Verwitterung - Weathering

Ein natürlicher Bogen, der durch Erosion von unterschiedlich verwittertem Gestein in Jebel Kharaz ( Jordanien ) entstanden ist.

Verwitterung ist der Abbau von Gesteinen , Böden und Mineralien sowie Holz und künstlichen Materialien durch Kontakt mit Wasser, atmosphärischen Gasen und biologischen Organismen. Die Verwitterung tritt in situ (vor Ort, mit geringer oder keiner Bewegung) auf und sollte nicht mit Erosion verwechselt werden , die den Transport von Gesteinen und Mineralien durch Stoffe wie Wasser , Eis , Schnee , Wind , Wellen und Schwerkraft beinhaltet .

Verwitterungsprozesse werden in physikalische und chemische Verwitterung unterteilt . Physikalische Verwitterung beinhaltet den Abbau von Gesteinen und Böden durch mechanische Einwirkungen von Hitze, Wasser, Eis oder anderen Mitteln. Bei der chemischen Verwitterung handelt es sich um die chemische Reaktion von Wasser, atmosphärischen Gasen und biologisch erzeugten Chemikalien mit Gesteinen und Böden. Wasser ist der Hauptverursacher sowohl der physikalischen als auch der chemischen Verwitterung, aber auch Luftsauerstoff und Kohlendioxid sowie die Aktivitäten biologischer Organismen sind wichtig. Die chemische Verwitterung durch biologische Einwirkung wird auch als biologische Verwitterung bezeichnet.

Die Materialien, die nach dem Abbau des Gesteins übrig bleiben, verbinden sich mit organischem Material zu Boden . Viele Landformen und Landschaften der Erde sind das Ergebnis von Verwitterungsprozessen in Verbindung mit Erosion und Wiederablagerung. Die Verwitterung ist ein entscheidender Teil des Gesteinskreislaufs , und Sedimentgestein , das aus den Verwitterungsprodukten älteren Gesteins gebildet wird, bedeckt 66% der Kontinente der Erde und einen Großteil des Meeresbodens .

Physikalische Verwitterung

Physikalische Verwitterung , auch mechanische Verwitterung oder Disaggregation genannt , ist die Klasse von Prozessen, die den Zerfall von Gesteinen ohne chemische Veränderung bewirken. Es ist normalerweise viel weniger wichtig als die chemische Verwitterung, kann aber in subarktischen oder alpinen Umgebungen von Bedeutung sein. Außerdem gehen chemische und physikalische Verwitterung oft Hand in Hand. Zum Beispiel vergrößern durch physikalische Verwitterung erweiterte Risse die der chemischen Einwirkung ausgesetzte Oberfläche, wodurch die Zerfallsgeschwindigkeit erhöht wird.

Die Frostverwitterung ist die wichtigste Form der physikalischen Verwitterung. Als nächstes ist das Verkeilen durch Pflanzenwurzeln wichtig, die manchmal in Felsspalten eindringen und sie auseinanderbrechen. Auch das Graben von Würmern oder anderen Tieren kann zum Zerfall von Gestein beitragen, ebenso wie das "Zupfen" durch Flechten.

Frostbewitterung

Ein Fels in Abisko , Schweden, gebrochen entlang bestehender Fugen möglicherweise durch Frostverwitterung oder thermische Belastung.

Frostverwitterung ist die Sammelbezeichnung für jene Formen der physikalischen Verwitterung, die durch die Bildung von Eis in Gesteinsaufschlüssen verursacht werden. Lange Zeit glaubte man, dass die wichtigste davon die Frostverkeilung ist , die durch die Ausdehnung des Porenwassers beim Gefrieren entsteht. Eine wachsende Zahl theoretischer und experimenteller Arbeiten legt jedoch nahe, dass die Eissegregation , bei der unterkühltes Wasser zu Eislinsen im Gestein wandert, der wichtigere Mechanismus ist.

