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Chemische Verwitterung

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Chemische Verwitterung gestaltet unsere Umwelt

Die Verwitterung der Karbonate durch Säureeinwirkung in den Nördlichen Kalkalpen ist ein wesentlicher Prozess der Oberflächenformung.

Im Gegensatz zur → physikalischen Verwitterung (s. a. → Verwitterung) kommt es bei der Mehrzahl der Prozesse, die der chemischen Verwitterung zugeordnet werden, zu stofflichen Veränderungen der Gesteine. Fast alle Prozesse der chemischen Verwitterung finden unter Mitwirkung des Wassers statt. Das Gestein wird vom Wasser selbst oder von im Wasser gelösten Stoffen angegriffen. Die physikalische Verwitterung begünstigt die Prozesse der chemischen Verwitterung, da sie die Gesteine lockert und zerteilt. Somit erhält das Gestein eine größere Oberfläche und vermehrte Angriffspunkte für die chemische Verwitterung. Folgende chemische Verwitterungsprozesse werden unterschieden:

Lösungsverwitterung:

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Einöde aus Kochsalz

Das Death Valley in den USA.

Die einfache Lösung von Gestein in Wasser nennt man Lösungsverwitterung. Wassermoleküle können sehr leicht in die Kristallgitter von Mineralen eindringen, da sie recht klein sind. Dabei umgeben sich positiv oder negativ geladene Bestandteile von Mineralen eines Gesteins mit Wassermolekülen und gehen in das umgebende Wasser über, ohne dass unbedingt chemische Reaktionen ablaufen müssen. Obwohl Gesteinslösung somit eher zu den physikalischen Prozessen zu rechnen ist, stellt man sie traditionell zur chemischen Verwitterung, da dieser Vorgang meist auch in Verbindung mit anderen chemischen Verwitterungsprozessen auftritt. Ein bekanntes, leicht wasserlösliches Gestein ist z. B. Stein- oder Kochsalz (NaCl).

Hydration:

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Granit - Ein Gemenge aus Mineralien

Auch Tiefengesteine wie der Granit verwittern durch Hydration.

Die Anlagerung von Wassermolekülen an das Kristallgitter von Mineralen führt dazu, dass die gegenseitige Anziehung der entgegengesetzt geladenen Ionen des Kristallgitters behindert wird. Die damit verbundene Volumenvergrößerung schreitet in den betroffenen Gesteinen allmählich von außen nach innen fort. Dies ruft erhebliche Spannungen zwischen den bereits von der Hydration erfassten und den noch unveränderten Gesteinspartien hervor. Schließlich zerfallen die betroffenen Gesteinspartien zu Schutt. Auch die Hydration gehört zum Übergangsbereich zwischen physikalischer und chemischer Verwitterung, da mit ihr keine chemischen Veränderungen einhergehen, aber andere chemische Verwitterungsprozesse begünstigt oder eingeleitet werden. Tiefengesteine wie der Granit wurden in unseren Mittelgebirgen tiefgründig durch Hydration verwittert.

Kohlensäureverwitterung:

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Die Kohlensäureverwitterung zersetzt Kalkgesteine

Diese Prozesse bilden eine Vielzahl auffälliger Oberflächenformen. Das Bild zeigt so genannte Rinnenkarren, die als senkrechte Streifen oder Rinnen auf dem Kalkfels der Lamsenspitze im Karwendelgebirge verlaufen.

Durch das natürlich vorhandene Kohlendioxid (CO2) in der Luft wird Regenwasser stets zur schwachen Säure, zur Kohlensäure.

H2O (Regenwasser) + CO2 (Kohlendioxid) reagieren zu H2CO3 (Kohlensäure), diese zerfällt wiederum in H+ + HCO3-.

