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VERWITTERUNGFr die Chemie der Bden und Gewsser spielt die Verwitterung eine entscheidende Rolle.

Fr die Chemie der Bden und Gewsserspielt die Verwitterung eine entscheidende Rolle.VerwitterungFoto: F. JirsaEntstehung von KalksinterDie Lslichkeit von CaCO3 in Wasser nimmt mit steigender Temperatur abDie Lslichkeit von CO2 in Wasser nimmt ebenfalls mit steigender Temperatur abAusgasen von CO2, Erhhung des pH infolge des Verbrauchs von CO2 bei der Photosynthese im Wasser durch Algen oder Wasserpflanzen, sowie Erwrmung fhren zur bersttigung an CaCO3 und Auskristallisieren von Calcit oder (seltener) Aragonit (in heien Quellen) 2Das Wasser nimmt aus den verwitterten Mineralien Bestandteile auf, es trifft auf seinem Wege in der Erde mit Wasser, das von anderen Mineralien andere Bestandteile aufgenommen hat, zusammen und die gelsten Stoffe vereinigen sich zu zu frischen Mineralien, die ihrerseits wieder der Verwitterung anheim fallen. So herrscht auf der Erde ein ununterbrochenes Werden und Vergehen der anorganischen Mineralien vergleichbar dem Werden und Vergehen der organischen Geschpfe auf der Erde und diese selbst knnen nur dadurch leben, dass Mineralien zerstrt werden. Aus der Lsung, die bei der Verwitterung entstehen, nehmen die Pflanzen ihre Nahrung auf und von den Pflanzen nhren sich die Tiere.So kann man sagen, dass ohne die Verwitterung der Mineralien kein Leben auf der Erde mglich ist. (R. Brauns, Mineralogie, 1929)Verwitterung: Ursache der Wasserhrte und der Fruchtbarkeit von Boden und GewssernTemporre Hrte (= Carbonathrte): Anteil an Calcium- und Magnesiumhydrogencarbonat

Permanente Hrte (=Sulfathrte): erfasst die gelsten Calcium- und Magnesiumsalze der Salzsure, Schwefelsure, Salpetersure u.a.

Pflanzennhrstoffe werden freigesetzt: Sulfat, Phosphat, Kieselsure, K+, Mg2+, Cl-, Fe2+/3+,Mn2+, Zn2+, Cu2+ u. a. Die Verwitterung arbeitet mit physikalischen, chemischen und biologischen Mitteln.Sie wirkt besonders stark, wo die Verwitterungsprodukte rasch weggefhrt werden, sodass immer neues, unverwittertes Gestein ihrem Angriff zugnglich wird.Sich ansammelnde Verwitterungsrckstnde bilden dagegen eine Schutzdecke, welche die weitere Verwitterung bremst.

Physikalische VerwitterungDie physikalische Verwitterung bewirkt den mechanischen Zerfall des Gesteins.

Die chemische Verwitterung findet an der Grenzflche fest/flssig statt.

Das Ausma der chemischen Verwitterung hngt somit von der Gre dieser Grenzflche ab.

Die physikalische Verwitterung steht daher am Anfang.

Sie ermglicht durch Vergrerung der Oberflche des Gesteins erst die chemische Verwitterung in einem nennenswerten Umfang. Mechanismen der Physikalischen VerwitterungThermische VerwitterungFrost-VerwitterungVerwitterung durch Schwelldruck von TonVerwitterung durch Wasserbewegung und EisbewegungVerwitterung durch WindBiologisch-Physikalische VerwitterungRauchgas-VerwitterungThermische VerwitterungBeruht auf dem wiederholten Wechsel zwischen Erwrmung und Abkhlung des Gesteins: Ausdehnung und Kontraktion im tglichen Rhythmus.Volumen-Schwankungen rufen Spannungen im Gesteinsinneren hervor. Dadurch entstehen Drucke bis 54.5 MPaWirkt besonders stark, wenn die Mineral-Komponenten verschiedene thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen.Gesteine besitzen geringe Wrmekapazitt und geringe Wrmeleitfhigkeit. Daher kommt es zu groen Temperaturgradienten von auen nach innen.Dunkle Gesteine erwrmen sich an der besonnten Oberflche bis 80C.Nchtliche Abkhlung Temperaturschwankungen in der Grenordnung von 100C.Auenschale eines Gesteinsblocks bewegt sich gegenber dem gleichmig temperierten Kern.Es lsen sich Schuppen und Schalen.

Mars

Sahara

NASASchuttwstenFrost-VerwitterungBeruht auf der Volumen-Zunahme, die bei der Kristallisation des Wassers eintritt (ca. 9%).

Wasser entwickelt bei -22C einen Druck von 220 MPa, wenn das frierende Wasser allseitig von Gestein umgeben ist.

Geschieht vor allem in Gesteinsspalten und Poren mit verstopften ffnungen, was der Gefriervorgang selbst bewirkt, indem sich der Hals der Pore zuerst schliet.