Wenn Wasser gefriert, nimmt sein Volumen um 9,2 % zu. Diese Expansion kann theoretisch Drücke von mehr als 200 Megapascal (29.000 psi) erzeugen, obwohl eine realistischere Obergrenze bei 14 Megapascal (2.000 psi) liegt. Dies ist immer noch viel größer als die Zugfestigkeit von Granit, die etwa 4 Megapascal (580 psi) beträgt. Als plausibler Mechanismus für die Frostverwitterung erscheint daher die Frostverkeilung, bei der Porenwasser gefriert und seine Volumenausdehnung das umgebende Gestein aufbricht. Eis dehnt sich jedoch einfach aus einem geraden, offenen Bruch aus, bevor es signifikanten Druck erzeugen kann. So kann eine Frostverkeilung nur in kleinen, gewundenen Brüchen erfolgen. Außerdem muss das Gestein fast vollständig mit Wasser gesättigt sein, sonst dehnt sich das Eis ohne großen Druck einfach in die Lufträume des ungesättigten Gesteins aus. Diese Bedingungen sind ungewöhnlich genug, dass es unwahrscheinlich ist, dass Frostverkeilen der dominierende Prozess der Frostverwitterung ist. Frostkeilung ist am effektivsten, wenn es tägliche Zyklen des Schmelzens und Gefrierens von wassergesättigtem Gestein gibt, so dass es in den Tropen, in Polarregionen oder in trockenen Klimazonen unwahrscheinlich ist.

Eissegregation ist ein weniger gut charakterisierter Mechanismus der physikalischen Verwitterung. Dies geschieht, weil Eiskörner auch bei Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt immer eine Oberflächenschicht haben, die oft nur wenige Moleküle dick ist und flüssigem Wasser mehr ähnelt als festem Eis. Diese vorgeschmolzene Flüssigkeitsschicht hat ungewöhnliche Eigenschaften, darunter eine starke Tendenz, Wasser durch Kapillarwirkung aus wärmeren Teilen des Gesteins anzuziehen . Dies führt zu einem Wachstum des Eiskorns, das erheblichen Druck auf das umgebende Gestein ausübt, bis zu zehnmal stärker als bei Frostkeilen wahrscheinlich. Dieser Mechanismus ist am effektivsten in Gestein, dessen Durchschnittstemperatur knapp unter dem Gefrierpunkt liegt, -4 bis -15 ° C (25 bis 5 ° F). Die Eissegregation führt zum Wachstum von Eisnadeln und Eislinsen innerhalb von Brüchen im Gestein und parallel zur Gesteinsoberfläche, die das Gestein allmählich auseinanderbrechen.

Wärmebelastung

Die thermische Spannungsverwitterung resultiert aus der Ausdehnung und Kontraktion von Gestein aufgrund von Temperaturänderungen. Die thermische Spannungsverwitterung ist am effektivsten, wenn der erhitzte Teil des Gesteins durch umgebendes Gestein gestützt wird, so dass er sich nur in eine Richtung frei ausdehnen kann.

Die Verwitterung unter thermischer Belastung umfasst zwei Haupttypen, den thermischen Schock und die thermische Ermüdung . Thermoschock tritt auf, wenn die Spannungen so groß sind, dass das Gestein sofort reißt, aber das ist ungewöhnlich. Typischer ist die thermische Ermüdung, bei der die Spannungen nicht groß genug sind, um ein sofortiges Versagen des Gesteins zu verursachen, aber wiederholte Spannungs- und Entlastungszyklen das Gestein allmählich schwächen.

Thermische Stressverwitterung ist ein wichtiger Mechanismus in Wüsten , wo es einen großen Tagestemperaturbereich gibt , der tagsüber heiß und nachts kalt ist. Daher wird die thermische Stressbewitterung manchmal als Sonneneinstrahlung bezeichnet , was jedoch irreführend ist. Thermische Stressbewitterung kann durch jede große Temperaturänderung verursacht werden und nicht nur durch starke solare Erwärmung. Es ist wahrscheinlich in kalten Klimazonen genauso wichtig wie in heißen, trockenen Klimazonen. Waldbrände können auch eine wichtige Ursache für eine schnelle Verwitterung durch thermischen Stress sein.

Die Bedeutung der thermischen Stressverwitterung wurde von Geologen lange Zeit abgetan, basierend auf Experimenten im frühen 20. Jahrhundert, die zu zeigen schienen, dass ihre Auswirkungen unwichtig waren. Diese Experimente wurden seitdem als unrealistisch kritisiert, da die Gesteinsproben klein waren, poliert wurden (was die Nukleation von Brüchen reduziert) und nicht abgestützt waren. Diese kleinen Proben konnten sich daher beim Erhitzen in Versuchsöfen frei in alle Richtungen ausdehnen, was nicht die in natürlichen Umgebungen wahrscheinlichen Arten von Spannungen erzeugte. Die Experimente waren auch empfindlicher gegenüber thermischen Schocks als thermische Ermüdung, aber thermische Ermüdung ist wahrscheinlich der wichtigere Mechanismus in der Natur. Geomorphologen haben begonnen, die Bedeutung der thermischen Stressverwitterung, insbesondere in kalten Klimazonen, erneut zu betonen.

