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Lagerstätten


Chemische Verwitterung
Chemische Verwitterung

Point Loma, California

Jon Sullivan

Lagerstätten der chemischen Verwitterung




Grundbegriffe der chemischen Verwitterung


Hydrolyse und Protolyse


Hydrolyse

Die Hydrolyse ist ein wichtiger Prozess der chemischen Verwitterung von Silikaten und bedeutet die Spaltung einer chemischen Verbindung durch Reaktion mit Wasser. Chemisch gesehen ist die Hydrolyse die Auflösung durch Reaktion der Silikate bzw. deren Ionen mit dissoziierten H2O-Molekülen (bzw. Reaktion zwischen Silikaten und den H+ und OH–Ionen des Wassers. Dabei wird (formal) ein Wasserstoffatom an das eine „Spaltstück“ abgegeben, der verbleibende Hydroxyrest an das andere Spaltstück gebunden (Kationenaustausch nach erfolgter Hydratation), wobei Kationen an den Grenzflächen des Kristallgitters durch Wasserstoffionen des Wassers ersetzt werden und das Kation sich sich seinerseits mit einem Anion zu einem Hydroxid verbindet. (GeoDZ), (d.h., Stoffe unter der Einwirkung bzw. dem Einbau von Wasser in ihre Bausteine gemäss: A-B + H2O→A-H + B-OH zerfallen). Im Gegensatz zur Hydratation reagiert hier das Wasser mit dem zerfallenden Teilchen: An den einen Baustein wird ein Proton und an den anderen Baustein das verbleibende Hydroxid-Ion angelagert. (Geo.FU-Bderlin-Themenbereiche)

Die Umkehrung der Hydrolyse ist eine Kondensationsreaktion. Die Hydrolyse ist eine Substitutionsreaktion, bei der eines der Edukte das Lösungsmittel Wasser ist.


Protolyse

Protolyse ist ein intensiver chemischer Teilprozess der Verwitterung. Chemisch gesehen ist die Protolyse eine Säure-Base-Reaktion, bzw. die Umbildung oder Auflösung der Mineralien durch Säuren. Der Ursprung der Protonen (H+-Ionen) sind organische und anorganische Säuren im Boden, darunter Huminsäuren, welche u.a. aus Wurzelatmung stammen können, sowie Kohlensäure. Durch die Protolyse, bzw. die H+-Ionen werden die Kationen effektiv aus dem Kristallgitter gelöst. Auch anthropogene Schwefel- und Salpetersäuren aus Rauchgasen wirken protolytisch. Protolyse ist der wichtigste chemische Verwitterungsgrund bei Silikaten, besonders bei Feldspäten. Nach anfänglichem Ersatz der Kaliumionen an der Kristalloberfläche durch Protonen werden die Si-O-Al-Bindungen geschwächt. Die dann freigelegten Si- bzw. Al-Ionen gehen anschließend als Al-Hydroxid und Kieselsäure in Lösung und werden gegen Ende des Verwitterungsprozesses in K-Ionen, Al-Hydroxid (Gibbsit) und Kieselsäure zerlegt.


Allitische und Siallitische Verwitterung

Allitische Verwitterung

Als allitisch bezeichnet man eine chemische Verwitterungsform, bei welcher silikatische Mineralien vollständig aufgelöst und abgeführt werden und als Rest Oxide, bzw. Hydroxide von Eisen und Aluminium übrigbleiben.

Im Zusammenspiel sehr hoher Temperaturen und starker Regenfälle in den Tropen werden Gesteine unter Lösung der die Gesteine bildenden Mineralien zersetzt. Je feuchter das Klima, je höher die Temperatur und je geringer der pH-Wert, umso intensiver ist die Hydrolyse. In den warmen und feuchten Klimaten der äquatorialen, tropischen und subtropischen Zone werden Erstarrungsgesteine und metamorphe Gesteine durch Hydrolyse und Oxidation oft bis zu Tiefen von 100 Metern verwittert.

Nachdem die leichter löslichen Bestandteile wie Calcium, Kalium, Natrium, Magnesium und Silizium durch Sickerwässer fortgeführt wurden, werden die schwerer löslichen Elemente Eisen und Aluminium als Rückstand angereichert. Dieser Prozess wird als Ferrallitisierung bezeichnet.

