Verwitterung

Grundbegriff und Bedeutung

Verwitterung bezeichnet in den Geowissenschaften die natürliche Zersetzung von Gestein infolge seiner exponierten Lage an oder nahe der Erdoberfläche. Dabei wirken physikalische, chemische und biotische Prozesse zusammen. Physikalische Verwitterung zerstört den Gesteinsverband, während die gesteinsbildenden Minerale erhalten bleiben. Bei chemischer Verwitterung werden Minerale dagegen aufgelöst oder in andere Minerale umgewandelt. Biotische Verwitterung wird durch Lebewesen oder deren Ausscheidungs- und Zersetzungsprodukte verursacht und kann sowohl physikalisch als auch chemisch wirken.

Verwitterung gehört zusammen mit Erosion, Sedimenttransport und Sedimentablagerung zu den exogenen Faktoren, die die Erdoberfläche formen. Zu den wichtigsten endogenen Faktoren zählen dagegen Vulkanismus und Tektonik. Besonders in hochgelegenen Gebieten mit steilen Hängen ist Verwitterung häufig das erste Glied einer Kette exogener Prozesse: Die entstehenden Verwitterungsprodukte werden wegen der hohen Reliefenergie schnell erodiert und an Orten mit geringerer Reliefenergie abgelagert.

In ebenem Gelände kann sich das lockere Verwitterungsmaterial als Regolith, also als Oberflächenschicht aus verwittertem Gestein, sammeln. Der Regolith geht nach unten in das unveränderte anstehende Gestein über; in der Bodenkunde wird dieser Bereich als C-Horizont bezeichnet. Verrottung und Gesteinsverwitterung gehören zu den wichtigsten Prozessen der Bodenbildung.

Die drei Verwitterungsformen lassen sich nicht immer scharf trennen. Wurzeln können Gestein beispielsweise durch Turgordruck mechanisch aufsprengen und zugleich durch Säuren chemisch angreifen. Außerdem begünstigen sich die Prozesse: Chemische Verwitterung wirkt in einem durch physikalische Prozesse bereits zerrütteten Gestein meist stärker. Verwitterung ist von Erosion zu unterscheiden, wenn Flüsse, Wellen, Strömungen, Wind oder Gletschereis Gestein durch Reibung und Zermalmung abtragen.

Nicht nur natürlich anstehendes Gestein, sondern auch Bauwerke und Kunstwerke aus Naturstein verwittern. Umgangssprachlich wird dies teilweise als „Steinfraß“ bezeichnet. Bei anderen Materialien spricht man eher von Verrottung bei organischen Stoffen und von Korrosion bei Metallen, Glas, Keramik und Kunststoffen.

Physikalische Verwitterung

Physikalische, auch physische oder mechanische Verwitterung genannt, zerlegt massives Gestein in Fragmente von großen Blöcken bis zu feinem Sand und Schluff. Die Minerale werden dabei nicht grundsätzlich chemisch verändert.

Bei der Frostverwitterung oder Frostsprengung dehnt sich Wasser beim Gefrieren im Poren- und Kluftraum aus. Der dabei mögliche Druck beträgt über 200 MPa; bei −5 °C sind es 50 MPa, bei −22 °C erreicht er mit 211,5 MPa sein Druckmaximum. Das Volumen kann um bis zu 9 % zunehmen. Wasser dringt vor allem durch Klüfte und in Sedimentgesteinen zusätzlich entlang der Schichtflächen ein. Werden dadurch von Klüften und Schichtflächen begrenzte Blöcke aus dem Gesteinsverband gelöst, spricht man von Blockzerfall. Wenn Wasser in einem chemisch geschwächten grobkörnigen Erstarrungsgestein an den Grenzen der Mineralkörner gefriert und die Körner voneinander trennt, entsteht körniger Zerfall. Das Produkt ist Feinkies oder grober Sand, dessen Körner jeweils aus einzelnen Mineralpartikeln bestehen. Frostverwitterung ist besonders in Polargebieten, im kaltgemäßigten Klima und in der nivalen Höhenstufe verbreitet. Typische Folgen sind Schutthalden, Felsenmeere und verschiedene Bodenformen der arktischen Tundra.

