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Verwitterung und Erosion

BILD:1265408450 Charakteristische Frostverwitterung
mit mächtigem Talus (Schuttrampe)
Drei Zinnen, Sextener Dolomiten, Südtirol
Entstanden im Trias vor 200 - 220 Mio. Jahren
Foto: Walter Wegscheider

Physikalische 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)

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The Maltese Cross
Durch Insolation und Korrasion verwitterter Sandstein
Cedern-Berge, Südafrika
Foto: Marcel Muschalla

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.


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Physikalische Verwitterung durch Insolation und Korrasion
Mojave-Wüste, Kalifornien, USA
Foto: USGS

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Insolationsverwitterung an Sandstein
Obliskengrab der Nabatäer
Petra, Jordanien
Foto: Archiv: Collector

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Thermische Verwitterung eines Massivs vulkanischer Gesteine durch Insolation
Kula, Yanikyöre Vulkanfeld
Provinz Manisa, Aegäische Region, Türkei
Foto: Mete Atayata


Desquamation

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Schalige Ablösung
der Oberflächen eines Gneisblocks
Nesvatn, Grenze Telemark-Aust Agder, Norwegen
Foto: Gerda Emma Wimmer
Archiv: Collector

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.


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Half Dome Granodiorit
Yosemite National Park, Kalifornien
Seine gerundeten Formen in Gipfelnähe entstanden durch Desquamation
Foto: Jon Sullivan

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Beginnende Desquamation eines Granitfelsens
mit partieller Vergrusung
des verwitterten Materials
Karlu Karlu (Devils Marbles), Nahe Tennant Creek
Northern Territory, Australien
Foto: Roll-Stone

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Desquamation an einer Felswand
Yosemite National Park
Kalifornien, USA
Foto: USGS


Kernsprung

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Thermische Verwitterung durch Kernsprung
(Temperatursprengung)
Karlu Karlu (Devils Marbles) nahe
Tennant Creek, Northern Territory, Australien
Foto: 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.


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Ein durch Kernsprung halbierter Findling
Neuenkirchen bei Steinfurt, NRW
Foto: Zumthie 2007

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Kernsprung eines Granitblockes
Kleine Spitzkoppe
Damaraland, Namibia
Foto: Collector

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Durch Kernsprung verwitterte Granitkugel
Krishnas Butterball
Mahabalipuram, Tamil Nadu, Indien
Archiv: Collector


Frostverwitterung (Kyroklastik)

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Frostsprengung eines Gneisblocks
Canigou-Massiv, östl. Pyrenäen,
Oberes Vall d'Espir, Pyrenées-Orientales
Frankreich
Foto: 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.


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Folgen der Frostsprengung in Gestein
Wilkins Mountains, Antarktis
Foto: P. Carrara, 1978, USGS

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Frostgespengte Blöcke
Shepard Formation
Boulder PAss area, Glacier National PArk
Montana, USA
Foto: P. Carrara, 1981, USGS

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Frostsprengung
Yosemite National PArk
Kalifornien
Foto: F. Mathes, 1914, USGS


Salzverwitterung

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Prinzip der Salzverwitterung
dargestellt am Beispiel einer Mauer in Gozo, Malta
Foto: Dr. Suzanne MacLeaod

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Salzverwitterung an Sandstein
mit prähistorischen Petroglyphen
Qubustan, Aserbeidshan

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

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Hydrationsverwitterung
Brekzie durch Hydration von Anhydrit
Quebrada de las Penas, Atacama-Wüste, Chile
Foto: K. Segerstrom; USGS

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)

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Charakteristisches Beispiel einer Druckentlastungsverwitterung eines Granitblocks mit typischer Exfoliation
Quartz Mountain, Greer County, Oklahoma, USA
Foto: J.A. Taff; USGS

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Schalenablösung durch Druckentlastung
an einem Quarz-Monzonit-Block
Washington County, Rhode Island, USA
Foto: T.N. Dale, 1906, USGS

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

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Quelldruckverwitterung
Zerstörung des Gesteinsverbandes durch Volumenänderung
Gestein: Boulder Clay (Ton)
Klutina River, Copper River Region, Alaska
Foto: W.C. Mendehall, 1902, USGS

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Quelldruckverwitterung von Tonmineralien
Benwood, Noble County, Ohio, USA
Foto: D.D. Condit, 1914, USGS

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.




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