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Lagerstätten

Talus am Fuß der Drei Zinnen
Talus am Fuß der Drei Zinnen
Blick auf die Nordseite, Sextener Dolomiten, Italien; Bildung vor 200-220 Mio. Jahren im Trias, Dolomit.
Copyright: Walter Wegscheider; Contribution: bardenoki
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Talus am Fuß der Drei Zinnen

Blick auf die Nordseite, Sextener Dolomiten, Italien; Bildung vor 200-220 Mio. Jahren im Trias, Dolomit.

Walter Wegscheider


Lagerstätten der mechanischen Verwitterung




Grundbegriffe der mechanischen (physikalischen) Verwitterung

Bei der physikalischen Verwitterung werden die Gesteine durch mechanische Vorgänge ohne wesentliche chemische Veränderungen zersetzt, wobei die Mineralien erhalten bleiben. Diesen Verwitterungsprozess bezeichnet man als Gesteinszerfall.

Physikalische Verwitterung ist ein Begriff, welcher mehrere, teilweise verschiedene physikalische Verwitterungsprozesse, bedingt durch Temperatur- und Volumenänderung durch Frost, Salz, Desquamation, Druck- und/oder Spannungsentlastung, Quelldruck, Hydration sowie Schleifwirkung durch Wind einschließt. Alle diese Prozesse haben den gemeinsamen Nenner des Gesteinszerfalls, d.h., der Fragmentation harter und massiver Gesteine in Größen von Blöcken bis hin zu Sand und Schluff. Einhergehend mit dem Gesteinszerfall durch physikalische Verwitterung wirken auch zersetzende chemische Prozesse auf das Gestein (Gesteinszersetzung). Die meisten Wüstenböden der Erde sind durch physikalische Verwitterungsprozesse entstanden.

Abweichende Lehrmeinungen und unterschiedlich verwendete Begriffe

  1. Ob eine Verwitterung physikalisch oder chemisch ist oder ob anstelle einer Verwitterung schon eine Erosionsphase besteht, unterscheidet sich von Lehrmeinung zu Lehrmeinung und von Autor zu Autor. Total verwirrend ist oft der lockere und falsche Umgang mit den Begriffen Verwitterung und Erosion (besonders im US-amerikanischen Sprachgebrauch), wobei es sich bei der definierten Erosion sehr oft um eine Verwitterung handelt.
  2. Verwitterung durch Wind wird manchmal als physikalische Verwitterung, jedoch oft auch als Erosion bezeichnet.
  3. Wüstenlack beruht manchen Autoren zufolge auf Windverwitterung. Andere Autoren wiederum vertreten die Meinung, dass es sich bei der Bildung des Wüstenlack um eine chemische Verwitterung handelt. Auch eine Verwitterung durch Mikroorganismen ist nicht ausgeschlossen.
  4. Nicht jeder Verwitterungsvorgang ist für sich allein gestellt klassifizierbar. Sehr oft tragen sowohl physikalische als auch chemische Prozesse gemeinsam oder aufeinanderfolgend zur Verwitterung bei.

Insofern sind z.B. Wollsackformationen nicht Resultate physikalischer, sondern physikalisch-chemischer Prozesse. Desquamation ist eine Kombination aus Salz- und Temperaturverwitterung und Tafoni (bisher nicht geklärt) sind Produkte aus Salz-, Wind- und chemischer Verwitterung.


Thermische Verwitterung (Insolationsverwitterung)

Physikalische Verwitterung durch Insolation und Korrasion
Physikalische Verwitterung durch Insolation und Korrasion
Mojave-Wüste, Arizona, USA
Copyright: USGS; Contribution: Collector
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License: Public Domain
Physikalische Verwitterung durch Insolation und Korrasion

Mojave-Wüste, Arizona, USA

USGS
Insolationsverwitterung
Insolationsverwitterung
Thermische Verwitterung eines Massivs vulkanischer Gesteine durch Insolation; Kula, Yanikyöre Vulkanfeld Provinz Manisa, Aegäische Region, Türkei
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Insolationsverwitterung