Salzverwitterung oder Salzsprengung ähnelt der Frostsprengung, beruht aber auf dem Wachstum von Salzkristallen in Poren und Klüften. Salzhaltiges Grund- und Porenwasser verdunstet nahe der Oberfläche. Bei Übersättigung kristallisieren Salze aus. Der Kristallisationsdruck kann beim Auskristallisieren aus übersättigten Lösungen 13 MPa, beim Wachstum der Kristalle 4 MPa erreichen. Besonders typisch ist dieser Prozess für aride Klimate mit hoher Verdunstung und geringen Niederschlägen; er tritt aber auch an Meeresküsten und Felswänden auf. In Sandstein können wachsende Kristalle die Oberfläche zermürben, sodass Wind und Regen Nischen oder flache Halbhöhlen, etwa Boofen im Elbsandsteingebirge, herausarbeiten. Ähnliche Schäden entstehen an Gebäuden durch Streusalz oder aufsteigende Bodenfeuchte, besonders an Sandstein, niedrig gebrannten Ziegeln, Putz und Mauermörtel.

Bei der Hydrationsverwitterung lagern sich Wassermoleküle in das Kristallgitter bestimmter Minerale ein. Die Mineralkörner vergrößern dadurch ihr Volumen und sprengen das Gesteinsgefüge. Dies ist von der Hydrolyse zu unterscheiden, bei der Minerale durch chemische Reaktionen mit Wasser-Ionen umgewandelt werden.

Rostverwitterung oder Rostsprengung betrifft Gesteine mit nicht-oxischen Eisenerzmineralen. Bei Kontakt mit meteorischem Wasser oxidieren diese Minerale; es entstehen Eisenoxide, Eisenhydroxide, Eisenoxidhydroxide und Eisenoxidhydrate. Die damit verbundene Volumenzunahme sprengt das Gestein und kann in Gebirgen Steinschläge und Lawinen auslösen. Auch steinerne Kulturgüter mit Eisendübeln oder Eisenankern können dadurch beschädigt werden.

Bei der Quelldruckverwitterung führen quellfähige Tonminerale beim Wechsel zwischen Durchfeuchtung und Trocknung zu Volumenschwankungen, die den Gesteinsverband zerstören.

Druckentlastungsverwitterung tritt auf, wenn überlagernde Gesteinsmassen abgetragen werden und dadurch der vorher einengende Druck abnimmt. Tief gebildete Erstarrungs- und metamorphe Gesteine dehnen sich bei ihrer Freilegung etwas aus; Gesteinsschalen lösen sich ab. Dieser Vorgang heißt Exfoliation, die entstehenden Spalten Druckentlastungsklüfte. Besonders häufig ist diese Struktur in massiven, zuvor kluftarmen Gesteinen wie Granit. Über einzelnen großen Gesteinskörpern können Exfoliationskuppen entstehen. Im Yosemite Valley besitzen einzelne Gesteinsschalen Dicken von sechs bis 15 Metern. Glatte Felskuppen wie der Zuckerhut von Rio de Janeiro und Stone Mountain in Georgia sind dagegen keine echten Exfoliationskuppen, sondern durch körnigen Zerfall harter, grobkörniger intrusiver Erstarrungsgesteine entstanden.

Thermische Verwitterung oder Insolationsverwitterung entsteht durch räumliche und zeitliche Temperaturunterschiede und die dadurch verursachten Volumenänderungen. Ursachen können Sonnenstrahlung, Wind, Frost, Strahlungswetter oder eine Temperaturerhöhung im Erdinnern sein; auch technische Einwirkungen wie Reibung, Alterung, Korrosion, Radioaktivität und Heizung kommen infrage.

Chemische Verwitterung

Chemische Verwitterung umfasst Prozesse, durch die Gesteine unter dem Einfluss von Niederschlag sowie oberflächennahem Grund- und Bodenwasser chemisch verändert oder vollständig gelöst werden. Elemente und Verbindungen werden aus Mineralen gelöst oder aus dem Wasser neu in Minerale eingebaut. Dadurch verändern sich meist auch die physikalischen Eigenschaften des Gesteins. Da chemische Verwitterung an Wasser gebunden ist, ist sie vor allem in humidem Klima bedeutend. In Regionen mit Wasserüberschuss werden gelöste Stoffe häufig durch Fließgewässer bis ins Meer transportiert.

Bei der Lösungsverwitterung werden Gesteine gelöst, die überwiegend aus in reinem Wasser löslichen Mineralen bestehen, zum Beispiel Gips (CaSO₄ · 2H₂O), Halit (NaCl) und Sylvin (KCl). In humidem Klima sind solche Gesteine daher selten an der Oberfläche aufgeschlossen. Typische Erscheinungen sind Salzspiegel und Gipshut im Dachbereich von Salzstöcken. Die Lösungsverwitterung wird traditionell der chemischen Verwitterung zugeordnet. Weil sie grundsätzlich reversibel ist und die chemische Zusammensetzung nicht verändert, sondern nur die Kristallstruktur zerstört, kann sie auch als physikalische Verwitterung aufgefasst werden.