Druckablass

Die Druckentlastung könnte die im Bild gezeigten abgeblätterten Granitplatten verursacht haben.

Druckentlastung oder Entlastung ist eine Form der physikalischen Verwitterung, die bei der Exhumierung von tief vergrabenem Gestein beobachtet wird . Intrusive Eruptivgesteine ​​wie Granit bilden sich tief unter der Erdoberfläche. Sie stehen aufgrund des darüberliegenden Gesteinsmaterials unter enormem Druck . Wenn die Erosion das darüberliegende Gesteinsmaterial entfernt, werden diese intrusiven Gesteine ​​freigelegt und der Druck auf sie freigegeben. Die äußeren Teile der Gesteine ​​neigen dann dazu, sich auszudehnen. Die Expansion baut Spannungen auf, die zur Bildung von Brüchen parallel zur Gesteinsoberfläche führen. Im Laufe der Zeit brechen Gesteinsschichten entlang der Brüche von den freigelegten Gesteinen ab, ein Prozess, der als Exfoliation bekannt ist . Peeling durch Druckentlastung wird auch als "Sheeting" bezeichnet.

Wie bei der thermischen Verwitterung ist die Druckentlastung in Stützgestein am effektivsten. Hier kann die auf die nicht verstärkte Oberfläche gerichtete Differenzspannung bis zu 35 Megapascal (5.100 psi) betragen, leicht genug, um Gestein zu zertrümmern. Dieser Mechanismus ist auch für Abplatzungen in Bergwerken und Steinbrüchen sowie für die Bildung von Fugen in Gesteinsaufschlüssen verantwortlich.

Auch der Rückzug eines darüber liegenden Gletschers kann durch Druckentlastung zu Exfoliation führen. Dies kann durch andere physikalische Tragemechanismen verstärkt werden.

Salzkristallwachstum

Die Salzkristallisation (auch bekannt als Salzverwitterung , Salzverkeilung oder Haloklastie ) führt zum Zerfall von Gesteinen, wenn Salzlösungen in Risse und Fugen im Gestein einsickern und verdunsten, wobei Salzkristalle zurückbleiben. Wie bei der Eisseigerung ziehen die Oberflächen der Salzkörner durch Kapillarwirkung zusätzlich gelöste Salze an, wodurch sich Salzlinsen bilden, die einen hohen Druck auf das umgebende Gestein ausüben. Natrium- und Magnesiumsalze sind am effektivsten bei der Herstellung von Salzverwitterung. Salzverwitterung kann auch stattfinden, wenn Pyrit in Sedimentgestein chemisch zu Eisen(II)sulfat und Gips verwittert wird , die dann als Salzlinsen kristallisieren.

Die Salzkristallisation kann überall dort stattfinden, wo Salze durch Eindampfen konzentriert werden. Es ist daher am häufigsten in ariden Klimazonen, wo starke Erwärmung eine starke Verdunstung verursacht, und entlang von Küsten. Die Salzverwitterung ist wahrscheinlich wichtig bei der Bildung von Tafoni , einer Klasse von kavernösen Gesteinsverwitterungsstrukturen.

Biologische Auswirkungen auf die mechanische Bewitterung

Lebende Organismen können sowohl zur mechanischen als auch zur chemischen Verwitterung beitragen (siehe § Biologische Verwitterung unten). Flechten und Moose wachsen auf im Wesentlichen nackten Gesteinsoberflächen und schaffen eine feuchtere chemische Mikroumgebung. Die Anheftung dieser Organismen an die Gesteinsoberfläche verbessert sowohl den physikalischen als auch den chemischen Abbau der Oberflächenmikroschicht des Gesteins. Es wurde beobachtet, dass Flechten mit ihren Hyphen (wurzelähnliche Befestigungsstrukturen) Mineralkörner aus dem nackten Schiefer lösen, ein Vorgang, der als Zupfen beschrieben wird , und die Fragmente in ihren Körper ziehen, wo die Fragmente dann einen chemischen Verwitterungsprozess durchlaufen, der der Verdauung nicht unähnlich ist. In größerem Maßstab üben Sämlinge, die in einer Spalte sprießen, und Pflanzenwurzeln physikalischer Druck aus und bieten einen Weg für Wasser und chemische Infiltration.

