Erosion (Geologie)

Grundprinzip und physikalische Grundlagen

Erosion ist ein grundlegender Prozess im exogenen Teil des Gesteinskreislaufs. Dabei werden mehr oder weniger stark verwitterte Gesteine (Regolith), Lockersedimente und Böden abgetragen. Erosion kann Geländeformen wie Berge und Täler schaffen, sie bei anhaltender Wirkung aber auch vollständig zerstören, sofern keine endogenen Prozesse, insbesondere tektonische Hebungen, entgegenwirken. Sie ist das Gegenstück zur Sedimentation. Der Vorgang zwischen Erosion und Sedimentation heißt Transport; seine Bedingungen werden unter anderem im Hjulström-Diagramm dargestellt.

Man unterscheidet vor allem lineare und flächenhafte Erosion. Lineare Erosion vertieft die Erdoberfläche in kleinen, kurzlebigen Rinnsalen, in Fließgewässern oder durch Gebirgsgletscher. Flächenhafte Erosion erfolgt durch Wind, Meeresbrandung und Meeresströmungen, Inlandeis oder unmittelbar durch Niederschläge. Die Grenzen sind maßstabsabhängig: Rillenerosion wirkt kleinräumig linienhaft, großräumig jedoch flächenhaft. Ebenso kann die lineare Erosion einzelner Gebirgsgletscher während Eiszeiten in die flächenhafte Erosion von Inlandeis übergehen. Die großflächige Abtragung und Einebnung ganzer Landoberflächen heißt Denudation.

Als Transportmedien wirken meist flüssiges Wasser, Eis oder Luft in Form von Wind. Sie können erodiertes Material über weniger als 100 Meter bis mehrere 1000 Kilometer transportieren. Bei sehr steilem Relief kann Material auch allein durch die Schwerkraft bewegt werden, etwa bei Felsstürzen oder Hangkriechen.

Erosion setzt ein, wenn die durch das strömende Medium erzeugte Scherspannung größer ist als die Haftreibung zwischen den Partikeln. Die erforderliche Strömungsgeschwindigkeit ist bei geringerer Dichte des Mediums höher. Deshalb braucht Wind bei gleicher Erosionswirkung höhere Geschwindigkeiten als Wasser. Eis erodiert trotz seiner geringfügig niedrigeren Dichte als Wasser bereits bei sehr niedrigen Geschwindigkeiten; entscheidend sind vor allem Größe und Masse eines Eiskörpers, meist eines Gletschers. Mitgeführtes Material kann die Erosionswirkung verstärken, weil es wie ein Schleifmittel wirkt.

Wie stark Erosion ausfällt, hängt außerdem von der Erosionsresistenz des Untergrundes ab (Petrovarianz). Lockermaterial ist leichter erodierbar als solider Fels, Sand leichter als Sandstein und feinkörniges Material leichter als grobkörniges. Tonstein ist daher leichter erodierbar als Sandstein; Basalt und Granit sind in der Regel widerstandsfähiger als Sedimentgesteine. Klüfte und Verwerfungen können ebenfalls bevorzugte Angriffspunkte sein. Eine dichte Pflanzendecke hemmt Erosion. Da es vor dem Devon kaum und vor dem Silur faktisch keine Landpflanzen gab, wird angenommen, dass die mittlere globale Erosionsrate während des überwiegenden Teils der Erdgeschichte deutlich höher war als heute. Die Abhängigkeit der Erosionsrate von der Vegetationsdichte heißt Phytovarianz.

Flusserosion und ihre Wirkung

Flusserosion oder fluviatile Erosion ist eine lineare Erosionsform. Bäche und Flüsse schneiden dabei Einschnitte in die Landoberfläche. Ausgangspunkt ist ein Quellaustritt. Von dort fließt das Wasser der Schwerkraft folgend in tiefer liegendes Gelände.

Die Erosionswirkung hängt besonders von der Wassermenge, der Wasserturbulenz und dem mitgeführten Material, dem lokalen Gefälle und der damit verbundenen Fließgeschwindigkeit sowie dem Höhenunterschied zur Erosionsbasis ab. Die Erosionsbasis ist das Höhenniveau, unterhalb dessen die Erosionswirkung gleich null ist; in der Regel handelt es sich um den Meeresspiegel. Je größer Wasserführung, Turbulenz, Gefälle, Fließgeschwindigkeit und Höhenunterschied zur Erosionsbasis sind, desto stärker ist die Erosion.