Thermische Verwitterung eines Massivs vulkanischer Gesteine durch Insolation; Kula, Yanikyöre Vulkanfeld Provinz Manisa, Aegäische Region, Türkei

METE

Die thermische Verwitterung (Insolationsverwitterung) ist der wohl bedeutendste physikalische Verwitterungsprozess, welcher in festen Materialien durch Temperaturunterschiede, bzw. unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten der Mineralien hervorgerufen wird, wobei durch Temperaturänderungen Druck und Zugspannungen (Drücke bis 50 MPa / 106 Pascal entstehen und zu Abschuppung und zu Brüchen führen. Dies kann

  • natürliche Ursachen haben (Sonnenstrahlung, Wind, Frost, Strahlungswetter, Temperaturerhöhung im Erdinnern usw.) oder
  • auf technische Maßnahmen zurückgehen (Reibung, Alterung/Korrosion, Radioaktivität, (Heizung) usw.)

Durch Insolation, d.h. verstärkte Sonneneinstrahlung, besonders in heißen Wüstengebieten und in den Tropen mit Gesteinsoberflächen, die sich bis über 50°C erhitzen können, werden Gesteine durch Zergrusung, Desquamation (Abschuppung) und durch Kernsprünge zerstört. Das Gestein dehnt sich bei Erwärmung und kontrahiert bei Abkühlung, wobei Spannungen an der Oberfläche auftreten, welche letztlich zur Sprengung führen.

Ein besonderes Verwitterungsphänomen ist das manchmal explosionsartige Knallen von Felsen in den großen Gesteinswüsten. Durch ausgeprägte Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht und die damit verbundene Zerrung und Dehnung werden die Gesteine deutlich hörbar zertrümmert (Temperatursprengung). Durch Sonnenbestrahlung intensiv erhitzte Gesteine werden auch mechanisch zertrümmert, wenn Wasser oder Regen darauf gelangt.


Desquamation

Desquamation
Desquamation
Schalige Ablösung, Abschuppung von Gesteinsoberflächen eines Gneisblocks. Nesvatn-Gebiet, Telemark/Aust-Agder, Norwegen
Copyright: Geröllheimern; Contribution: Collector
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Desquamation

Schalige Ablösung, Abschuppung von Gesteinsoberflächen eines Gneisblocks. Nesvatn-Gebiet, Telemark/Aust-Agder, Norwegen

Geröllheimern

Desquamation (lat.: squama = die Schuppe) ist eine physikalische Temperatur-Salzverwitterung, wobei beide Prozesse nicht selten zusammen stattfinden und bezeichnet die Schalenablösung oder Abschuppung (Schuppenbildung) von Gesteinsoberflächen unter Loslösung schaliger Gesteinsplatten. Die schaligen Schuppen können Stärken zwischen einigen Millimetern bis zu einem Meter haben. Hauptursachen der Desquamation sind Insolation und starke Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht. Diese Abschuppungsprozesse finden häufig in ariden Klimazonen statt.

Die im Gestein befindlichen Mineralien in den Gesteinen (Feldspat, Quarz und Glimmer) haben unterschiedlich thermische Ausdehnungswerte. Ihr Volumen verändert sich unterschiedlich, demzufolge werden Spannungen aufgebaut, welche das Absprengen der Schuppen bewirken. Bei diesem Prozess lösen sich die Mineralkörner aus dem Gesteinsverband.

Wie bei vielen Verwitterungsprozessen spielt auch bei der Desquamation der Wind eine Rolle, indem er kontinuierlich Sand heranführt, welcher den Desquamationsprozess beschleunigt, wobei das Gestein vergrust (granular disintegration). Desquamation hängt jedoch auch mit geochemischen Prozessen zusammen.


Desquamation
Desquamation
Half Dome Granodiorit, Yosemite National Park, California, USA
Copyright: Jon Sullivan; Contribution: Collector
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Desquamation

Half Dome Granodiorit, Yosemite National Park, California, USA

Jon Sullivan
Kernverwitterung
Kernverwitterung
Beginnende Desquamation eines Granitfelsens mit partieller Vergrusung des verwitterten Materials; Karlu Karlu-Devils Marbles Nahe Tennant Creek, Northern Territory, Australien.
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License: Public Domain
Kernverwitterung

Beginnende Desquamation eines Granitfelsens mit partieller Vergrusung des verwitterten Materials; Karlu Karlu-Devils Marbles Nahe Tennant Creek, Northern Territory, Australien.

