VERWITTERUNG

1. Verwitterung VERWITTERUNG Für die Chemie der Böden und Gewässer spielt die Verwitterung eine entscheidende Rolle. Für die Chemie der Böden und Gewässer spielt die Verwitterung eine entscheidende Rolle. Foto: F. Jirsa

2. Entstehung von Kalksinter • Die Löslichkeit von CaCO3 in Wasser nimmt mit steigender Temperatur ab • Die Löslichkeit von CO2 in Wasser nimmt ebenfalls mit steigender Temperatur ab • Ausgasen von CO2, Erhöhung des pH infolge des Verbrauchs von CO2 bei der Photosynthese im Wasser durch Algen oder Wasserpflanzen, sowie Erwärmung führen zur Übersättigung an CaCO3 • und Auskristallisieren von Calcit oder (seltener) Aragonit (in heißen Quellen)

3. „Das 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 gelösten 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 Geschöpfe auf der Erde und diese selbst können nur dadurch leben, dass Mineralien zerstört werden. Aus der Lösung, die bei der Verwitterung entstehen, nehmen die Pflanzen ihre Nahrung auf und von den Pflanzen nähren sich die Tiere. • So kann man sagen, dass ohne die Verwitterung der Mineralien kein Leben auf der Erde möglich ist.“ (R. Brauns, Mineralogie, 1929)

4. Verwitterung: Ursache der Wasserhärte und der Fruchtbarkeit von Boden und Gewässern • „Temporäre Härte“ (= Carbonathärte): Anteil an Calcium- und Magnesiumhydrogencarbonat • „Permanente Härte“ (=Sulfathärte): erfasst die gelösten Calcium- und Magnesiumsalze der Salzsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure u.a. • Pflanzennährstoffe werden freigesetzt: Sulfat, Phosphat, Kieselsäure, K+, Mg2+, Cl-, Fe2+/3+,Mn2+, Zn2+, Cu2+ u. a.

5. Die Verwitterung arbeitet mit physikalischen, chemischen und biologischen Mitteln. Sie wirkt besonders stark, wo die Verwitterungsprodukte rasch weggeführt werden, sodass immer neues, unverwittertes Gestein ihrem Angriff zugänglich wird. Sich ansammelnde Verwitterungsrückstände bilden dagegen eine Schutzdecke, welche die weitere Verwitterung bremst.

6. Physikalische Verwitterung • Die physikalische Verwitterung bewirkt den mechanischen Zerfall des Gesteins. • Die chemische Verwitterung findet an der Grenzfläche fest/flüssig statt. • Das Ausmaß der chemischen Verwitterung hängt somit von der Größe dieser Grenzfläche ab. • Die physikalische Verwitterung steht daher am Anfang. • Sie ermöglicht durch Vergrößerung der Oberfläche des Gesteins erst die chemische Verwitterung in einem nennenswerten Umfang.

7. Mechanismen der Physikalischen Verwitterung • Thermische Verwitterung • Frost-Verwitterung • Verwitterung durch Schwelldruck von Ton • Verwitterung durch Wasserbewegung und Eisbewegung • Verwitterung durch Wind • Biologisch-Physikalische Verwitterung • Rauchgas-Verwitterung

8. Thermische Verwitterung • Beruht auf dem wiederholten Wechsel zwischen Erwärmung und Abkühlung des Gesteins: Ausdehnung und Kontraktion im täglichen Rhythmus. • Volumen-Schwankungen rufen Spannungen im Gesteinsinneren hervor. Dadurch entstehen Drucke bis 54.5 MPa • Wirkt besonders stark, wenn die Mineral-Komponenten verschiedene thermische Ausdehnungskoeffizienten besitzen. • Gesteine besitzen geringe Wärmekapazität und geringe Wärmeleitfähigkeit. Daher kommt es zu großen Temperaturgradienten von außen nach innen. • Dunkle Gesteine erwärmen sich an der besonnten Oberfläche bis 80°C. • Nächtliche Abkühlung –Temperaturschwankungen in der Größenordnung von 100°C. • Außenschale eines Gesteinsblocks bewegt sich gegenüber dem gleichmäßig temperierten Kern. • Es lösen sich Schuppen und Schalen.

9. Schuttwüsten Mars Sahara NASA

10. Frost-Verwitterung • Beruht auf der Volumen-Zunahme, die bei der Kristallisation des Wassers eintritt (ca. 9%). • Wasser entwickelt bei -22°C einen Druck von 220 MPa, wenn das frierende Wasser allseitig von Gestein umgeben ist. • Geschieht vor allem in Gesteinsspalten und Poren mit verstopften Öffnungen, was der Gefriervorgang selbst bewirkt, indem sich der Hals der Pore zuerst schließt. • Der häufige Wechsel - gefrieren und wieder auftauen - führt dazu, dass sich Risse, Fugen und Spalten immer mehr öffnen und das Gestein schließlich in scharfkantige Trümmer zerfällt. • Die große Bedeutung der Frostverwitterung zeigen eindrucksvoll die Blockmeere und Schutthalden der polaren Gebiete und der Hochgebirge.

