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Verwitterung von Gesteinen



Dem Schotten James Hutton (1726 bis 1797) ist es zu verdanken, dass gegen Ende des 18. Jahrhunderts ein Denkumbruch in den geologischen Wissenschaften öffentlich gemacht wurde. Der Geologe befasste sich in seinen Studien mit den Veränderungen von Gesteinen an der Erdoberfläche und erkannte, dass diese nicht beständig sind und Prozessen in der Atmosphäre ausgesetzt sind.

Definition Verwitterung

Unter dem Begriff der Verwitterung sind alle Vorgänge auf der Erdoberfläche zusammengefasst, welche die Auflösung, Zerkleinerung und Umwandlung von Gesteinen oder Mineralien bedingen.



Die Arten von Verwitterung werden unterschieden in

  • physikalische Verwitterung
  • chemische Verwitterung
  • biogene Verwitterung

Genaue Abgrenzungen, welche Verwitterungsform das zu betrachtende Gestein, geologische Formation oder Gebirge geprägt hat, sind nicht immer eindeutig, da physikalische, chemische und biogene Verwitterung häufig fließend ineinander übergehen. Beispielsweise ebnet die physikalische Verwitterung mit gebildeten Rissen im Gestein Angriffsflächen für die chemische Verwitterung. Die nach der Verwitterung gebildete Decke aus lockerem Gesteinsmaterial wird auch als Regolith bezeichnet.


Physikalische Verwitterung

Merkmal der physikalischen Verwitterung ist die mechanische Veränderung des Gesteins, das entlang von kleinsten Rissen, Spalten oder Korngrenzen in verschiedenen Größendimensionen als Teilstück zerfallen kann.
Die Vorgänge der physikalischen Verwitterung stehen alle im Zusammenhang mit Volumenänderungen im Gestein. Sind Gesteine fortwährend wechselnden Temperaturen ausgesetzt, sind die das Gestein aufbauenden Minerale nicht mehr in der Lage, den Gesteinsverbund zusammenzuhalten. Grund dafür sind unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten der Gemengteile, wobei polymineralische Gesteine wie Granit und Gneis stärker betroffen sind. Als Beispiel seien dunkle (melanokrate) Minerale (z. B. Biotit, Hornblende) genannt, die sich aufgrund der dunklen Oberfläche bedeutend schneller erwärmen können als helle (leukokrate). Diese unterliegen damit auch eher den Prozessen der Verwitterung durch Sonneneinstrahlung. Ist die verwitterte Gesteinsaußenhaut abgetragen kommt der Prozess der Verwitterung nicht zum Erliegen, sondern setzt sich am unverwitterten Gestein fort.

Zur physikalischen Verwitterung werden neben Salz- und Druckentlastungverwitterung auch die Temperaturverwitterung (Insolationsverwitterung) und Frostverwitterung gezählt.


Druckentlastungsverwitterung

Sobald Gesteine an der Erdoberfläche liegen, sind diese der natürlichen oder anthropogenen Abtragung ausgesetzt. Durch die Masse des aufliegenden Gesteins lastet auf vielen Gesteinen der sogenannte lithostatische Druck (Überlastungsdruck). Sobald dieser Druck nicht mehr besteht, dehnt sich das Gestein aus und es werden Fugen und Spalten herausgebildet. Besonders häufig wird bei Tiefengesteinen wie Graniten und Diabas ein schalenartiges Abplatzen des Gesteins im Zuge der Verwitterung beobachtet.


Frostsprengung

Voraussetzung für die Frostsprengung ist der stetige Wechsel zwischen den Aggregatzuständen von Wasser in Form von flüssigem als auch gefrorenem Zustand. In Spaltrisse oder Gesteinshohlräume eindringendes Wasser gefriert bei Temperaturen unter 0°C. Der Vorgang des Gefrierens im Gestein erfolgt dabei von außen nach innen. Erst wenn das Äußere des Gesteins durch einen Eispanzer vollständig versiegelt ist, setzt sich die Kristallisation des im Gestein enthaltenen Wassers fort. Mit dem Kristallwachstum verbunden, ist eine Volumenzunahme des gefrorenen Wassers um 9%. Da die Möglichkeiten der Ausbreitung der Eiskristalle im geschlossenen Gesteinskörper begrenzt sind, kommt es mit der Zeit entlang von Schwächezonen im Gestein zu Auflockerungen, die zur Zerstörung des Gesteinsgefüges führen.


