher, Koblenz

Kartographie
Prof. Dr. W.G. Koch, Dresden

Klimatologie
Prof. Dr. Ch.-D. Schönwiese, Frankfurt / Main

Kristallographie
Prof. Dr. K. Hümmer, Karlsruhe

Landschaftsökologie
Dr. D. Schaub, Aarau, Schweiz

Meteorologie
Prof. Dr. G. Groß, Hannover

Mineralogie
Prof. Dr. G. Strübel, Gießen

Ozeanographie
Prof. Dr. J. Meincke, Hamburg

Petrologie
Dr. R. Hollerbach, Köln

Autoren

Allgemeine Geologie
Dipl.-Geol. D. Adelmann, Berlin
Dr. Ch. Breitkreuz, Berlin
Prof. Dr. M. Durand Delga, Avon, Frankreich
Dipl.-Geol. K. Fiedler, Berlin
Prof. Dr. V. Jacobshagen, Berlin
Dr. W. Jaritz, Burgwedel
Prof. Dr. H. Kallenbach, Berlin
Dr. J. Kley, Karlsruhe
Prof. Dr. M. Lemoine, Marli-le-Roi, Frankreich
Prof. Dr. J. Liedholz, Berlin
Prof. Dr. B. Meißner, Berlin
Dr. D. Mertmann, Berlin
Dipl.-Geol. J. Müller, Berlin
Prof. Dr. C.-D. Reuther, Hamburg
Prof. Dr. K.-J. Reutter, Berlin
Dr. E. Scheuber, Berlin
Prof. Dr. E. Wallbrecher, Graz
Dr. Gernold Zulauf, Frankfurt

Angewandte Geologie
Dr. A. Bohleber, Karlsruhe
Dipl.-Geol. W. Breh, Karlsruhe
Prof. Dr. K. Czurda, Karlsruhe
Dr. M. Eiswirth, Karlsruhe
Dipl.-Geol. T. Fauser, Karlsruhe
Prof. Dr.-Ing. E. Fecker, Karlsruhe
Prof. Dr. H. Hötzl, Karlsruhe
Dipl.-Geol. W. Kassebeer, Karlsruhe
Dipl.-Geol. A. Kienzle, Karlsruhe
Dipl.-Geol. B. Krauthausen, Berg / Pfalz
Dipl.-Geol. T. Liesch, Karlsruhe
R. Ohlenbusch, Karlsruhe
Dr. K. E. Roehl, Karlsruhe
Dipl.-Geol. S. Rogge, Karlsruhe
Dr. J. Rohn, Karlsruhe
Dipl.-Geol. E. Ruckert, Karlsruhe
Dr. C. Schnatmeyer, Trier
Dipl.-Geol. N. Umlauf, Karlsruhe
Dr. A. Wefer-Roehl, Karlsruhe
K. Witthüser, Karlsruhe
Dipl.-Geol. R. Zorn, Karlsruhe

Bodenkunde
Dr. J. Augustin, Müncheberg
Dr. A. Behrendt, Müncheberg
Dipl.-Ing. agr. U. Behrendt, Müncheberg
Prof. Dr. Dr. H.-P. Blume, Kiel
Prof. Dr. H.-R. Bork, Potsdam
Dr. C. Dalchow, Müncheberg
Dr. D. Deumlich, Müncheberg
Dipl.-Geoök. M. Dotterweich, Potsdam
Dr. R. Ellerbrock, Müncheberg
Prof. Dr. M. Frielinghaus, Müncheberg
Dr. R. Funk, Müncheberg
Dipl.-Ing. K. Geldmacher, Potsdam
Dr. H. Gerke, Müncheberg
Dr. K. Helming, Müncheberg
Dr. W. Hierold, Müncheberg
Dr. A. Höhn, Müncheberg
Dr. M. Joschko, Müncheberg
Dr. K.-Ch. Kersebaum
Dr. S. Koszinski, Müncheberg
Dr. P. Lentzsch, Müncheberg
Dr. L. Müller, Müncheberg
Dr. M. Müller, Müncheberg
Dr. T. Müller, Müncheberg
Dr. B. Münzenberger, Müncheberg
Dr. H.-P. Pior, Müncheberg
Dr. H. Rogasik, Müncheberg
Dr. U. Schindler, Müncheberg
Dipl.-Geoök. G. Schmittchen, Potsdam
Dr. W. Seyfarth, Müncheberg
Dr. M. Tauschke, Müncheberg
Dr. A. Ulrich, Müncheberg
Dr. O. Wendroth, Müncheberg
Dr. St. Wirth, Müncheberg