Chemische Verwitterung

Vergleich von unverwittertem (links) und verwittertem (rechts) Kalkstein.

Die meisten Gesteine ​​bilden sich bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck, und die Mineralien, aus denen das Gestein besteht, sind unter den für die Erdoberfläche typischen relativ kühlen, nassen und oxidierenden Bedingungen oft chemisch instabil. Chemische Verwitterung findet statt, wenn Wasser, Sauerstoff, Kohlendioxid und andere chemische Substanzen mit Gestein reagieren, um seine Zusammensetzung zu ändern. Diese Reaktionen wandeln einige der ursprünglichen Primärmineralien im Gestein in Sekundärmineralien um , entfernen andere Substanzen als gelöste Stoffe und hinterlassen die stabilsten Mineralien als chemisch unverändertes Resist . Tatsächlich verändert die chemische Verwitterung den ursprünglichen Mineraliensatz im Gestein in einen neuen Mineraliensatz, der in engerem Gleichgewicht mit den Oberflächenbedingungen steht. Ein wahres Gleichgewicht wird jedoch selten erreicht, da die Verwitterung ein langsamer Prozess ist und das Auswaschen gelöste Stoffe, die durch Verwitterungsreaktionen erzeugt werden, wegträgt, bevor sie sich auf Gleichgewichtsniveaus ansammeln können. Dies gilt insbesondere in tropischen Umgebungen.

Wasser ist der Hauptwirkstoff der chemischen Verwitterung und wandelt viele Primärmineralien durch Reaktionen, die kollektiv als Hydrolyse bezeichnet werden, in Tonminerale oder hydratisierte Oxide um . Sauerstoff ist ebenfalls wichtig, da er viele Mineralien oxidiert , ebenso wie Kohlendioxid, dessen Verwitterungsreaktionen als Karbonisierung bezeichnet werden .

Der Prozess der Bergblockanhebung ist wichtig, um neue Gesteinsschichten der Atmosphäre und Feuchtigkeit auszusetzen, wodurch eine wichtige chemische Verwitterung stattfinden kann; Es kommt zu einer signifikanten Freisetzung von Ca 2+ und anderen Ionen in Oberflächengewässer.

Auflösung

Kalkstein Kernproben in verschiedenen Stadien der chemischen Verwitterung (aufgrund tropischer regen und Grundwasser ), von sehr hohen in geringer Tiefe (unten) auf eine sehr niedrige in größerer Tiefen (oben). Leicht verwitterter Kalkstein zeigt bräunliche Flecken, während stark verwitterter Kalkstein viel von seinem Karbonatmineralgehalt verliert und Ton zurückbleibt. Unterirdischer Kalkstein aus der karbonatischen westkongolischen Lagerstätte in Kimpese , Demokratische Republik Kongo .

Auflösung (auch einfache Lösung oder kongruente Auflösung genannt ) ist der Vorgang, bei dem sich ein Mineral vollständig auflöst, ohne dass ein neuer Feststoff entsteht. Regenwasser löst leicht lösliche Mineralien wie Halit oder Gips , kann aber auch hochbeständige Mineralien wie Quarz mit ausreichender Zeit auflösen . Wasser bricht die Bindungen zwischen Atomen im Kristall:

Hydrolyse eines Kieselsäureminerals

Die Gesamtreaktion zur Auflösung von Quarz ist

SiO
2
+ 2H
2
O → H
4
SiO
4

Der gelöste Quarz liegt in Form von Kieselsäure vor .

Eine besonders wichtige Form der Auflösung ist die Carbonatauflösung, bei der atmosphärisches Kohlendioxid die Lösungsverwitterung verstärkt. Die Karbonatauflösung betrifft Gesteine, die Kalziumkarbonat enthalten , wie Kalkstein und Kreide . Es entsteht, wenn sich Regenwasser mit Kohlendioxid zu Kohlensäure verbindet , einer schwachen Säure , die Calciumcarbonat (Kalkstein) auflöst und lösliches Calciumbicarbonat bildet . Trotz einer langsameren Reaktionskinetik wird dieser Prozess bei niedriger Temperatur thermodynamisch begünstigt, da kälteres Wasser mehr gelöstes Kohlendioxidgas enthält (aufgrund der retrograden Löslichkeit von Gasen). Die Karbonatauflösung ist daher ein wichtiges Merkmal der glazialen Verwitterung.