Der hufige Wechsel - gefrieren und wieder auftauen - fhrt dazu, dass sich Risse, Fugen und Spalten immer mehr ffnen und das Gestein schlielich in scharfkantige Trmmer zerfllt.

Die groe Bedeutung der Frostverwitterung zeigen eindrucksvoll die Blockmeere und Schutthalden der polaren Gebiete und der Hochgebirge.

Durch Frostverwitterung (Spaltenfrost) stark aufgelockerter Zentralgneis (Hoher Sonnblick)Allseitiger Druck setzt den Gefrierpunkt des Wassers um ca. 0.8C/Bar herab.

Auch die in den feinen Poren toniger Sediment wirksamen Oberflchenkrfte setzen den Gefrierpunkt herab.

Daher wird die Frostverwitterung erst ab Temperaturen unter -10C wirksam.

Die Sprengkraft des Frostes ist eine Funktion des Grades der Porositt des Gesteins sowie der Wasserfllung der Poren.

Der Frost dringt in Mitteleuropa bis in 1.5 m tief in den Boden ein.

Da der Frostdruck die Bodenpressung eines Gebudes weit bersteigen kann, ist eine frostfreie Grndungstiefe fr Bauvorhaben aller Art notwendig.

Beim Trocknen quellfhiger Tonminerale erfolgt Schrumpfung, es entstehen Schwundrisse.Beim Durchfeuchten schwillt die Ton-Substanz wieder. Verwitterung durch Schwelldruck von TonmaterialTonmaterial (sehr feinkrniges Material, aus Schichtsilikaten wie Montmorillonit bestehend) kann durch Wasseraufnahme eine Volumenzunahme aufweisen.

Dieser Schwelldruck wirkt in Gesteinsklften hnlich wie Spaltenfrost.

Druck 2 MPa.

Im wechselfeuchten Klima (also bei uns) bewirkt dieses Verhalten eine Durchbewegung der Bden.

Flussschotter

GletscherschliffVerwitterung durch Wasserbewegung und durch Eisbewegung

In Fliegewssern und im Kstenbereich wird das mitgefhrte Geschiebe rund abgeschliffen, zu Schottersteinen und schlielich zu Sand zerkleinert.

Die rollende Bewegung durch das Wasser ist eine an die Ksten der Meere und der greren Binnenseen gebundene Erscheinung, die an Flssen und Strmen nicht in gleicherweise zu beobachten ist. Die Brandungswellen rollen tatschlich die Gesteinstrmmer und erzeugen durch ihre Abntzung jene kugeligen oder walzenfrmigen Krper, welche fr marine Schotter so bezeichnend sind. Das flieende Wasser hingegen trgt feinere Gesteinsteilchen in der Trbung schwebend fort und schiebt das grbere Material auf dem Grund des Flubettes talwrts. (R. Hoernes)

Verwitterung durch Wind

Vom Wind mitgefhrter Sand formt festes Gestein (vor allem in Wsten). Felsen werden entsprechend der vorherrschenden Windrichtung in Stromlinienform abgeschliffen.

Biologisch-Physikalische VerwitterungIm Untergrund sich ausbreitende Wurzeln lockern Gestein durch Wachstumsdruck. Osmotische Sprengwirkung, die 1.5 MPa erreichen kann!

Im Boden whlende Tiere knnen das Gestein zwar nicht zerkleinern, aber sie lockern auf und gewhren dadurch anderen Verwitterungsarten besseren Zutritt.

Der Stephansdom ist aus Kalksandstein erbaut (Rmersteinbruch St. Margarethen)

Durch Verwitterung entstellter WasserspeierRauchgas-VerwitterungCaCO3 wird durch SO2 in CaSO3 und mit O2 in CaSO4 umgewandelt. CaSO4 wandelt sich durch Wasseraufnahme in Gips um CaSO4 2 H2O

Die Aufnahme von Kristallwasser bewirkt eine Volumen-Zunahme der Kristalle: Sprengwirkung bei der Auskristallisation.

Im Regenschatten verwittern die Bauwerke oft rascher als auf der Schlagwetter-Seite, weil hier die schdlichen Salze ausgewaschen werden.

Chemische VerwitterungDie Erdkruste enthlt Minerale, die unter den Bedingungen der Erdoberflche thermodynamisch nicht stabil sind:

Sauerstoffgehalt der AtmosphreAnwesenheit von Wasser und CO2Chemische Verwitterung:Sehr langsame Prozesse an der Grenzflche fest/flssigVerwitterungslsung= mobile PhaseEnthlt gelste Salze, Suren, organische Komplexliganden, gelste GaseDer Sauerstoffgehalt der Verwitterungslsung bestimmt das Redoxpotential