Diese Art der Verwitterung findet in der Regel in subtropischen bis tropischen Klimazonen statt. Je nach Art des Ausgangsgesteins bilden sich oberflächliche rote Laterite und Saprolithe (eisenreich, in der Regel aus magmatischen Gesteinen) oder Bauxit (aluminiumreich, in der Regel aus granitischen Gesteinen) als Verwitterungsprodukte.

Laterit und Bauxit sind sedimentäre Gesteine und werden auch als Residual- oder Rückstandsgesteine bezeichnet.

Siallitische Verwitterung

Die siallitische Verwitterung ist eine Verwitterungsform in humiden Klimazonen, wobei es aufgrund der durch die vorhandenen Huminsäuren verhinderten Abfuhr von Kieselsäure zur Bildung silikatischer Tonmineralien kommt. Eines der bekanntesten Resultate saillitischer Verwitterung ist Kaolin, bzw. der Entstehungsprozess der Kaolinisierung. Mit Kaolinisierung werden chemische Prozesse bezeichnet, bei welchen Feldspäte in Gesteinen zu Tonmineralen (Montmorillonit, Kaolinit) durch chemische Verwitterung umgewandelt werden.


Kaolinit
Kaolinit

Foto: US Geological Service and Mineral Information Institute;

USGS
Lateritböden im tropischen Regenwald
Lateritböden im tropischen Regenwald

Charakteristische rote Lateritböden im tropischen Regenwald

Archiv: Peter Seroka (Collector)
Bauxit
Bauxit

Bauxit, Stufe 6x9 cm Fundort: Busot, Alicante, Spanien

Collector

Saprolith

Hydrolyse
Hydrolyse

Saprolith, welcher einen Quarzgang umschließt; Pine Hill Quarry Straßenbau; Mecklenburg County, North Carlina 1934;

USGS, J. T. Pardee
Residualgesteine - Allitische Verwitterung
Residualgesteine - Allitische Verwitterung

Basalttuff-Verwitterung zu Saprolith und Laterit; Vangaindrano, MAdagaskar; Foto: Werner Schellmann; Creative Commons Lizenz 2,5

Archiv: Peter Seroka (Collector)

Saprolith ist ein stark verwittertes, ursprünglich silikatisches Gestein, dessen primäres Gefüge noch erkennbar ist, wobei bereits eine zunehmende Zerstörung von Feldspäten und Fe-Mg-Silikaten, Si und Al in Form von Tonmineralien fixiert ist. Saprolithe bilden sich als chemisches Verwitterungsprodukt unter humiden Bedingungen in tropischen Klimazonen. Sie enthalten neben widerstandsfähigen Mineralen aus dem Primärgestein, vor allem Quarz, hohe Anteile an Kaolinit, der sich bei der chemischen Verwitterung von primären Mineralen insbesondere Feldspat gebildet hat. Weitergehende Saprolithverwitterung führt zur Bildung von Laterit. Saprolithe sind Residualgesteine und bilden den unteren Teil von Regolithen.


Lösungsverwitterung

Lösungsverwitterung
Lösungsverwitterung

Oroumieh (Urmia)-See, Aserbeidschan, NW-Iran; Foto: Hyd-Masti.com Public Domain

Hyd-Masti Public Domain
Lösungsverwitterung-Iran
Lösungsverwitterung-Iran

Oroumieh (Urmia)-See, Aserbeidschan, NW Iran

Hyd-Masti Public Domain

Als Lösung versteht man den Übergang eines Minerals in die wässrige Verwitterungslösung, wobei keine chemische Reaktion stattfindet. Da Lösung traditionell zur Chemie gezählt wird, ordnet man die Lösungsverwitterung der chemischen Verwitterung zu. Da sie aber reversibel ist und die chemische Zusammensetzung des Gesteins nicht verändert wird, sondern lediglich die Kristallstruktur zerstört wird, ist die Lösungsverwitterung eigentlich eine physikalische Verwitterungsart, wobei die Moleküle in ihre Anionen und Kationen zerlegt werden. Jedes Ion wird dabei von Wassermolekülen umgeben. Die Lösungsverwitterung wird von Temperatur, pH-Wert und von Klimafaktoren beeinflusst. Sie bewirkt die Lösung (Korrosion) leicht löslicher Mineralien (Salze), darunter Chloride der Alkalimetalle wie Halit und Sylvin, aber auch Calcit (Kalkstein).