Roll-Stone
Desquamation an einer Felswand
Desquamation an einer Felswand
Yosemite Nationalpark, Kalifornien, USA
Copyright: USGS; Contribution: Collector
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Desquamation an einer Felswand

Yosemite Nationalpark, Kalifornien, USA

USGS

Kernsprung

Temperatursprengung
Temperatursprengung
Temperatursprengung durch Wechsel von Erwärmung zu Abkühlung Devils Marbles, New Territories, Australien Foto: www.australienbilder.de
Copyright: Axel Hennig; Contribution: Collector
Encyclopedia: Verwitterung
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Temperatursprengung

Temperatursprengung durch Wechsel von Erwärmung zu Abkühlung Devils Marbles, New Territories, Australien Foto: www.australienbilder.de

Axel Hennig

Als Kernsprung bezeichnet man Klüfte oder Fugen im Gestein, bzw. den Verwitterungsprozess, welcher durch Temperaturverwitterung entsteht und oft riesige Gesteinsblöcke komplett spaltet. Dieser Prozess, welcher vor allem in ariden und sehr trockenen Gebieten, bzw. Wüsten zu beobachten ist, wird durch hohe Temperaturunterschiede bewirkt. (Temperatursprengung).

Kernsprünge gibt es auch an großen Geschiebefelsen, welche von Gletschern, bzw. deren Eismassen transportiert wurden. Charakteristisch sind solche als Findlinge bezeichneten Felsen mit abgerundeten Kanten in den Grundmoränen Norddeutschlands sowie in Nordengland und in Irland anzutreffen.


Kernsprung an Findling
Kernsprung an Findling
Neuenkirchen Kreis Steinfurt NRW
Copyright: Zumthie 2007; Contribution: Collector
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Kernsprung an Findling

Neuenkirchen Kreis Steinfurt NRW

Zumthie 2007
Kernsprung eines Granitblocks
Kernsprung eines Granitblocks
Kleine Spitzkoppe, Namibia
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Kernsprung eines Granitblocks

Kleine Spitzkoppe, Namibia

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Durch Kernsprung verwitterte Granitkugel
Durch Kernsprung verwitterte Granitkugel
Krishna's Butterball, Mahabalipuram bei Chennai, Tamil Nadu, Indien
Copyright: Fred Cali; Contribution: Collector
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Durch Kernsprung verwitterte Granitkugel

Krishna's Butterball, Mahabalipuram bei Chennai, Tamil Nadu, Indien

Fred Cali

Frostverwitterung (Kyroklastik)

Frostsprengung
Frostsprengung
Gneis - Verwitterung durch Frostsprengung; Canigou-Massiv, Frankreich
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Frostsprengung

Gneis - Verwitterung durch Frostsprengung; Canigou-Massiv, Frankreich

Collector

Die Verwitterung durch Volumenvergrößerung des Wassers (ca. 9%) und der Bildung hoher Drücke (bis 220 MPa) beim Gefrieren wird als Frostverwitterung bezeichnet. Dieser Prozess findet statt, wenn im Winter Wasser in Gesteinsrisse eindringt, zu Eis gefriert (Spaltenfrost), wobei sich die Spalten ausdehnen, nach dem Schmelzen des Eises noch mehr Wasser in die nunmehr vergrößerten Spalten gelangt und durch dieses wiederholte Auftauen und Gefrieren letztendlich das Gestein zerspringt. Dieser Prozess wird auch als Frostsprengung bezeichnet.

Ein häufiger Wechsel von Gefrieren und Wiederauftauen (Frost-Tauzyklen) des Substrats des Gestein und des Bodens sind entscheidend für die Intensität frostbedingter Verwitterung und frostbedingten Gesteinszerfalls. Starke Abkühlung des Gesteins in strahlungsreichen Frostnächten bei gleichzeitiger hoher Einstrahlung und Erwärmung am Tage bilden ideale Voraussetzungen zur Bildung von Frostschutt. Auch unter Schnee kann es durch wechselndes Gefrieren und Auftauen des Untergrundes zu Frostverwitterung kommen, ein Prozess, der als Nivation bezeichnet wird.