11. Durch Frostverwitterung („Spaltenfrost“) stark aufgelockerter Zentralgneis (Hoher Sonnblick)

12. Allseitiger Druck setzt den Gefrierpunkt des Wassers um ca. 0.8°C/Bar herab. • Auch die in den feinen Poren toniger Sediment wirksamen Oberflächenkräfte setzen den Gefrierpunkt herab. • Daher wird die Frostverwitterung erst ab Temperaturen unter -10°C wirksam. • Die Sprengkraft des Frostes ist eine Funktion des Grades der Porosität des Gesteins sowie der Wasserfüllung der Poren. • Der Frost dringt in Mitteleuropa bis in 1.5 m tief in den Boden ein. • Da der Frostdruck die Bodenpressung eines Gebäudes weit übersteigen kann, ist eine frostfreie Gründungstiefe für Bauvorhaben aller Art notwendig.

13. Verwitterung durch Schwelldruck von Tonmaterial Beim Trocknen quellfähiger Tonminerale erfolgt Schrumpfung, es entstehen Schwundrisse. Beim Durchfeuchten schwillt die Ton-Substanz wieder.

14. Tonmaterial (sehr feinkörniges Material, aus Schichtsilikaten wie Montmorillonit bestehend) kann durch Wasseraufnahme eine Volumenzunahme aufweisen. • Dieser Schwelldruck wirkt in Gesteinsklüften ähnlich wie Spaltenfrost. • Druck 2 MPa. • Im wechselfeuchten Klima (also bei uns) bewirkt dieses Verhalten eine Durchbewegung der Böden.

15. Flussschotter Gletscherschliff

16. Verwitterung durch Wasserbewegung und durch Eisbewegung In Fließgewässern und im Küstenbereich wird das mitgeführte Geschiebe rund abgeschliffen, zu Schottersteinen und schließlich zu Sand zerkleinert. • Die rollende Bewegung durch das Wasser ist eine an die Küsten der Meere und der größeren Binnenseen gebundene Erscheinung, die an Flüssen und Strömen nicht in gleicherweise zu beobachten ist. Die Brandungswellen rollen tatsächlich die Gesteinstrümmer und erzeugen durch ihre Abnützung jene kugeligen oder walzenförmigen Körper, welche für marine Schotter so bezeichnend sind. Das fließende Wasser hingegen trägt feinere Gesteinsteilchen in der Trübung schwebend fort und schiebt das gröbere Material auf dem Grund des Flußbettes talwärts. (R. Hoernes) Verwitterung durch Wind Vom Wind mitgeführter Sand formt festes Gestein (vor allem in Wüsten). Felsen werden entsprechend der vorherrschenden Windrichtung in Stromlinienform abgeschliffen.

17. Biologisch-Physikalische Verwitterung • Im Untergrund sich ausbreitende Wurzeln lockern Gestein durch Wachstumsdruck. Osmotische Sprengwirkung, die 1.5 MPa erreichen kann! • Im Boden wühlende Tiere können das Gestein zwar nicht zerkleinern, aber sie lockern auf und gewähren dadurch anderen Verwitterungsarten besseren Zutritt.

18. Durch Verwitterung entstellter Wasserspeier Der Stephansdom ist aus Kalksandstein erbaut (Römersteinbruch St. Margarethen)

19. Rauchgas-Verwitterung • CaCO3 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 schädlichen Salze ausgewaschen werden.

20. Chemische Verwitterung • Die Erdkruste enthält Minerale, die unter den Bedingungen der Erdoberfläche thermodynamisch nicht stabil sind: • Sauerstoffgehalt der Atmosphäre • Anwesenheit von Wasser und CO2

21. Chemische Verwitterung: • Sehr langsame Prozesse an der Grenzfläche fest/flüssig • Verwitterungslösung= mobile Phase • Enthält gelöste Salze, Säuren, organische Komplexliganden, gelöste Gase • Der Sauerstoffgehalt der Verwitterungslösung bestimmt das Redoxpotential

22. Chemische Verwitterung • Auflösung bzw. Zersetzung bestimmter Gesteinskomponenten beim Zutritt von wässrigen Lösungen. • Während die physikalische Verwitterung nur wenige Meter in die Erdkruste hinein wirkt, kann die chemische Verwitterung u.U. hunderte Meter hinunterreichen. • Hier bewegen sich Grundwässer unterschiedlichsten Alters abwärts und aufwärts.