Die Carbonatauflösung umfasst die folgenden Schritte:

CO 2 + H 2 O → H 2 CO 3
Kohlendioxid + Wasser → Kohlensäure
H 2 CO 3 + CaCO 3 → Ca(HCO 3 ) 2
Kohlensäure + Calciumcarbonat → Calciumbicarbonat

Die Karbonatauflösung auf der Oberfläche von gut verbundenem Kalkstein erzeugt einen zerlegten Kalksteinpflaster . Dieser Prozess ist am effektivsten entlang der Fugen und erweitert und vertieft sie.

In unverschmutzten Umgebungen liegt der pH-Wert von Regenwasser aufgrund von gelöstem Kohlendioxid bei etwa 5,6. Saurer Regen tritt auf, wenn Gase wie Schwefeldioxid und Stickoxide in der Atmosphäre vorhanden sind. Diese Oxide reagieren im Regenwasser zu stärkeren Säuren und können den pH-Wert auf 4,5 oder sogar 3,0 senken. Schwefeldioxid , SO 2 , stammt aus Vulkanausbrüchen oder aus fossilen Brennstoffen und kann im Regenwasser zu Schwefelsäure werden , die eine Lösungsverwitterung an den Gesteinen verursachen kann, auf die es fällt.

Hydrolyse und Karbonisierung

Olivine Verwitterung Iddingsit in einem Mantel xenolith .

Hydrolyse (auch inkongruente Auflösung genannt ) ist eine Form der chemischen Verwitterung, bei der nur ein Teil eines Minerals in Lösung geht. Der Rest des Minerals wird in ein neues festes Material, beispielsweise ein Tonmineral, umgewandelt . Beispielsweise Forsterit (Magnesium Olivin ) in festen hydrolisiert Brucit und Kieselsäure gelöst:

Mg 2 SiO 4 + 4 H 2 O ⇌ 2 Mg(OH) 2 + H 4 SiO 4
Forsterit + Wasser ⇌ Brucit + Kieselsäure

Die meiste Hydrolyse während der Verwitterung von Mineralien ist die saure Hydrolyse , bei der Protonen (Wasserstoffionen), die in saurem Wasser vorhanden sind, chemische Bindungen in Mineralkristallen angreifen. Die Bindungen zwischen verschiedenen Kationen und Sauerstoffionen in Mineralien sind unterschiedlich stark, und die Schwächsten werden zuerst angegriffen. Das Ergebnis ist, dass Mineralien in magmatischen Gesteinen ungefähr in der gleichen Reihenfolge verwittern, in der sie ursprünglich gebildet wurden ( Bowen-Reaktionsserie ). Die relative Haftfestigkeit ist in der folgenden Tabelle angegeben:

Bindung Relative Stärke
Si–O 2.4
Ti–O 1,8
Al–O 1.65
Fe +3 –O 1,4
Mg–O 0,9
Fe +2 –O 0,85
Mn–O 0.8
Ca–O 0,7
Na–O 0,35
K–O 0,25

Diese Tabelle ist nur ein grober Anhaltspunkt für die Reihenfolge der Bewitterung. Einige Mineralien wie Illit sind ungewöhnlich stabil, während Silikat aufgrund der Stärke der Silizium-Sauerstoff-Bindung ungewöhnlich instabil ist.

Kohlendioxid, das sich in Wasser zu Kohlensäure auflöst, ist die wichtigste Protonenquelle, aber auch organische Säuren sind wichtige natürliche Säurequellen. Säurehydrolyse aus gelöstem Kohlendioxid wird manchmal als Karbonatisierung beschrieben und kann zur Verwitterung der primären Mineralien zu sekundären Karbonatmineralen führen. Zum Beispiel kann die Verwitterung von Forsterit über die Reaktion Magnesit anstelle von Brucit produzieren :

Mg 2 SiO 4 + 2 CO 2 + 2 H 2 O ⇌ 2 MgCO 3 + H 4 SiO 4
Forsterit + Kohlendioxid + Wasser ⇌ Magnesit + Kieselsäure in Lösung

Kohlensäure wird durch Silikatverwitterung verbraucht , was aufgrund des Bicarbonats zu stärker alkalischen Lösungen führt . Dies ist eine wichtige Reaktion bei der Kontrolle der CO 2 -Menge in der Atmosphäre und kann das Klima beeinflussen.