Ein Gebirgsbach kann deshalb auch bei relativ geringer Wasserführung im Laufe von Jahrtausenden ein tiefes, meist V-förmiges Tal einschneiden. Ein solches Tal heißt Kerbtal. Die fortschreitende Eintiefung eines Tals in Richtung Quelle wird rückschreitende Erosion genannt und kann in besonderen Fällen zu einer Flussanzapfung führen. Ein Wasserlauf in ebenem Gelände nahe der Erosionsbasis schneidet sich dagegen selbst bei hoher Wasserführung kaum tief ein.

Die Vertiefung des Flussbetts heißt Tiefenerosion oder Sohlenerosion, weil vor allem die Sohle, also der tiefste Bereich der Fließrinne, erodiert wird. Die seitliche Verbreiterung heißt Seitenerosion. Bei schnell fließenden Gebirgsflüssen mit starkem Gefälle überwiegt die Tiefenerosion. Bei langsam fließenden Flüssen mit geringem Gefälle überwiegt die Seitenerosion, wodurch meist Mäander entstehen.

Im idealtypischen Fluss nimmt vom Hochgebirge zur Mündung das Gefälle und damit die Fließgeschwindigkeit tendenziell ab. Im Oberlauf können Geröll, Kies und Schotter transportiert werden, im Mündungsbereich meist nur noch Tonpartikel als Schwebfracht. Material, das wegen der abnehmenden Geschwindigkeit nicht weitertransportiert werden kann, wird abgelagert. Diese Sedimentation kann bei Hochwasser auch außerhalb des Flussbetts stattfinden. Senken im Oberlauf können als lokale Erosionsbasen wirken und eine erhöhte Sedimentation verursachen.

Erosions- und Sedimentationsphasen können sich über geologische Zeiträume mehrfach abwechseln. Ursachen sind tektonische Hebungen und Senkungen sowie Schwankungen des Meeresspiegels, die die Erosionsbasis verändern. Wird mehr sedimentiert als erodiert, können Erosionsdiskordanzen in der Sedimentabfolge entstehen. Wird mehr erodiert als sedimentiert, bleibt für den betrachteten Zeitraum keine Sedimentabfolge erhalten. Gebirgsflüsse leisten ihre stärkste Erosionsarbeit häufig bei starken oder anhaltenden Regenfällen und vielfach erhöhter Wasserführung. Kleinformen durch Wasserwirbel sind Gumpen und Kolke.

Anthropogener Einfluss auf Flüsse

Menschen verändern die natürliche Flusserosion unter anderem durch Begradigung und Eindeichung von Bächen und Flüssen, Trockenlegung und Aufschüttung von Auen, zusätzliche Wassereinleitungen, etwa aus Klärwerken, sowie durch Veränderungen der Ufervegetation.

Solche Eingriffe verändern lokal das Strömungsregime und erhöhen häufig die Fließgeschwindigkeit. Dadurch nimmt die Tiefen- beziehungsweise Sohlenerosionsrate zu; das Flussbett vertieft sich beschleunigt. In diesem Zusammenhang wird Sohlenerosion auch speziell als anthropogen verursachte, beschleunigte Tiefenerosion bezeichnet.

Mögliche Folgen sind Schäden an den mit den Gewässern verbundenen Ökosystemen. Verbliebene natürliche Auengebiete können austrocknen, weil sie zunehmend über dem Gewässerniveau liegen. Außerdem kann die Hochwassergefährdung in Regionen an den Unterläufen steigen, da Hochwasser aus den Oberläufen schneller abfließt.

Rillenerosion und besondere Formen

Rillenerosion ist kleinräumig eine lineare, großräumig jedoch eine flächenhafte Erosionsform. Niederschlagswasser fließt oberflächlich in kleinen, kurzlebigen Rinnsalen, den Spülrinnen, hangabwärts und nimmt dabei Material des Untergrundes mit. Wo sich Wasser sammelt, entstehen meist größere Rinnen, auch Runsen genannt. Das Material gelangt häufig zusammen mit dem Wasser in das nächstgelegene Gewässer.

Rillenerosion trägt zur Verbreiterung von Tälern und zur Einebnung von Bergen bei. Die Abführung leicht erodierbaren Materials durch das Zusammenwirken von Rillenerosion und Flusserosion und die damit verbundene Talbildung in Gebirgsregionen heißt Ausräumung. Rillenerosion ist außerdem ein bedeutender Mechanismus der Bodenerosion.