Chemische VerwitterungAuflsung bzw. Zersetzung bestimmter Gesteinskomponenten beim Zutritt von wssrigen Lsungen.Whrend die physikalische Verwitterung nur wenige Meter in die Erdkruste hinein wirkt, kann die chemische Verwitterung u.U. hunderte Meter hinunterreichen.Hier bewegen sich Grundwsser unterschiedlichsten Alters abwrts und aufwrts. Der Endzustand der chemischen VerwitterungBei der chemischen Verwitterung zerfallen die Gesteine, wobei sich die einzelnen Minerale teils in lsliche Bestandteile, teils in einen unlslichen Verwitterungsrest umwandeln.Die lslichen Stoffe werden ausgewaschen.Der Endzustand der chemischen Verwitterung ist ein unlslicher Verwitterungsboden wie Ton oder Bauxit.Die Zusammensetzung des Verwitterungsrckstandes hngt vom Klima ab. In khl-humiden und gemigten Klimaten: Siallitische Verwitterung.In semi-ariden und ariden Klimaten: Allitische Verwitterung.

mol L-1 atm-1Verwitterung von Calcit, offenes System (bei 101 325 Pa = Normaldruck)0.038% v/v CO2 in der AtmosphrepH=8.3[Ca2+] = 5x10-4 mol/L entspricht 2.8dH3% v/v CO2 in der BodenluftpH = 7.02[Ca2+] = 2.8x10-3 mol/L entspricht 15.7dH

1dH = formal 10mg CaO in 1 Liter Wasser Effekt der Landpflanzen auf die VerwitterungDurch den (mikrobiellen) Abbau von Pflanzenresten im Boden wird CO2 produziert und in der Bodenlsung angereichert

Die Anwesenheit der Vegetation beschleunigt die CO2-Verwitterung daher um das 100 150 fache

Dadurch entzieht ein Wald-kosystem in sterreich der Atmosphre im Jahr ca. 20 g C/m2 also 200 kg C/ha

Dieser Kohlenstoff wird als Ca(HCO3)2 ins Meer transportiert und dort als CaCO3 ausgefllt. Die Hlfte des gebundenen CO2 wird dabei frei, die andere Hlfte in den Carbonatsedimenten dauerhaft gespeichert.

Die Flsse sind netto-heterotroph, d.h. sie sind gegenber der Atmosphre CO2 bersttigt und knnen daher viel Ca(HCO3)2 aus der kontinentalen Kohlensure-Verwitterung in Lsung halten und in die Ozeane transportieren.Quelle: Peter A. RaymondNature 436, p. 469, 2005

Quelle: Biologische Station Lunz/SeeCarbonatsystem der Gewsser: Geschwindigkeit der GleichgewichtseinstellungThermodynamisches Gleichgewicht stellt sich in der wssrigen Lsung im Allgemeinen rasch ein

Gewsser sind meist nicht im Gleichgewicht mit der Atmosphre, weil biologische Prozesse im Wasser CO2 schneller produzieren oder konsumieren als der CO2 Transfer zwischen der Atmosphre und dem Wasser erfolgt.

Bildung und Auflsung von CaCO3 knnen verzgert erfolgen.

Metastabile Gleichgewichte: Aragonit (orthorhombisch) ist in einem natrlichen Wasser thermodynamisch weniger stabil als Calcit (trigonal). Unter bestimmten Bedingungen kann sich Aragonit gegenber Calcit metastabil verhalten.

SilicateSilicate sind die dominierenden gesteinsbildenden Minerale in der Erdkruste.Primre Silicate: sind aus dem Magma durch Erstarrung hervorgegangen.Sekundre Silicate: metamorphe Gesteine sowie die durch Verwitterung der primren Silicate entstandenen Tonminerale.

Kugelmodelle: SiO4 Tetraeder und FeO6 Oktaedernur die obere Darstellung ist mastblich, in den unteren Darstellungen sind die Sauerstoffionen verkleinert.

Silicatstrukturen: Ketten- Band- und Schichtsilicate (Tetraedermodell)Quelle: Scheffer/Schachtschabel

Quelle: Scheffer/Schachtschabel

GlimmerstrukturQuelle: Scheffer/Schachtschabel

Tetraedermodell eines AlbitsNatronfeldspat NaAlSi3O8Quelle: Scheffer/Schachtschabel

Quelle: Scheffer/Schachtschabel

Bedeutung der SilicatverwitterungNatrliche Fruchtbarkeit und Elektrolytgehalt von Bdenberfhrung der Kieselsure in LsungAnreicherung von Alkali- und Erdalkalimetall-Ionen in WssernBildung von austauschaktiven Tonmineralen

Gelste KieselsureFlusswasser und Meerwasser enthalten gelste Kieselsure in sehr geringen KonzentrationenDaher keine chemische AusfllungIm SiO2 Kreislauf des Ozeans ist Ausfllung von Kieselsure nur durch Organismen mglich!Radiolarien, Diatomeen und Kieselschwmme bauen ihre Skelette aus Opal aufEs setzen sich schlielich Diatomeen- und Radiolarienschlmme ab (1010 Tonnen SiO2 jhrlich)Im Swasser bildet sich porse Diatomeenerde (Kieselgur)Diatomeen (=Kieselalgen) liefern 20 -25% der gesamten Primrproduktion der Erde!