Alumosilikate, die leicht lösliche Kationen wie Natrium- oder Kaliumionen enthalten, setzen die Kationen während der Säurehydrolyse als gelöste Bicarbonate frei:

2 KAlSi 3 O 8 + 2 H 2 CO 3 + 9 H 2 O ⇌ Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 + 4 H 4 SiO 4 + 2 K + + 2 HCO 3
Orthoklas (Aluminosilikat-Feldspat) + Kohlensäure + Wasser ⇌ Kaolinit (ein Tonmineral) + Kieselsäure in Lösung + Kalium- und Bicarbonat-Ionen in Lösung

Oxidation

Ein Pyrit Würfel wird von Wirtsgestein, so dass herausgelöst Goldpartikel zurück.
Oxidierte Pyritwürfel .

In der Verwitterungsumgebung findet eine chemische Oxidation einer Vielzahl von Metallen statt. Die am häufigsten beobachtete ist die Oxidation von Fe 2+ ( Eisen ) durch Sauerstoff und Wasser, um Fe 3+ -Oxide und -Hydroxide wie Goethit , Limonit und Hämatit zu bilden . Dadurch erhält das betroffene Gestein eine rötlich-braune Färbung an der Oberfläche, die leicht bröckelt und das Gestein schwächt. Viele andere metallische Erze und Mineralien oxidieren und hydratisieren, um farbige Ablagerungen zu erzeugen, ebenso wie Schwefel während der Verwitterung von Sulfidmineralien wie Chalkopyrit oder CuFeS 2 , die zu Kupferhydroxid und Eisenoxiden oxidiert .

Flüssigkeitszufuhr

Mineralhydratation ist eine Form der chemischen Verwitterung, bei der Wassermoleküle oder H+- und OH-Ionen starr an die Atome und Moleküle eines Minerals gebunden werden. Eine nennenswerte Auflösung findet nicht statt. Beispielsweise werden Eisenoxide in Eisenhydroxide umgewandelt und die Hydratation von Anhydrit bildet Gips .

Die Hydratisierung von Mineralstoffen ist nach der Auflösung, Hydrolyse und Oxidation zweitrangig, aber die Hydratation der Kristalloberfläche ist der entscheidende erste Schritt bei der Hydrolyse. Eine frische Oberfläche eines Mineralkristalls legt Ionen frei, deren elektrische Ladung Wassermoleküle anzieht. Einige dieser Moleküle brechen in H+, das an exponierte Anionen (normalerweise Sauerstoff) bindet, und OH-, das an exponierte Kationen bindet. Dadurch wird die Oberfläche weiter aufgebrochen und anfällig für verschiedene Hydrolysereaktionen. Zusätzliche Protonen ersetzen an der Oberfläche exponierte Kationen, wodurch die Kationen als gelöste Stoffe freigesetzt werden. Wenn Kationen entfernt werden, werden Silizium-Sauerstoff- und Silizium-Aluminium-Bindungen anfälliger für Hydrolyse, wodurch Kieselsäure und Aluminiumhydroxide freigesetzt werden, die ausgelaugt werden oder Tonminerale bilden. Laborexperimente zeigen, dass die Verwitterung von Feldspatkristallen an Versetzungen oder anderen Defekten auf der Kristalloberfläche beginnt und die Verwitterungsschicht nur wenige Atome dick ist. Die Diffusion innerhalb des Mineralkorns scheint nicht signifikant zu sein.

Ein frisch gebrochenes Gestein zeigt eine unterschiedliche chemische Verwitterung (wahrscheinlich hauptsächlich Oxidation), die nach innen fortschreitet. Dieses Stück Sandstein wurde in einer Gletscherdrift in der Nähe von Angelica, New York, gefunden .

