Chemische Verwitterung von Gesteinen und Mineralen
Die chemische Verwitterung von primären Mineralen führt zur Bildung von Sekundärmineralen wie z.B. Azurit, Malachit oder Linarit. Sie entstehen durch die Anwesenheit von Sauerstoff, Wasser oder Säuren.
Im Reich der Minerale kennt man heute mehr 6.000 verschiedene Arten. Ein nicht unerheblicher Teil verdankt seine Existenz der chemischen Verwitterung. Diese durch Sauerstoff, Wasser oder Säuren entstehenden Sekundärminerale spielen sowohl wirtschaftlich als auch für Mineraliensammler und -sammlerinnen eine große Rolle.
Chemische Verwitterung und der Kreislauf der Gesteine
Gesteine und Minerale sind in einem ewigen Kreislauf eingebunden - dem Kreislauf der Gesteine. Durch Vulkanismus oder Plutonismus entstehen magmatische Gesteine. Gelangen sie an die Erdoberfläche sind sie zahlreichen Einflüssen wie Wetter oder Massenbewegungen durch Schwerkraft ausgesetzt. Sie werden zerkleinert und verwittern auf physikalischem oder chemischem Wege.
Die chemische Verwitterung hat einen ganz besonderen Stellenwert, da durch sie Minerale umgewandelt oder so vollständig gelöst werden. Es sind vor allem Wasser, Säuren und Gase, die auf Minerale einwirken und eine chemische Reaktion auslösen. Durch diese Reaktionen werden z.B. viele Erze bzw. Minerale in andere umgewandelt.
Ein Beispiel: Das auch als Kupferglanz bekannte Mineral Chalkosin ist chemisch betrachtet ein Kupfersulfid. Gelangt das Mineral im Bereich des Grundwasserspiegels kommt es vor allem mit Sauerstoff, aber auch mit Wasser und z.B. Kohlensäure in Berührung. Befinden sich Carbonate in der Nähe, also Salze der Kohlensäure, wird Chalkosin in Azurit oder den häufigeren Malachit umgewandelt. Bei Vorkommen von Sauerstoff hingegen, wird aus Chalkosin Cuprit. Neben diesen Sekundärmineralen können auch gediegen Kupfer auftreten. Wie wir sehen, kann die chemische Verwitterung unterschiedliche Minerale erzeugen, je nachdem, welche Bedingungen in der Oxidationszone herrschen.
Die wichtigsten Prozesse bei der chemischen Verwitterung sind die Hydrolyse und die Protolyse.
- Hydrolyse: Zersetzung löslicher Salze durch Wasser; Wasserstoffionen des Wassers ersetzen andere Ionen
- Protolyse: Zersetzung von Mineralen durch Säure; bei der Protolyse werden Wasserstoffionen verbraucht
Die chemische Verwitterung kennt konkret verschiedene Formen:
- Lösungsverwitterung: Minerale kommen mit Wasser in Kontakt und gehen in Lösung. Durch Aufnahme von Wassermolekülen in das Kristallgitter wird dieses gelockert. Je mehr Kohlensäure das Wasser enthält, umso schneller läuft der Verwitterungsprozess ab.
- Oxidationsverwitterung: Durch in Wasser gelöstem Sauerstoff werden vor allem eisen- und manganhaltige Minerale angegriffen bzw. oxidiert. Durch diese Oxidation entsteht aus zweiwertigem Eisen (Fe2+) dreiwertiges Eisen (Fe3+). Dadurch entsteht z.B. die typische rostbraune Färbung, die wir z.B. in Limonit gut erkennen können.
- Rauchgasverwitterung: eine spezielle Form der Hydrolyse, die durch Verbrennung fossiler Brennstoffe bestimmt ist. In Verbindung mit Wasser (z.B. Regenwasser) entstehen aggressive Säuren, die Gesteine und Minerale lösen und zerstören können.
Orte der Chemischen Verwitterung
Die Oxidationszone: Reaktionen und Umwandlungen
In unserem obigen Beispiel haben wir den etwas sperrigen Begriff Oxidationszone verwendet. Diesen Bereich von der Erdoberfläche bis zum Ende des Grundwasserspiegels nennt man in der Geologie Oxidationszone. In dieser Zone herrschen oxidierende Bedingungen. Das bedeutet, dass ein Stoff unter Zuhilfenahme eines Oxidationsmittels wie z.B. Sauerstoff, Elektronen abgibt.
Die Oxidation nimmt dabei vom Grundwasserspiegel bis zur Erdoberfläche zu. Das liegt vorrangig daran, dass auf die Erdoberfläche Wetterereignisse wie Niederschläge und Winde einwirken. Den oberen Bereich der Oxidationszone nennt man daher oft auch Eiserner Hut. Sie gilt als die aktivste Verwitterungszone in einem Erzgang und enthält meist nur noch verwitterungsstabile Minerale wie z.B. Quarz sowie eisenhaltige und braun gefärbte Mineralgemenge die als Limonit bezeichnet werden.
Die Oxidationszone wird im unteren Bereich durch die Zementationszone abgelöst. Diese Zone ist sauerstoffarm bzw. -frei und chemisch dadurch kaum aktiv. In vielen Lagerstätten finden sich dort häufig Minerale wie das kupferhaltige Chalkosin oder der silberhaltige Argentit. Dort sind außerdem zahlreiche Primärminerale wie Feldspäte oder Glimmer vorhanden, die schließlich in die Oxidationszone aufsteigen können.