Fernerkundung
Prof. Dr. phil. M. Buchroithner, Dresden
Prof. Dr. E. Csaplovics, Dresden
Prof. Dr. C. Gläßer, Halle
Dr. G. Meinel, Dresden
Dr. M. Netzband, Dresden
Prof. Dr. H. Will, Halle

Geochemie
Prof. Dr. A. Altenbach, München
Prof. Dr. W. Altermann, München
Dr. St. Becker, Wiesbaden
Dr. A. Hehn-Wohnlich, Ottobrunn
P.D. Dr. St. Höltzl, München
Dr. M. Kölbl-Ebert, München
Dr. Th. Kunzmann, München
Prof. Dr. W. Loske, München
Dipl.-Geol. A. Murr, München
Dr. T. Rüde, München

Geodäsie
Dr.-Ing. G. Boedecker, München
Dr. W. Bosch, München
Dr. E. Buschmann, Potsdam
Prof. Dr. H. Drewes, München
Dr. D. Egger, München
Prof. Dr. B. Heck, Karlsruhe
Prof. Dr. K.-H. Ilk, Bonn
Dr. J. Müller, München
Dr. A. Nothnagel, Bonn
Prof. Dr. D. Reinhard, Dresden
Dr. Mirko Scheinert, Dresden
Dr. W. Schlüter, Wetzell
Dr. H. Schuh, München
Prof. Dr. G. Seeber, Hannover
Prof. Dr. M. H. Soffel, Dresden

Geomorphologie
Dipl. Geogr. K.D. Albert, Frankfurt / Main
Prof. Dr. W. Andres, Frankfurt / Main
Dipl. Geogr. P. Houben, Frankfurt / Main
Dr. K.-M. Moldenhauer, Frankfurt / Main
Dr. P. Müller-Haude, Frankfurt / Main
Dipl. Geogr. S. Nolte, Frankfurt / Main
Dr. H. Riedel, Wetter
Dr. J. B. Ries, Frankfurt / Main

Geophysik
Dr. G. Bock, Potsdam
Dr. H. Brasse, Berlin
Prof. Dr. P. Giese, Berlin
Prof. Dr. V. Haak, Potsdam
Prof. Dr. E. Hurtig, Potsdam
Prof. Dr. R. Meißner, Kiel
Prof. Dr. K. Millahn, Leoben, Österreich
Dr. F. R. Schilling, Potsdam
Prof. Dr. H. C. Soffel, München
Dr. W. Webers, Potsdam
Prof. Dr. J. Wohlenberg, Aachen

Geowissenschaft
Prof. Dr. J. Negendank, Potsdam

Historische Geologie / Paläontologie
Prof. Dr. W. Altermann, München
Dr. R. Becker-Haumann, Köln
Dr. R. Below, Köln
Dr. M. Bernecker, Erlangen
Dr. M. Bertling, Münster
Prof. Dr. W. Boenigk, Köln
Dr. A. Clausing, Halle
Dr. M. Grigo, Köln
Dr. K. Grimm, Mainz
Prof. Dr. Gursky, Clausthal-Zellerfeld
Dipl.-Geol. E. Haaß, Köln
Prof. Dr. H.-G. Herbig, Köln
Dr. I. Hinz-Schallreuther, Berlin
Dr. D. Kalthoff, Bonn
Prof. Dr. W. von Königswald, Bonn
Dr. habil R. Kohring, Berlin
E. Minwegen, Köln
Dr. F. Neuweiler, Göttingen
Dr. S. Noé, Köln
Dr. S Nöth, Köln
Prof. Dr. K. Oekentorp, Münster
Dr. S. Pohler, Köln
Dr. B. Reicherbacher, Karlsruhe
Dr. H. Tragelehn, Köln
Dr. S. Voigt, Köln
Dr. H. Wopfner, Köln

Hydrologie
Dr. H. Bergmann, Koblenz
Prof. Dr. K. Hofius, Boppard
Prof. Dr. H.-J. Liebscher, Koblenz
Dr. E. Wildenhahn, Vallendar
Dr. M. Wunderlich, Brey