Ein Wadi oder Arroyo ist eine besondere Erosionsrinne, die nur in Trockengebieten auftritt. Erdpyramiden können als fortgeschrittene Erscheinungsform der Rillenerosion in schwach verfestigten Sedimenten entstehen. In solchen Sedimenten und Böden kommt auch Piping vor. Dabei handelt es sich nicht um oberflächliche, sondern um innere, unterirdische Erosion. Piping kann in Dämmen und Deichen zur Schwächung und schließlich zum Bruch des Bauwerks führen.

Gletscher-, Meeres- und Winderosion

Gletscher bilden sich in kalten Klimaten, vor allem in Hochgebirgen und Polargebieten. Sie bewegen sich talwärts meist nur mit einigen Metern im Jahr, können aber dennoch deutliche Erosionsformen erzeugen. Während Flüsse typischerweise V-förmige Kerbtäler schaffen, formen Gletscher U-förmige Trogtäler. Diese Form bleibt oft lange nach dem Abschmelzen erkennbar. Gletschererosion ist grundsätzlich linear; bei Eisschilden, die während Eiszeiten oder heute in der Antarktis und auf Grönland große Gebiete bedecken, wirkt sie flächenhaft.

Bei der marinen Erosion, auch Abrasion genannt, greift die Brandung das Festland besonders an Steilküsten auf breiter Front an. Am Kliff entstehen Brandungshohlkehlen und ähnliche Hohlräume, die schließlich einstürzen. Dadurch wird die Küstenlinie landeinwärts verlagert. Auf Meeresniveau entsteht eine immer breitere Abrasionsplatte, auch Brandungsplattform oder Felsschorre genannt. Abrasion reicht von linearer bis zu flächenhafter Wirkung.

Winderosion tritt vor allem in ariden Gebieten mit geringer Vegetation und starker physikalischer Verwitterung auf. Wind führt Staub und Sand mit, die das anstehende Gestein ähnlich einem Sandstrahlgebläse abschleifen. Diese vollflächige Erosion kann beispielsweise Pilzfelsen hervorbringen. Deflation bezeichnet das Wegblasen von Feinpartikeln, die durch Verwitterung entstanden sind. Korrasion bezeichnet die aktive, abschleifende Wirkung mitgeführter Partikel auf Felsen und Steine.

Erosion unter dem Meer, auf dem Mars und durch Organismen

Erosion findet auch unterhalb des Meeresspiegels statt. Besonders bekannt ist die lineare Erosion des Kontinentalhangs durch Trübeströme. Sie kann unterseeische Canyons bilden.

Auf anderen terrestrischen Planeten sind Erosionsprozesse möglich, wenn ähnliche physikalische Voraussetzungen wie auf der Erde herrschen. Auf dem Mars wurden Erosionsrinnen beobachtet, die eindeutig durch fließendes Wasser entstanden. Sie gelten jedoch nicht als echte fluviatile Erosion, weil die Wasserströme wegen der dünnen Marsatmosphäre sehr kurzlebig waren. Die vermutlich einzige heute sowohl auf der Erde als auch auf dem Mars aktive Erosionsform ist die Winderosion. Wegen der geringeren Dichte der Marsatmosphäre müssen die Windgeschwindigkeiten dort für eine ausreichende Scherspannung und einen wirksamen Materialtransport um ein Vielfaches höher sein als auf der Erde.

Bioerosion ist die zerstörerische Einwirkung lebender Organismen auf harte Substrate und unterscheidet sich damit grundlegend von abiogener, nicht durch Lebewesen verursachter Erosion. Betroffen sind vor allem karbonatische Substrate im Meer. Die Zerstörung kann mechanisch, chemisch oder in beiden Formen erfolgen. Papageienfische und Seeigel zerkleinern beispielsweise beim Fressen Steinkorallen mechanisch. Der Bohrschwamm Cliona und die Muschel Lithophaga bohren chemisch beziehungsweise durch Bohrtätigkeit in Skelette verschiedener wirbelloser Meerestiere oder in Kalksteinfelsen der Gezeitenzone.

Mechanische Bioerosion zerkleinert das Substrat unmittelbar. Chemische Bioerosion schwächt zunächst seine Struktur und erleichtert dadurch eine spätere abiogene Zerkleinerung und Erosion. Untersuchungen moderner Korallenriffe zeigen, dass die Bioerosionsrate ungefähr der mittleren Wachstumsrate entspricht; in Einzelfällen liegt sie deutlich darüber.