Frostsprengung im anstehenden Gestein und Eisbildung im gelockerten Substrat stellen einen der wichtigsten physikalischen Verwitterungsprozesse dar. Durch Frostsprengung wird Schutt aller Größenordnung aber auch Feinmaterial bis zur Schlufffraktion in großen Mengen erzeugt. Physikalische Verwitterung und Gesteinsaufbereitung sind typisch für die nivale und die periglaziäre Höhenstufe der Gebirge.

Blockhalden und Felsenmeere

Blockhalden sind große Ansammlungen von meist granitischen oder quarzitischen Gesteinsblöcken mit Durchmessern über 20 cm. Sind diese Blockhalden großflächig, werden sie als Block- oder Felsenmeere bezeichnet. Sie entstehen vor allem durch Frostsprengung der Gesteinsklüfte.

Anmerkung: Die vielfältigen Formen von Hoodoos, Erdpyramiden, Pinnacles, Felsnadeln etc., welche fast immer Produkte des Zusammenspiels physikalischer Verwitterung (z.B. Frosttau) und abrasiver Kraft des Windes sind, werden eingehend im Kapitel Erosion beschrieben.


Frostsprengung
Frostsprengung
Folgen der Frostsprengung in Gestein Wilkins Mountains, Antarktis
Copyright: USGS, P. Carrara; Contribution: bardenoki
Encyclopedia: Verwitterung
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License: Public Domain
Frostsprengung

Folgen der Frostsprengung in Gestein Wilkins Mountains, Antarktis

USGS, P. Carrara
Frostsprengung
Frostsprengung
Shepard Formation, Boulder Pass area, Glacier National Prk, Montana, USA.
Copyright: USGS, P. Carrara; Contribution: Collector
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Frostsprengung

Shepard Formation, Boulder Pass area, Glacier National Prk, Montana, USA.

USGS, P. Carrara
Frostsprengung
Frostsprengung
Yosemite National Park, California, USA
Copyright: USGS, E. Mathes; Contribution: Collector
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Frostsprengung

Yosemite National Park, California, USA

USGS, E. Mathes

Salzverwitterung

Prinzip der Salzverwitterung
Prinzip der Salzverwitterung
dargestellt am Beispiel einer Mauer in Gozo, Malt
Copyright: Dr. Suzanne Mac Leod; Contribution: Collector
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Prinzip der Salzverwitterung

dargestellt am Beispiel einer Mauer in Gozo, Malt

Dr. Suzanne Mac Leod
Salzverwitterung an Sandstein
Salzverwitterung an Sandstein
Qubustan, Aserbeidschan, mit prähistorischen Petroglyphen
Copyright: Public Domain; Contribution: Collector
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Salzverwitterung an Sandstein

Qubustan, Aserbeidschan, mit prähistorischen Petroglyphen

Public Domain

Eine mechanische schalenartige Zerstörung von Gesteinen und Mineralien durch den Sprengdruck, welche bei der Kristallisation von Salzen aus wässrigen Lösungen oder bei Wasseraufnahme (Hydration) entsteht, wird auch als Salzsprengung bezeichnet. Durch die Ausdehnung der gelösten Salze in Risse und Spalten wird das Gestein gesprengt. Charakteristisch für die Salzsprengung sind schuppige und körnige Gesteinsoberflächen, welche durch die Salzlösungen entstehen, die bei der Verdunstung an die Oberfläche steigen, ausfällen und kristallisieren.

Ein typisches Beispiel ist die Salzsprengung von Anhydrit, welcher bei Wasseraufnahme an seiner Oberfläche quillt und sich dabei in Gips umwandelt.

CaSO4 (Anhydrit) + H2O → CaSO4 (Gips) * H2O

Dadurch findet eine Volumenvergrößerung bis zu 60% statt und die unter der Oberfläche liegenden Gesteinsschichten werden gesprengt, wobei Drücke bis zu 110 MPa enstehen können.