Biologische Verwitterung

Die Mineralverwitterung kann auch durch Bodenmikroorganismen initiiert oder beschleunigt werden. Bodenorganismen machen etwa 10 mg/cm 3 typischer Böden aus, und Laborexperimente haben gezeigt, dass Albit und Muskovit in lebenden Böden doppelt so schnell verwittern als in sterilen Böden. Flechten auf Gestein gehören zu den wirksamsten biologischen Agenzien der chemischen Verwitterung. Zum Beispiel zeigte eine experimentelle Studie an Hornblende-Granit in New Jersey, USA, eine 3- bis 4-fache Zunahme der Verwitterungsrate unter mit Flechten bedeckten Oberflächen im Vergleich zu kürzlich freigelegten nackten Gesteinsoberflächen.

Biologische Basaltverwitterung durch Flechten , La Palma .

Die häufigsten Formen der biologischen Verwitterung resultieren aus der Freisetzung von Chelatbildnern (wie bestimmten organischen Säuren und Siderophoren ) sowie von Kohlendioxid und organischen Säuren durch Pflanzen. Wurzeln können den Kohlendioxidgehalt bis zu 30% aller Bodengase aufbauen, unterstützt durch die Adsorption von CO
2
auf Tonmineralien und die sehr langsame Diffusionsgeschwindigkeit von CO
2
aus dem Boden. Das CO
2
und organische Säuren helfen, aluminium- und eisenhaltige Verbindungen in den Böden darunter abzubauen . Wurzeln haben eine negative elektrische Ladung, die durch Protonen im Boden neben den Wurzeln ausgeglichen wird, und diese können gegen essentielle Nährstoffkationen wie Kalium ausgetauscht werden. Verrottende Reste abgestorbener Pflanzen im Boden können organische Säuren bilden, die, wenn sie in Wasser gelöst werden, chemische Verwitterung verursachen. Chelatbildende Verbindungen, meist niedermolekulare organische Säuren, sind in der Lage, Metallionen von blanken Gesteinsoberflächen zu entfernen, wobei Aluminium und Silizium besonders anfällig sind. Die Fähigkeit, nacktes Gestein abzubauen, ermöglicht es Flechten, zu den ersten Besiedlern von trockenem Land zu gehören. Die Anhäufung von Chelatbildnern kann sich leicht auf umgebende Gesteine ​​und Böden auswirken und zu einer Podsolisierung von Böden führen.

Die mit Baumwurzelsystemen assoziierten symbiotischen Mykorrhiza-Pilze können aus Mineralien wie Apatit oder Biotit anorganische Nährstoffe freisetzen und diese an die Bäume weitergeben und so zur Baumernährung beitragen. Kürzlich wurde auch nachgewiesen, dass Bakteriengemeinschaften die Mineralstabilität beeinflussen können, was zur Freisetzung anorganischer Nährstoffe führt. Es wurde berichtet, dass eine Vielzahl von Bakterienstämmen oder -gemeinschaften aus verschiedenen Gattungen in der Lage sind, mineralische Oberflächen zu besiedeln oder Mineralien zu verwittern, und für einige von ihnen wurde eine pflanzenwachstumsfördernde Wirkung nachgewiesen. Zu den nachgewiesenen oder vermuteten Mechanismen, die Bakterien zur Verwitterung von Mineralien verwenden, gehören verschiedene Oxidoreduktions- und Auflösungsreaktionen sowie die Produktion von Verwitterungsmitteln wie Protonen, organischen Säuren und chelatbildenden Molekülen.

Verwitterung am Meeresboden

Die Verwitterung der basaltischen Ozeankruste unterscheidet sich in wichtigen Punkten von der Verwitterung in der Atmosphäre. Die Verwitterung ist relativ langsam, wobei Basalt mit einer Rate von etwa 15 % pro 100 Millionen Jahre weniger dicht wird. Der Basalt wird hydratisiert und auf Kosten von Siliciumdioxid, Titan, Aluminium, Eisen(II) und Kalzium an Gesamt- und Eisen(III)-Eisen, Magnesium und Natrium angereichert.

Gebäudebewitterung

Beton durch sauren Regen beschädigt .

Gebäude aus Steinen, Ziegeln oder Beton sind anfällig für die gleichen Witterungseinflüsse wie jede freiliegende Felsoberfläche. Auch Statuen , Denkmäler und dekoratives Mauerwerk können durch natürliche Verwitterungsprozesse stark beschädigt werden. In Gebieten, die stark von saurem Regen betroffen sind, wird dies beschleunigt .