Exkurs: Die chemische Verwitterung eines Granits
Granite sind häufig vorkommende Gesteine auf der Erde. Sie enthalten vor allem Feldspäte, Glimmer wie Biotit, Quarze und Nebenbestandteile wie z.B. Zirkon, Rutil oder Magnetit. Kommt Granit mit Wasser in Berührung beginnt der Verband von Mineralien sich allmählich zu verändern und der Prozess der chemischen Verwitterung beginnt. Eine besondere Rolle spielen die enthaltenen Feldspäte, die nur wenig verwitterungsstabil sind.
Gelangen Wasser und Sauerstoff auf Silikatminerale wie Feldspäte und Glimmer, beginnt der Umwandlungsprozess. Liegt ein eher saures und wasserhaltiges Milieu vor, bildet sich oft aus den aluminiumhaltigen Feldspäten das Tonmineral Kaolinit. Aus Mineralen der Glimmergruppe wie dem Muskovit kann hingegen das Tonmineral Illit entstehen. Durch die Umwandlung dieser Ausgangsminerale in Tonminerale wird der Gesteinsverband im Granit gelockert, wodurch diese z.B. an den Boden abgegeben werden. Der gelockerte Granit wiederum ist damit auch angreifbar durch physikalische Verwitterungsprozesse (z.B. Frostsprengung) und wird auch auf mechanischem Wege zerkleinert.
Besonders interessant ist, welche Bedeutung dieser Art der Verwitterung auf das Leben an Land hat. Ohne Tonminerale könnten Böden weder Wasser noch Nährstoffe im ausreichenden Maße speichern. Der Existenz von Tonmineralen haben wir es zu verdanken, dass viele Pflanzen überhaupt entstehen konnten. So gesehen, stellt also auch die chemische Verwitterung von Gesteinen die Grundlage für höheres Leben dar.
Beispiele bekannter Minerale
Sammler und Sammlerinnen von Mineralien oder Edelsteinen kommen oft mit Mineralien in Berührung, die umgewandelt wurden. In vielen Mineraliensammlungen dürfen der strahlend blaue Azurit oder der grünliche Malachit kaum fehlen. Beide Minerale, die im Grunde Kupfercarbonate darstellen, entstehen durch chemische Verwitterungsprozesse von primären Kupfermineralen.
| Ausgangsmineral | wird umgewandelt in |
|---|---|
| Chalkosin | Azurit, Cuprit, Malachit |
| Alkali-Feldspat | Tonminerale (z.B. Kaolinit) |
| Pyrit | Copiapit, Limonit, Melanterit |
| Chalkopyrit | Brochantit, Covellin, Schulenbergit |
| Arsenopyrit | Pharmakosiderit |
| Sphalerit | Goslarit |
| Uraninit | Autunit, Sklodowskit |
Exkurs: Die Verwitterung von Pyrit
Pyrit ist eines der am häufigsten vorkommenden Minerale, die in nahezu keiner Mineraliensammlung fehlt. Das metallisch glänzende und als Katzengold bekannte Sulfidmineral benötigt eine sauerstofffreie Umgebung, damit er sich bilden kann. Gelangt das Pyrit in die Oxidationszone beginnen Verwitterungsprozesse. Durch den Kontakt mit Sauerstoff bilden sich Eisensulfate, die wie kleine Ausblühungen aussehen. Sammler kennen solche Erscheinungen als Pyritkrankheit, die fachlich korrekt Eisenvitrol oder Melanterit heißen. Wird der Schwefel herausgelöst, bilden sich in Zwischenstufen u.a. Limonit und Hämatit.
Für Sammler und Sammlerinnen ist es daher wichtig, dass Pyrit langfristig kaum mit Luft und Wasser in Berührung kommt und daher in Behältern oder Vitrinen aufbewahrt wird.
Verwitterungsstabile Minerale
Neben diesen Mineralen gibt es solche, denen die chemische Verwitterung kaum was anhaben kann. Sie gelten als sehr verwitterungsstabil und werden wenn nur in geologisch sehr langen Zeiträumen umgewandelt. Als verwitterungsstabil gelten z.B.:
- Quarz
- Hämatit
- Zirkon
Diesen Umstand kann man oft in Mineralproben erkennen, die stark limonitisiert sind. Zwischen den einzelnen Limonitkrusten sind z.B. oft unversehrte Quarzkristalle zu finden.
Eine weitere Besonderheit sind Zirkone. Diese bestehen aus dem Element Zirkonium sowie aus Silicium und Sauerstoff. Dieses Mineral gilt als äußerst verwitterungsresistent. Aufgrund dieser Stabilität wird Zirkon von Geologen auch zur Altersbestimmung von Gesteinen verwendet. Die ältesten bekannten Zirkone sind mehr als vier Milliarden Jahre alt.
- Grotzinger, J., Jordan, T. (2017): Press/Siever Allgemeine Geologie. 7. Auflage, Heidelberg, ISBN: 978-3-662-48341-1
- Openpress University of Sasketchewann (2019): Chemical Weathering
- Ross, M. et al. (2018): Pyrite Oxidation Drives Exceptionally High Weathering Rates and Geologic CO2 Release in Mountaintop-Mined Landscapes. In: Global Biochemical Cycles, Vol. 32, doi: https://doi.org/10.1029/2017GB005798