Hydration

Hydrationsverwitterung
Hydrationsverwitterung
Tektonische Brekzien durch Hydration von Anhydrit; Quebrada de la Penas; Atacama, Chile
Copyright: USGS, K. Segerstrom; Contribution: Collector
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Hydrationsverwitterung

Tektonische Brekzien durch Hydration von Anhydrit; Quebrada de la Penas; Atacama, Chile

USGS, K. Segerstrom

Hydration ist die direkte Anlagerung von Wassermolekülen an Ionen oder ionisierte Seitenketten von Molekülen, resp. das Einlagern von Wassermolekülen in das Kristallgitter von Mineralien. Dabei bildet sich über Ion-Dipol-Wechselwirkung eine erste Hydrathülle. Durch Wasserstoffbrückenbindung werden weitere Wassermoleküle locker zu weiteren Hydrathüllen gebunden. Durch die dadurch verursachte Volumenzunahme kommt es zu Vergrusungserscheinungen.

Die Hydration ist eine Form der physikalischen Verwitterung und darf nicht verwechselt werden mit der Hydrolyse, bei welcher die Mineralien mit den geladenen Ionen des Wassers reagieren. Es ist jedoch nicht unüblich, dass die Hydrationsverwitterung auch als eine Form der chemischen Verwitterung gezählt wird. Gelegentlich wird an Stelle von Hydration auch das Synonym Hydratation in der Literatur verwendet, welches international aber unüblich ist.


Druckentlastungsverwitterung (Exfoliation)

Exfoliation-Druckentlastungsverwitterung
Exfoliation-Druckentlastungsverwitterung
Quartz Mountain, Greer County, Oklahoma, USA; Um 1900;
Copyright: USGS, J. A. Taff; Contribution: Collector
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Exfoliation-Druckentlastungsverwitterung

Quartz Mountain, Greer County, Oklahoma, USA; Um 1900;

USGS, J. A. Taff
Verwitterung-Exfoliation
Verwitterung-Exfoliation
Exfoliation-Druckentlastung; Quarz-Monzonitblock, Washington County, Rhode Island, USA. USGS Public Domain
Copyright: USGS, T. N. Dale; Contribution: Collector
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Verwitterung-Exfoliation

Exfoliation-Druckentlastung; Quarz-Monzonitblock, Washington County, Rhode Island, USA. USGS Public Domain

USGS, T. N. Dale

Unter Exfoliation versteht man die Ablösung nicht selten mächtiger konvexer Gesteinsschalen von der darunter befindlichen Gesteinsmasse. In der Vergangenheit nahm man an, dass diese Ablösungsprozesse in Gesteinen durch Volumenwechsel als Resultat chemischer Attacken durch Feuchtigkeit waren. Des Weiteren unterschied man zwischen physikalischer (mechanischer) Exfoliation durch Insolation und spheroidaler Verwitterung durch chemische Prozesse wie Hydration. Aktuell wird angenommen, dass die Schalenablösung ein weitverbreiteter physikalischer Prozess ist, welcher auf Druckentlastung beruht. D.h., die Reaktion des Gesteins auf die Verminderung des das Gestein belastenden Auflagerungsdrucks durch die Abtragung überlagernder Gesteinsmassen.

In größeren Tiefen unter der Erdoberfläche gebildete Gesteine (Plutonite und Metamorphite) befinden sich in einem komprimierten Zustand wegen der Last des sie tragenden überlagernden Gesteins. Gelangen diese Gesteine an die Oberfläche, dehnen sie sich aus, wobei sich bei diesem Prozess konvexe Gesteinsplatten von der Gesteinsmasse lösen. Die Trennflächen zwischen den Schalen bilden ein System von Spalten, welche als Druckentlastungsklüfte bezeichnet werden.

Entwickeln sich Druckentlastungsklüfte über dem Gipfelbereich einzelner großer Gesteinskörper, entstehen Exfoliationskuppen. Ein bekanntes Bespiel für solche Formationen sind der Zuckerhut in Rio de Janeiro und die gewaltigen Kuppen im Yosemite Nationalpark in Kalifornien.