Kartographie
Prof. Dr. J. Bollmann, Trier
Dipl. Geogr. T. Bräuninger, Trier
Prof. Dr. phil. M. Buchroithner, Dresden
Dr. G. Buziek, Hannover
Prof. Dr. W. Denk, Karlsruhe
Dr. D. Dransch, Berlin
Dipl. Geogr. H. Faby, Trier
Dr. K. Großer, Leipzig
Dipl. Geogr. F. Heidmann, Trier
Prof. Dr. K.-H. Klein, Wuppertal
Prof. Dr. W. Koch, Dresden
Prof. Dr. S. Meier, Dresden
Dipl. Geogr. A. Müller, Trier
Prof. Dr. J. Neumann, Karlsruhe
Prof. Dr. K. Regensburger, Dresden
Dipl.-Ing. Ch. Rülke, Dresden
Dr. W. Stams, Dresden
Prof. Dr. K.-G. Steinert, Dresden
Dr. P. Tainz, Trier
Dr. A.-D. Uthe, Berlin
Dipl. Geogr. W. Weber, Trier
Prof. Dr. I. Wilfert, Dresden
Dipl.-Ing. D. Wolff, Wuppertal

Kristallographie
Dr. K. Eichhorn, Karlsruhe
Prof. Dr. K. Hümmer, Karlsruhe
Prof. Dr. W. E. Klee, Karlsruhe
Dr. G. Müller-Vogt, Karlsruhe
Dr. E. Weckert, Karlsruhe
Prof. Dr. H.W. Zimmermann, Erlangen

Lagerstättenkunde
Dr. W. Hirdes, D-53113 Bonn
Prof. Dr. H. Flick, Marktoberdorf
Dr. T. Kirnbauer, Wiesbaden
Prof. Dr. W. Proschaska, Leoben, Österreich
Prof. Dr. E. F. Stumpfl, Leoben, Österreich
Prof. Dr. Thalhammer, Leoben, Österreich

Landschaftsökologie
Dipl. Geogr. St. Meier-Zielinski, Basel, Schweiz
Dipl. Geogr. S. Rolli, Basel, Schweiz
Dr. D. Rüetschi, Basel, Schweiz
Dr. D. Schaub, Frick, Schweiz
Dipl. Geogr. M. Schmid, Basel, Schweiz

Meteorologie und Klimatologie
Dipl. Met. K. Balzer, Potsdam
Dipl.-Met. W. Benesch, Offenbach
Prof. Dr. D. Etling, Hannover
Dr. U. Finke, Hannover
Prof. Dr. H. Fischer, Karlsruhe
Prof. Dr. M. Geb, Berlin
Prof. Dr. G. Groß, Hannover
Prof. Dr. Th. Hauf, Hannover
Dr. habil. D. Heimann,
Oberpfaffenhofen / Weßling
Dr. C. Lüdecke, München
Dipl. Met. H. Neumeister, Potsdam
Prof. Dr. H. Quenzel, München
Prof. Dr. U. Schmidt, Frankfurt / Main
Prof. Dr. Ch.-D. Schönwiese, Frankfurt / Main
Prof. Dr. W. Wehry, Berlin

Mineralogie
Prof. Dr. G. Strübel, Gießen

Ozeanographie
Prof. Dr. W. Alpers, Hamburg
Dr. H. Eicken, Fairbanks, Alaska, USA
Dr. H.-H. Essen, Hamburg
Dr. E. Fahrbach, Bremerhaven
Dr. K. Kremling, Kiel
Prof. Dr. J. Meincke, Hamburg
Dr. Th. Pohlmann, Hamburg
Prof. Dr. W. Zahel, Hamburg

Petrologie
Dr. T. Gayk, Köln
Dr. R. Hollerbach, Köln
Dr. R. Kleinschrodt, Köln
Dr. R. Klemd, Bremen
Dr. M. Schliestedt, Hannover
Prof. Dr. H.-G. Stosch, Karlsruhe

Schreiben Sie uns!

Wenn Sie inhaltliche Anmerkungen zu diesem Artikel haben, können Sie die Redaktion per E-Mail informieren. Wir lesen Ihre Zuschrift, bitten jedoch um Verständnis, dass wir nicht jede beantworten können.

Partnerinhalte

Bitte erlauben Sie Javascript, um die volle Funktionalität von Spektrum.de zu erhalten.