23. Der Endzustand der chemischen Verwitterung • Bei der chemischen Verwitterung zerfallen die Gesteine, wobei sich die einzelnen Minerale teils in lösliche Bestandteile, teils in einen unlöslichen Verwitterungsrest umwandeln. • Die löslichen Stoffe werden ausgewaschen. • Der Endzustand der chemischen Verwitterung ist ein unlöslicher Verwitterungsboden wie Ton oder Bauxit. • Die Zusammensetzung des Verwitterungsrückstandes hängt vom Klima ab.

24. In kühl-humiden und gemäßigten Klimaten: Siallitische Verwitterung. • In semi-ariden und ariden Klimaten: Allitische Verwitterung.

26. mol L-1 atm-1

27. Verwitterung von Calcit, offenes System (bei 101 325 Pa = Normaldruck) • 0.038% v/v CO2 in der Atmosphäre pH=8.3 [Ca2+] = 5x10-4mol/L entspricht 2.8°dH • 3% v/v CO2 in der Bodenluft pH = 7.02 [Ca2+] = 2.8x10-3mol/L entspricht 15.7°dH 1 °dH = formal 10 mg CaO in 1 Liter Wasser

28. Effekt der Landpflanzen auf die Verwitterung • Durch den (mikrobiellen) Abbau von Pflanzenresten im Boden wird CO2 produziert und in der Bodenlösung angereichert • Die Anwesenheit der Vegetation beschleunigt die CO2-Verwitterung daher um das 100 – 150 fache • Dadurch entzieht ein Wald-Ökosystem in Österreich der Atmosphäre 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 ausgefällt. Die Hälfte des gebundenen CO2 wird dabei frei, die andere Hälfte in den Carbonatsedimenten dauerhaft gespeichert.

29. Quelle: Peter A. Raymond Nature 436, p. 469, 2005 Die Flüsse sind “netto-heterotroph“, d.h. sie sind gegenüber der Atmosphäre CO2 übersättigt und können daher viel Ca(HCO3)2 aus der kontinentalen Kohlensäure-Verwitterung in Lösung halten und in die Ozeane transportieren.

30. Quelle: Biologische Station Lunz/See

31. Carbonatsystem der Gewässer: Geschwindigkeit der Gleichgewichtseinstellung • Thermodynamisches Gleichgewicht stellt sich in der wässrigen Lösung im Allgemeinen rasch ein • Gewässer sind meist nicht im Gleichgewicht mit der Atmosphäre, weil biologische Prozesse im Wasser CO2 schneller produzieren oder konsumieren als der CO2 Transfer zwischen der Atmosphäre und dem Wasser erfolgt. • Bildung und Auflösung von CaCO3 können verzögert erfolgen. • Metastabile Gleichgewichte: Aragonit (orthorhombisch) ist in einem natürlichen Wasser thermodynamisch weniger stabil als Calcit (trigonal). Unter bestimmten Bedingungen kann sich Aragonit gegenüber Calcit metastabil verhalten.

32. Silicate • Silicate sind die dominierenden gesteinsbildenden Minerale in der Erdkruste. • Primäre Silicate: sind aus dem Magma durch Erstarrung hervorgegangen. • Sekundäre Silicate: metamorphe Gesteine sowie die durch Verwitterung der primären Silicate entstandenen Tonminerale.

33. Kugelmodelle: SiO4Tetraeder und FeO6 Oktaeder nur die obere Darstellung ist maßstäblich, in den unteren Darstellungen sind die Sauerstoffionen verkleinert.

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

35. Quelle: Scheffer/Schachtschabel

36. Glimmerstruktur Quelle: Scheffer/Schachtschabel

37. Tetraedermodelleines Albits Natronfeldspat NaAlSi3O8 Quelle: Scheffer/Schachtschabel

42. Quelle: Scheffer/Schachtschabel

47. Bedeutung der Silicatverwitterung • Natürliche Fruchtbarkeit und Elektrolytgehalt von Böden • Überführung der Kieselsäure in Lösung • Anreicherung von Alkali- und Erdalkalimetall-Ionen in Wässern • Bildung von austauschaktiven Tonmineralen

48. Gelöste Kieselsäure Flusswasser und Meerwasser enthalten gelöste Kieselsäure in sehr geringen Konzentrationen Daher keine chemische Ausfällung Im SiO2 Kreislauf des Ozeans ist Ausfällung von Kieselsäure nur durch Organismen möglich! Radiolarien, Diatomeen und Kieselschwämme bauen ihre Skelette aus Opal auf Es setzen sich schließlich Diatomeen- und Radiolarienschlämme ab (1010 Tonnen SiO2 jährlich) Im Süßwasser bildet sich poröse Diatomeenerde (Kieselgur) Diatomeen (=Kieselalgen) liefern 20 -25% der gesamten Primärproduktion der Erde!