Schalenablösung von zum Teil mächtigen, konvex geformten Gesteinsplatten, bevorzugt an Inselbergen und Glockenbergen in Massengesteinen; Ursachen der Schalenablösung sind vor allem Insolations- und Hydratationsverwitterung. Bei der Ablösung ist vermutlich nachlassender Auflagerungsdruck verantwortlich.


Quelldruckverwitterung

Quelldruckverwitterung
Quelldruckverwitterung
Zerstörung des Gesteinsverbandes durch Volumenänderung von Ton; Clutina River, Copper River Region, Alaska; 1902
Copyright: USGS, W. C. Mendehall; Contribution: Collector
Image: 1263658523
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Quelldruckverwitterung

Zerstörung des Gesteinsverbandes durch Volumenänderung von Ton; Clutina River, Copper River Region, Alaska; 1902

USGS, W. C. Mendehall
Quelldruckverwitterung
Quelldruckverwitterung
von Tonmineralien; Benwood, Noble County, Ohio, USA; Foto um 1914;
Copyright: USGS, D. D. Condit; Contribution: Collector
Image: 1263658334
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Quelldruckverwitterung

von Tonmineralien; Benwood, Noble County, Ohio, USA; Foto um 1914;

USGS, D. D. Condit

Durch quellfähige Tonmineralien kommt es bei Wechsel von Durchnässung und Trocknung zu Volumenänderungen, was den Gesteinsverband zerstören kann. Die Vergrößerung des Volumens entsteht in diesem Fall durch Wasseraufnahme und -abgabe hydrophiler, quellfähiger Tonminerale (wesentlich Mineralien der Smectit-Gruppe wie Beidellt, Hectorit, Montmorillonit, Nontronit, Saponit, Sauconit und Volkonskoit sowie des Gesteins Bentonit, welches hauptsächlich aus Montmorillonit besteht). Der Prozess der Quellung (und Schrumpfung) von aktiven Tonmineralien wird auch als Bodenkriechen bezeichnet. Das Quellen der Tonmineralien führt zu einer Veränderung der plastischen Eigenschaften sowie zu geringerer Durchlässigkeit infolge der Verringerung des Porenvolumens, letztlich zu einer Gefügelockerung. Mit zunehmender Wassersättigung nimmt die Bodenkonsistenz ab und die Kohäsion sinkt.



Detritales Material

Über viele Millionen Jahre sorgen Wind, Eis und Wasser für Verwitterung und Erosion freiliegender Felsen in den Gebirgen, aus denen im Laufe der Zeit kleinstückiger Hangschutt und Geröll entstehen. Gletschereis und Wasser bringen dieses Material talwärts. Auf dem Weg vom Gebirge zum Meer wird das kantige Felskorn je nach Festigkeit des Gesteins weiter zerkleinert und an der Oberfläche immer mehr abgerundet; Kies und Sand sind entstanden.

Als detritales Material bezeichnet man Partikel von Mineralien (seltener Gesteinen), welche aus ehemaligen Gesteinen durch mechanische (physikalische) Verwitterung (Erosion) übriggeblieben sind und durch Flüsse transportiert und weggeschwemmt wurden und sich dann im Schwemmgebiet des Flusses abgelagert haben.

Detritale Mineralien sind i.d.R. schwer (Schwermineralien), chemisch stabil, verwitterungsbeständig und widerstehen mechanischem Abrieb oder Zersplitterung/Spaltung.

Zu den wichtigsten detritalen Mineralien gehören Kassiterit, Gold, Diamanten, Ilmenit, Rutil sowie Platin, Palladium und Rhodium

Bekannt sind vor allem Gold-, Titan-, Zinnerz-, Platin-Rhodium-Rhenium-Seifen oder die Seifen diverser Edelsteine. Edelstein-Seifen stellen in der Regel im Vergleich zu primären Vorkommen den besseren Lagerstätten-Typ dar. Erstens liegen Seifen i.d.R. oberflächennah und sind kostengünstig gewinnbar (Bagger im Tagebau), zweitens findet sich eine höhere Konzentration und drittens ist die Qualität der Steine besser (nur die "guten" Edelsteine haben den Transport überlebt, rissige oder inhomogene Steine sind fort)



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