Die Mineralien (Salze) gehen bei Kontakt mit Wasser in Lösung. An die randständigen Ionen des Kristallgitters lagern sich Wassermoleküle an (Hydration), das Kristallgitter wird aufgelockert und letztlich werden die hydratisierten Ionen aus dem Mineralverband herausgelöst (Dissoziation). Dieser Vorgang findet solange statt, bis das Salz vollständig aufgelöst ist. Die Ionen der Lösung werden dann mit dem Wasser abgeführt, was zur Abtragung der Landoberfläche beiträgt.

Im einfachsten Fall werden Salze im Boden durch einsickerndes Wasser gelöst, wodurch Hohlräume entstehen können. In Karbonatgesteinen kann dieser Prozess zur Bildung von Karst und Höhlen führen. Nicht selten entstehen wabenartige Hohlräume. Hier spricht man von alveolischen Verwitterungsformen.

Die Lösungsverwitterung ist ein optisch meist gut erkennbarer Verwitterungsprozess. Manche Gesteine lösen sich wortwörtlich auf, fast so wie Zucker in Getränken oder wie Salz in einem Topf mit Wasser. Kalkstein, der vor allem aus Calciumcarbonat besteht, ist von dieser Form der Verwitterung besonders betroffen, da er durch Kohlensäure vollständig aufgelöst werden kann.


Kohlensäureverwitterung

Kohlensäureverwitterung  mit Karstbildung
Kohlensäureverwitterung mit Karstbildung

Tam Coc, Ninh Binh, Vietnam;

Public Domain

Kohlensäureverwitterung ist eine Art der chemischen Verwitterung, die bei der Lösung von Karbonatgesteinen (Kalkstein, Marmor und Dolomit) durch Kohlensäure entsteht.

Kohlensäure (H2CO3) bildet sich in der Natur u.a. durch Lösung des in der Luft enthaltenen Kohlendioxids (CO2) im Regen- und Bodenwasser (H2O). Kalkstein besteht hauptsächlich aus dem schwer wasserlöslichen Calcit (CaCO3). Kohlensäure löst Calcit und es entsteht Calciumhydrogencarbonat (Ca(HCO3)2), das sich sehr gut im Wasser löst.

  • H2O + CO2 → H2CO3- → HCO3- → 2 H+ + CO32-
  • CaCO3 + H+ + HCO3- → Ca2+ + 2 HCO3- → Ca(HCO3)2

Ändern sich die äußeren Einflüsse, erfolgt also eine Temperaturzunahme oder Druckminderung, so zerfällt das Calciumhydrogencarbonat.

Auch tief unter der Landoberfläche führt die Kohlensäureverwitterung zur Wegführung von Carbonatgestein und damit zur Bildung von Höhlen und Höhlensystemen im Kalkgestein. In Tropfsteinhöhlen wird unter Abgabe des Kohlendioxids an die Umgebungsluft Calcit ausgefällt, das sich in Form von Tropfsteinen ablagert. Durch die Wirkung von Kohlensäure auf Kalkgesteine entstehen interessante, oft meist kleine Oberflächenformen, typischerweise mit einem komplexen Muster von Vertiefungen, Rillen, Furchen und Spalten überzogen. An einigen Stellen erreichen sie das Ausmaß tiefer Furchen und hoher, wandartiger Gesteinsrippen, die von Mensch und Tier nicht mehr in normaler Weise überquert werden können (siehe dazu auch Abschnitt Tsingy in Madagaskar). Durch sie entstehen die bizarren Karrenfelder im Karst, in Irland, in den Kalkalpen, auf dem Balkan und in Südostasien. Die Kohlensäureverwitterung ist die Grundlage für die Entstehung von Karst.