Beschleunigte Gebäudeverwitterung kann eine Bedrohung für die Umwelt und die Sicherheit der Bewohner darstellen. Planungsstrategien können die Auswirkungen von Umwelteinflüssen abmildern, wie z. B. die Verwendung von druckmoderiertem Regenschutz, die sicherstellen, dass das HLK-System in der Lage ist, die Feuchtigkeitsansammlung effektiv zu kontrollieren, und Betonmischungen mit reduziertem Wassergehalt auswählen, um die Auswirkungen von Frost-Tau-Zyklen zu minimieren.

Eigenschaften von gut bewitterten Böden

Granitgestein, das am häufigsten an der Erdoberfläche freigelegte kristalline Gestein ist, beginnt mit der Zerstörung der Hornblende zu verwittern . Biotit verwittert dann zu Vermiculit und schließlich werden Oligoklas und Mikroklin zerstört. Alle werden in eine Mischung aus Tonmineralien und Eisenoxiden umgewandelt. Der resultierende Boden ist im Vergleich zum Grundgestein an Kalzium, Natrium und Eisen armiert, und Magnesium wird um 40% und Silizium um 15% reduziert. Gleichzeitig wird der Boden um mindestens 50% an Aluminium und Kalium angereichert; durch Titan, dessen Häufigkeit sich verdreifacht; und durch Eisen(III)-Eisen, dessen Häufigkeit im Vergleich zum Grundgestein um eine Größenordnung zunimmt.

Basaltisches Gestein ist aufgrund seiner Entstehung bei höheren Temperaturen und trockeneren Bedingungen leichter verwittert als Granitgestein. Die feine Korngröße und das Vorhandensein von vulkanischem Glas beschleunigen auch die Verwitterung. In tropischen Umgebungen verwittert es schnell zu Tonmineralien, Aluminiumhydroxiden und mit Titan angereicherten Eisenoxiden. Da der meiste Basalt relativ kaliumarm ist, verwittert der Basalt direkt zu kaliumarmem Montmorillonit und dann zu Kaolinit . Wo die Auslaugung kontinuierlich und intensiv ist, wie in Regenwäldern, ist das Endprodukt der Verwitterung Bauxit , das Haupterz von Aluminium. Bei intensiven, aber saisonalen Niederschlägen, wie im Monsunklima, ist das Endprodukt der Verwitterung eisen- und titanreicher Laterit . Die Umwandlung von Kaolinit in Bauxit erfolgt nur bei intensiver Auslaugung, da normales Flusswasser mit Kaolinit im Gleichgewicht steht.

Die Bodenbildung erfordert zwischen 100 und 1000 Jahre, ein sehr kurzes Intervall in geologischer Zeit. Infolgedessen weisen einige Formationen zahlreiche Paläosol (fossiler Boden)-Betten auf. Zum Beispiel enthält die Willwood-Formation in Wyoming über 1000 Paläosolschichten in einem 770 Meter langen Abschnitt, der 3,5 Millionen Jahre geologischer Zeit entspricht. Paläosole wurden in Formationen identifiziert, die so alt sind wie das Archäische (über 2,5 Milliarden Jahre alt). Paläosole sind jedoch in den geologischen Aufzeichnungen schwer zu erkennen. Anzeichen dafür, dass es sich bei einem Sedimentbett um ein Paläosol handelt, umfassen eine abgestufte untere Grenze und eine scharfe obere Grenze, das Vorhandensein von viel Ton, eine schlechte Sortierung mit wenigen Sedimentstrukturen, aufreißende Klasten in den darüber liegenden Schichten und Austrocknungsrisse, die Material aus höheren Schichten enthalten.

Der Verwitterungsgrad eines Bodens kann als chemischer Änderungsindex ausgedrückt werden , definiert als 100 Al
2
Ö
3
/(Al
2
Ö
3
+ CaO + Na
2
O + K
2
O)
. Dieser variiert von 47 für unverwittertes Gestein der oberen Kruste bis 100 für vollständig verwittertes Material.

Verwitterung nicht-geologischer Materialien

Holz kann durch Hydrolyse und andere für Mineralien relevante Prozesse physikalisch und chemisch verwittert werden, darüber hinaus ist Holz jedoch sehr anfällig für Verwitterung durch ultraviolette Strahlung des Sonnenlichts. Dies induziert photochemische Reaktionen, die die Holzoberfläche zersetzen. Auch bei der Verwitterung von Lacken und Kunststoffen sind photochemische Reaktionen von Bedeutung.

Galerie

Siehe auch

Verweise

Andere Links