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Verwitterung und Erosion

Biogene Verwitterung

auch als organische Verwitterung bezeichnet.


Biogene (biologische, organische) Verwitterung ist der generelle Name für biologische Verwitterungsprozesse durch Mikroorganismen, Pflanzen oder Tiere, bei denen Gesteine zerstört werden. Diese bedeutende Verwitterung wird durch Bioturbation, u.a. Wachstumsdruck von Pflanzenwurzeln (Wurzelsprengung) oder durch die Aktivität in der Erde oder in Weichgesteinen grabender und wühlender Tiere hervorgerufen. Auch Organismen wirken chemisch auf die Gesteine, z.B. Flechten auf Mauern und Felswänden, teilweise durch die Bildung von Zersetzungsmaterialien wie Humus-, Schwefel- und Kohlensäure, welche wiederum chemisch verwitternd wirken. Folge der biologischen Verwitterung sind Lockermassen, aus welchen sich Böden bilden.


Bioturbation

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Grabgänge durch Bivalven
(Gastrochaenoliten)
Carmel Formation, Mittl. Jura
Südutah, USA
Foto: Mark A. Wilson

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Bohrlöcher in Kalkstein
Kreidezeit
Faringdon, England
Foto: Mark A. Wilson

Bioturbation ist der generelle Ausdruck für die organische Verwitterung von Sedimenten oder Böden durch lebende Organismen. Verursacher der Bioturbation sind Bakterien und Pilze, Bodenorganismen, Baum- und Graswurzeln, Grabungen durch Nager oder Ameisen sowie Würmer, welche sich in sedimentäre Gesteine hineinfressen, Grabungsspuren und Gänge bilden und schließlich Sedimente ausscheiden.

Durch Bioturbationsprozesse in Gesteinen und Böden wird einerseits die Durchlässigkeit für Wasser und Luft erleichtert, andererseits werden die Sedimente gelockert und leichter transportierbar. Der Bioturbationsgrad bezeichnet in einer Schicht den prozentualen Anteil des bioturbierten Sediments.


Wurzelsprengung

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Wurzelsprengung eines Gneisblocks
Route de Batère, oberes Vall d'Espir
Pyrenées Orientales, Frankreich
Foto: Collector 2010

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Wurzelsprengung einer Mauer
Angkor Wat Tempelanlage
Kambodscha
Foto: CIA World Fact Book

Beim Wachstum von Bäumen, Büschen und Gräsern dringen deren Wurzeln selbst in feinste Risse und Klüfte des Gesteins ein. Wachsen diese Wurzeln, so füllen sie entweder die Kluft aus oder drücken, treiben, bzw. sprengen die Gesteinsblöcke zu beiden Seiten der Kluft auseinander. Dadurch wird die Gesteinsoberfläche innerhalb der Klüfte gelockert, abgeschuppt und zu Gesteinskörnern verwittert. Aufgrund der Kraft, welche die Wurzel ausüben, wird die Wurzelsprengung bei manchen Autoren als physikalische Verwitterung betrachtet. Von der Logik her sind Wurzeln jedoch lebende Organismen, welche zur biogenen (organischen) Verwitterung beitragen.


Chemisch-biotische Verwitterung

Den Teilprozess der biochemischen Verwitterung, durch welchen Fe, Al, Mn und Schwermetalle durch organische Säuren komplex gebunden werden, bezeichnet man als Komplexierung (z.B. die organo-metallische Verwitterung). Die Verwitterung wird durch Komplexierung beschleunigt (Gleichgewichtsverschiebung).

Einfache organische Säuren wie Zitronensäure, Weinsäure und Salicylsäure verstärken die verwitternde Wirkung der Kohlensäure, indem sie mit Metallen (vor allem Fe, Al und Mg) sehr stabile, zum Teil lösliche, zum Teil unlösliche Verbindungen Chelatkomplexe bilden. Sie entstehen durch Freisetzung bei mikrobiellen Abbauprozessen, bei der Zersetzung abgestorbener organischer Substanz oder werden von den Wurzeln lebender Pflanzen abgegeben.

Humus aus abgestorbenen pflanzlichen und tierischen Resten enthält einen großen Anteil an Huminsäuren, die gesteinszerstörend wirken. Durch mikrobielle Säurebildung, Oxidationen und Reduktionen kann es zur Auflösung von Mineralien kommen.


Gesteinsverwitterung durch Flechten

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Flechten auf einem Menhir
Aligments du Ménec, Bretagne
Frankreich
Foto: bardenoki

Sowohl die von Pflanzenwurzeln oder von bestimmten Flechten abgesonderten organischen Säuren greifen das Kristallgitter von Mineralien an und zerlegen das Gestein in einzelne Komponenten.

Untersuchungen an den Schnittstellen von Flechtenarten und Gesteinssubstraten lassen den Schluss zu, dass das Wachstum bestimmter Flechtenarten die physikalisch-chemische Verwitterung von Mineralien beschleunigen kann.

Physikalische Effekte sind der mechanische Gesteinszerfall durch hyphale Penetration, Ausdehnung und Kontraktion des Flechtenthallus sowie die Erhöhung der organischen und anorganischen Salze, welche auf der Flechtenaktivität beruhen.

Wesentlicher chemischer Effekt ist die Absonderung verschiedener organischer Säuren, besonders Oxalsäure, welche sehr effizient Mineralien lösen kann. Manche Flechten sind reich an Chelatbildnern, welche die Elemente des sich zersetzenden Gesteins in organo-metallische Komplexe einbinden. Eines der Resultate dieser durch Flechten erzeugten Verwitterung sind deutlich korrodierte Oberflächen der gesteinsbildenden Mineralien.

Einige dieser Flechten sind epilithisch, d.h. auf der Oberfläche der Gesteine lebend, einige endolithisch, in dem Sinne, dass sie aktiv in die Gesteinsoberfläche eindringen, andere wiederum chasmolithisch, also in Rissen, Spalten und Hohlräumen des Gesteins lebend.


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Gesteinsverwitterung durch Flechten
auf einem Grabstein
Rock of Cashel, Cashel, Tipperary, Irand
Foto: Jon Sullivan

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Flechtenbewuchs auf nacktem Vulkangestein
Puerto de Santiago, Teneriffa
Foto: bardenoki

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Flechtenbefall
an einer Mauer der Ebernburg
Foto: bardenoki

Durch Flechten verursachte Verwitterungsmechanismen und deren Verwitterungsprodukte (nach Robinson et al., 1994)

Mechanismus

Verwitterungsprodukt

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Chelatierung extrazellularer löslicher Verbindungen

Rinnen und Furchen an endolithischen Thallus-Schnittstellen

Angriff durch Oxalsäure

Ätzung der Mineralien

Angriff durch Wasser, welches durch Kohlendioxid angesäuert ist

Präzipitation von Verwitterungsprodukten, z.B. Calciumoxalat, welche oder welche nicht eine Rolle in weiteren Verwitterungsprozessen spielen können

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Rhizinen-(Haftfasern der Flechten)-Penetration

Exfoliation der Gesteinsoberflächen

Expansion der Thalli sowie Kontraktionen durch Befeuchtung und Trocknung

Gesteinssprengung und Anstieg des Porenvolumens



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