Kohlensäureverwitterung
Kohlensäureverwitterung

Keshcorran Caves Nahe Carrowkeel, Irland

Jon Sullivan
Kroatien
Kroatien

Velebit-Karstmassiv, nahe Paklenica

M. Dirgela
Kohlensäureverwitterung
Kohlensäureverwitterung

Jebel Kissane, verwitterte ordovizosche Sedimente (Kalk-Sandstein), Draa-Tal, SW Jebel Sarhro-Gebirge, Marokko.

Collector

Subrosion

Lösungsverwitterung
Lösungsverwitterung

von Halit in einem Salzdom; Salar de Atacama, Chile:

USGS, K. Segerstrom
Lösungsverwitterung
Lösungsverwitterung

Umwandlung Salz zu Gips; Chella, Valencia, Spanien

Collector

Subrosion (lat.: sub = unter, rodere = benagen, zerkleinern) bedeutet unterirdische Ablaugung oder Auslaugung und die Abtragung von Gesteinen durch Wasserzufluss (Aquifere- oder Sickerwasser), was zur Bildung von Hohlräumen an der Erdoberfläche führt. Subrosion kann chemisch (Auslaugung, Verkarstung) oder mechanisch (Suffosion) erfolgen. Ein Salzhang ist eine schräge Ablaugungsfläche, Subrosionssenke bezeichnet eine Senkung im Deckgebirge mit Bildung einer mulden- oder beckenartiger konkaven Form an der Erdoberfläche. Da Salze wasserlöslich sind, kann das Eindringen von Wasser in eine Salzlagerstätte (Evaporite wie Halit (Steinsalz), Anhydrit oder Gips) größte Veränderungen bis hin zum völligen Verschwinden mit sich bringen. Die Hutgesteine der Salzstöcke entstehen als Folge der Subrosion. Auch lösungsresistenter Kalkstein kann durch Subrosion unter Bildung von Karsthöhlen abgetragen werden.


Oxidationsverwitterung

Oxidationsverwitterung
Oxidationsverwitterung

Pulot, Insel Palawan, Philippines

Collector
Chemisch verwitterte Böden
Chemisch verwitterte Böden

Chemisch verwitterte Böden; Durch Hydrolyse und Oxidation; verwitterte Böden bis zu einer; Tiefe von 60 m; Rubin-Schürfung; Mine bei; Bang Phra, Provinz Trat; Thailand

Collector

In den oberen Bodenbereichen ist die Oxidations- oder Sauerstoffverwitterung von Bedeutung. Viele Gesteine enthalten Eisen-, Mangan- und Schwefelverbindungen, wobei vordergründig das Eisen durch Einwirkung des im Wasser gelösten Sauerstoffs bzw. durch Reaktion mit dem freien Sauerstoff der Luft chemisch verwittert - es oxidiert. Zweiwertiges Eisen wird dabei durch die Abgabe eines Elektrons zu dreiwertigem Eisen und die ursprüngliche Mineralstruktur wird zerstört. Das nunmehr oxidierte Gestein nimmt eine bräunliche, rötliche oder gelbliche Farbe an. Die Intensität der Färbung, wie man sie besonders an frischen Gesteinsflächen sieht, sind ein Indikator für den Verwitterungsgrad. Die oft in tropischen oder subtropischen Böden zu sehende rote Färbung ist Folge der Oxidationsverwitterung. Beispiele der Eisen- und Schwefeloxidation:


a) zweiwertiges Eisen (Beispiel Mineral Siderit) wird zu dreiwertigem Eisen

4 FeCO3 + 6 H2O + O2 → 4 FeOOH + 4 HCO3- + 4 H+

b) zweiwertig-negativer Schwefel (Beispiel Mineral Pyrit) wird zu sechswertigem, positivem Schwefel

4 FeS2 + 14 O2 + 4 H2O → 4 FeSO4 + 4 H2SO4


Bildung organo-metallischer Komplexe

Als Komplexierung bezeichnet man den Teilprozess der chemischen Verwitterung, durch welchen Fe, Al, Mn und Schwermetalle durch organische Säuren komplex gebunden werden. Die Verwitterung wird durch Komplexierung beschleunigt (Gleichgewichtsverschiebung).



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