Bei der Kohlensäureverwitterung reagiert Wasser mit Kohlenstoffdioxid: H₂O + CO₂ ⇌ H₂CO₃. Die entstehende Kohlensäure wandelt Calciumcarbonat in lösliches Calciumhydrogencarbonat um: CaCO₃ + H₂CO₃ ⇌ Ca(HCO₃)₂. Betroffen sind unter anderem Kalkstein, Dolomit, Karbonatit und Marmor. CO₂ kann in erhöhter Konzentration auch aus Bodenlebewesen und der Zersetzung organischer Stoffe stammen. An der Oberfläche entstehen durch die Auflösung Karrenformen wie Pfannen, Rillen und Furchen; großräumig bilden sich Karstlandschaften. Unterirdisch können Höhlen und Höhlensysteme sowie später Dolinen und Poljen entstehen. Erwärmt sich die Lösung oder wird der Druck geringer, zerfällt Hydrogencarbonat unter Abgabe von CO₂, und Calciumcarbonat fällt aus. So entstehen unter anderem Quellkalke und Tropfsteine.

In feuchtem Klima ist Kohlensäureverwitterung ein dominierender Faktor der Denudation in Kalksteingebieten. Eine Untersuchung in Pennsylvania ergab eine durchschnittliche Tieferlegung der Landoberfläche um 30 cm in 10.000 Jahren. In Trockenklimaten ist sie wegen des Mangels an flüssigem Wasser und der geringeren biotischen Aktivität deutlich schwächer; Kalkstein und Dolomit können dort hohe Rücken und Plateaus bilden. Auch karbonatzementierte Sandsteine verwittern dort relativ langsam. Calciumhydroxid (Ca(OH)₂, Portlandit) reagiert mit Kohlensäure zu Calciumcarbonat: Ca(OH)₂ + H₂CO₃ → CaCO₃ + 2 H₂O. Als Löschkalk ist Calciumhydroxid Bestandteil von Beton; die Carbonatisierung kann bei Stahlbeton die Korrosion der Bewehrung und schwere Bauschäden begünstigen. Auch silikatische Minerale der Olivingruppe können fast vollständig gelöst werden: Mg₂SiO₄ + 2 H₂O + 4 CO₂ → 2 Mg(HCO₃)₂ + SiO₂. Bei mafischem Gestein, insbesondere Basalt, können dadurch zusammen mit Hydrolyse silikatkarstähnliche Formen entstehen, etwa auf Teilen der Hawaii-Inseln.

Bei der Schwefelsäureverwitterung greift saurer Regen vor allem calciumcarbonatreiche Gesteine wie Kalkstein, Kalksandstein und Marmor an. Schwefeldioxid und Schwefeltrioxid aus menschgemachten und vulkanischen Emissionen bilden schweflige Säure und Schwefelsäure; Bakterien können schweflige Säure nach dem Auftreffen auf Oberflächen zusätzlich oxidieren. Schwefelsäure verdrängt die schwächere Kohlensäure aus Calciumcarbonat: CaCO₃ + H₂SO₄ + H₂O → CaSO₄ · 2 H₂O + CO₂. Dabei entsteht Gips, der besser wasserlöslich ist als Calcit, sodass das Gestein schneller abgetragen wird. An Fassaden und Marmorskulpturen führt dies zum Verlust von Glanz und Konturenschärfe. Hygroskopischer Gips kann Ruß binden; dadurch entstehen dichte Schwarzkrusten, unter denen Schadzonen entstehen und die Oberfläche später großflächig abplatzen kann. Schwefelsäureverwitterung erzeugt CO₂ und kann dadurch den Kohlenstoffkreislauf beeinflussen.