Temperaturverwitterung – Insolationsverwitterung

Die Insolationsverwitterung ist eine Folge extremer Temperaturschwankungen im Gestein, die vor allem in ariden Gebieten (z. B. Wüsten) anzutreffen sind. Während tagsüber das Gestein durch Sonneneinstrahlung auf bis zu 80°C erhitzt werden kann, kühlt dieses nachts wieder ab. Aufgrund der Tatsache, dass Steine über eine schlechte Wärmeleitfähigkeit verfügen und sich die Gemengteile des Gesteins unterschiedlich ausdehnen, kommt es zu Zugspannungen und schließlich zur Lockerung des Gesteinsgefüges.


Salzverwitterung

Das Prinzip der Salzsprengung ist dem der Frostsprengung ähnlich. Salzige Minerale (z. B. Anhydrit, Halit) oder salzhaltige Lösungen treten in Hohlräumen, Spalten oder Klüfte ein. Diese Lösungen wandeln sich bei Mischung mit Wasser z. B. in Gips um. Durch die Entstehung von Gips wird das Ausgangsvolumen des Salzes um bis zu 50 % erhöht, wodurch eine Sprengung der umliegenden Gesteins- bzw. Mineralschichten eintritt. Solche Umwandlungen können in einem Verwitterungsablauf häufiger auftreten. Umso mehr Umwandlungen auftreten, desto wirkungsvoller ist dieser Verwitterungstypus.


Chemische Verwitterung

Kennzeichnend für die chemische Verwitterung ist die Veränderung und Auflösung des Gesteins durch chemische Reaktionen. Als Produkt entstehen schlussendlich neue bzw. umstrukturierte oder in Lösung gegangene Minerale.

Die chemische Verwitterung umfasst

  • Lösungsverwitterung samt Kohlensäureverwitterung
  • Hydrolyse
  • Oxidationsverwitterung


Lösungsverwitterung (Hydration)

Im Zuge der Lösungsverwitterung werden leicht lösliche Minerale aufgelöst. Durch den Kontakt von Salzen (z.B. Anhydrit und Gips) werden Ionen des Kristallgitters an Wasserionen gebunden. Während der sogenannten Hydratation wird deshalb der Gitterzusammenhalt gelockert und die hydratisierten Ionen dissoziieren. In der Folge löst sich das Gestein auf.


Oxidationsverwitterung

Die Oxidation von Gesteinen erfolgt, wenn in Wasser gelöster Sauerstoff in Gesteinen enthaltene Mangan- und Eisenverbindungen oxidiert, zu erkennen an rotbraunen bis braunschwarzen Färbungen des Gesteins.


Hydrolyse

Infolge der Hydrolyse werden vor allem silikatische und karbonatische Gesteine verwittert. Durch den Kontakt mit Ionen von dissoziierendem Wasser werden nach und nach metallische Komponenten aus dem Gesteinsverbund herausgelöst. Diese verbinden sich wiederum mit OH-Ionen zu Hydroxidverbindungen. Jene Hydroxide unterliegen dem Einfluss von Niederschlags-, Grund- oder Bodenwasser, das durch atmosphärischen oder pedogenen Kohlendioxid angereichert ist. Durch das saure Milieu des Wassers werden die genannten Hydroxide instabil, es entstehen wasserlösliche Karbonate.


Biologische Verwitterung

Als Zwischenglied zwischen chemischer und physikalischer Verwitterung gilt die biologische Verwitterung mit physikalisch-biogener und chemisch-biogener Verwitterung.


Physikalisch-biogene Verwitterung

Beispiel Wurzelsprengung: Infolge des Größenwachstums von Pflanzen - insbesondere der unterirdrische Teil der Wurzeln - kann es zur Zerstörung von Gesteinen kommen, indem größer werdende Wurzeln in Risse und Klüfte von Gesteinen eindringen und diese "zersprengen".


Chemisch-biogene Verwitterung

Mit dem Wachstum von Pflanzen bzw. deren Zersetzung sowie der Verwesung von Organismen entstehen im Boden Wurzelexsudate bzw. Säuren wie Kohlen-, Humin- oder Schwefelsäure, die Gesteinen Ionen entziehen und zur Auflösung führen.


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Siehe auch:
Kreislauf der Gesteine
Die Entstehung von Mineralen
Granit und Gneis unterscheiden




Quellen:
Murawski, H. (1992): Geologisches Wörterbuch. Ferdinand Enke Verlag Stuttgart*
⇒ Maresch, W., Medenbach, O.; Trochim, H.-D. (1987): Die farbigen Naturführer Gesteine. Mosaik Verlag GmbH München*
Jassamanow, N.A. (1991): Kleines Spektrum der Wissenschaften - Geologie: Exkursion zur Erde*
Georgi, K.-H. (1983): Kreislauf der Gesteine - Eine Einführung in die Geologie*
Zepp, H. (2011): Grundriß Allgemeine Geographie: Geomorphologie*
Ahnert, F. (2009): Einführung in die Geomorphologie*

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Letzte Aktualisierung: 27. Oktober 2018

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