Bei der Hydrolyse werden Ionen im Kristallgitter bestimmter Minerale an H⁺- und OH⁻-Ionen gebunden, die durch Autoprotolyse ständig im Wasser entstehen. Dadurch zerfällt das Ionengitter. Die Hydrolyse ist eine Initialreaktion bei der Umwandlung häufiger Silikatminerale wie Feldspäte und Glimmer in Tonminerale wie Illit, Kaolinit, Montmorillonit und Smectit. Kalifeldspat reagiert beispielsweise zu alumosilizischer Säure und Kaliumhydroxid: KAlSi₃O₈ + H⁺ + OH⁻ → HAlSi₃O₈ + KOH. Kaliumhydroxid wird über Kohlensäure in gut lösliches Kaliumcarbonat, „Pottasche“ (K₂CO₃), umgewandelt und abgeführt. Aus alumosilizischer Säure entstehen Kaolinit und lösliche Orthokieselsäure: 2 HAlSi₃O₈ + 9 H₂O → Al₂Si₂O₅(OH)₄ + 4 H₄SiO₄. Bei verändertem chemischem Milieu kann daraus SiO₂ ausfallen und Chalcedonkrusten, sogenannte Silcretes, bilden. Hydrolyse ist umso intensiver, je feuchter und wärmer das Klima und je niedriger der pH-Wert ist. In tropischen und subtropischen Gebieten können magmatische und metamorphe Gesteine bis in 100 m Tiefe verwittern. Diese Schicht heißt Saprolith. Wegen ihres hohen Gehalts an quellfähigen Tonmineralen kann sie unter schwerer Belastung nachgeben und ist daher für Autobahnen, Dämme und andere Bauwerke ein Risiko.

Biotische und spezielle Formen

Biotische, biologische oder biogene Verwitterung wird durch lebende Organismen sowie deren Ausscheidungs- und Zersetzungsprodukte verursacht. Sie kann mechanisch oder chemisch wirken und ist deshalb nicht immer eindeutig von abiotischer Verwitterung oder von physikalischer und chemischer Verwitterung zu trennen.

Die wichtigste mechanisch-biotische Form ist die Wurzelsprengung. In Klüfte und feine Spalten zwischen Mineralkörnern hineinwachsende Wurzeln üben durch ihr Dickenwachstum Druck aus und erweitern die Öffnungen. Auch wenn ein Baum eine vorhandene Spalte manchmal nur ausfüllt, lockern selbst winzige Wurzeln in Haarrissen zahlreiche Gesteinsschuppen und Körner. Das Anheben und Zerbrechen von Beton-Gehwegplatten durch Baumwurzeln zeigt diese Wirkung deutlich.

Chemisch-biotische Verwitterung wird durch Mikroorganismen, Pflanzen und Tiere verursacht. Organische Säuren aus Pflanzenwurzeln und Humus greifen Minerale an. Durch mikrobielle Säurebildung, Oxidation und Reduktion können Minerale gelöst werden. Besonders wichtig ist die Bildung metallorganischer Komplexe, sogenannter Chelatkomplexe oder Chelate, mit Eisen, Aluminium und Magnesium. Lösliche Komplexe werden mit dem Sickerwasser im Boden verlagert. Beteiligt sind unter anderem Citronensäure, Weinsäure und Salicylsäure. Mikroorganismen und die Atmung von Pflanzenwurzeln erhöhen durch CO₂-Bildung den Kohlensäuregehalt des Bodens. Anaerobe Bakterien können außerdem Eisen von der dreiwertigen in die zweiwertige Form überführen; zweiwertige Eisenverbindungen sind deutlich leichter wasserlöslich und können daher mobilisiert und verlagert werden.

Bei der Wollsackverwitterung bilden verschiedene Verwitterungsprozesse typische gerundete Formen. Zunächst entsteht ein annähernd rechtwinkliges Kluftnetz, durch physikalische Verwitterung oder bei magmatischen Gesteinen durch Volumenabnahme beim Erkalten. Wasser dringt ein und setzt chemische Prozesse, beispielsweise die Hydrolyse von Feldspäten, in Gang. Die Zersetzung schreitet von den Klüften aus voran und erfolgt an Ecken und Kanten besonders schnell. Bei der Erosion werden die angegriffenen Bereiche bevorzugt abgetragen, während unverwitterte Blockkerne mit gerundeter, wollsackähnlicher Form zurückbleiben.

Vergrusung oder Abgrusung bezeichnet den Zerfall des Gesteinsgefüges granitischer Gesteine wie Granit und Granodiorit in einzelne Mineralkörner. Ursache können die Hydrolyse von Feldspäten und Glimmern oder Temperaturverwitterung sein. Das entstehende sandige bis feinkiesige Material heißt Grus. Vergrusung tritt häufig gemeinsam mit Wollsackverwitterung auf.

Die Mechanismen der Alveolarverwitterung sind nicht vollständig geklärt. Vermutlich wirken je nach Standort Salz- und Kohlensäureverwitterung zusammen mit der Erosion durch Wind und Wasser. Besonders häufig betroffen sind Sandsteine. Es entstehen wabenartige Formen, die als Tafoni bezeichnet werden.