Folglich ist Regenwasser auch ohne Umweltbelastungen, etwa durch Industrieabgase, immer etwas sauer und greift die Gesteine an. Insbesondere für die weit verbreiteten Kalkgesteine ist dies neben der → Frostsprengungsverwitterung in kühleren Klimaten der wesentliche Verwitterungsprozess. Kalkgesteine sind in reinem Wasser nur schwer löslich. Aber bereits bei Einwirkung einer schwachen Säure, wie sie die Kohlensäure darstellt, erfolgt die Lösung des Kalkes bzw. des ihn allein aufbauenden Minerals Calcit (CaCO3). Durch die Reaktion der Kohlensäure mit dem Kalk bildet sich das leicht lösliche Calciumhydrogencarbonat [Ca(HCO3)2], das mit dem Sickerwasser abgeführt wird.

Kalk (CaCO3) + Kohlensäure (H2CO3) Calcium- und Hydrogencarbonat-Ionen in Lösung. (Ca2+ + 2HCO3-)

Diese Verwandlung ist die wesentliche Voraussetzung für die Löslichkeit des Kalkes, die mit abnehmender Wassertemperatur zunimmt. Daher kann die Kohlensäureverwitterung im Gegensatz zu anderen chemischen Verwitterungsprozessen auch in arktischen Regionen wirksam werden. Wie alle Verwitterungsprozesse, ist auch die chemische Verwitterung der Kalksteine ein langsamer Vorgang. Je nach den lokalen Verwitterungsbedingungen wurden Kalklösungsraten von 0,01-4,0 mm pro Jahr ermittelt. Der gesamte Vorgang der Kalklösung kann auch genau umgekehrt ablaufen. Gelöster Kalk fällt dann aus Wasser aus, das Calciumhydrogencarbonat enthält und Kohlendioxid wird an die umgebende Luft abgegeben. Das Ergebnis sind z. B. Tropfsteine, die unter den Namen Stalaktiten und Stalagmiten bekannt sind. Der aus den italienischen Dolomiten stammende Dolomit gehört wie Kalkstein zu den so genannten Karbonatgesteinen. Auch er besteht nur aus einem Mineral, aus dem gleichnamigen Dolomit [CaMg(CO3)2], und ist genau wie Kalk durch Kohlensäureeinwirkung löslich, nur wesentlich schwerer (Die Bezeichnung Dolomiten für die Gebirgsgruppe in den Südalpen und für das gleichnamige Gestein und Mineral Dolomit“ geht auf den französischen Geologen Déodat de Dolomieu zurück. 1789 wies er auf die weite Verbreitung eines mit verdünnter Salzsäure wenig brausenden Gesteins in Südtirol hin).

Silikatverwitterung:

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Kaolinit - Restprodukt der Silikatverwitterung

Das Tonmineral Kaolinit - benannt nach dem Berg Kaoling in Südwestchina - ist ein begehrter Rohstoff für die Porzellanindustrie.

Im Gegensatz zu Kalkgestein, das sich aus dem gelösten Zustand wieder als Kalk ausscheidet, sind die in der Gesteinswelt weit verbreiteten Silikate nur unter vollständiger Zersetzung in Lösung zu bringen. Die Silikate machen rund 60 % aller Minerale der Erdkruste aus. Dazu gehören z. B. Feldspat und Glimmer als Bestandteile des Granits neben dem Quarz. Ebenso wie die Kohlensäureverwitterung gehört die Silikatverwitterung zu den Prozessen der Hydrolyse (von griechisch hýdor = Wasser und lýsis = Lösung). Dabei ist, anders als bei der Verwitterung der Kalke, bereits das Wasser selbst das Reagenz. Die Hydrolyse der Silikate bewirkt den Austausch von Ionen an der Mineraloberfläche. Wasserstoff-Ionen des Wassers werden in der ersten Phase gegen ein Kation des Minerals ausgetauscht (z. B. gegen ein Kalium-Ion bei Kalifeldspat). Es entstehen nun chemisch instabile Verbindungen, die weitere Reaktionen eingehen, bis schließlich leicht wasserlösliche Endprodukte vom Sickerwasser abgeführt werden. Diese Art der Verwitterung wird von der Kohlensäure der Niederschläge und organischen Säuren aus dem Boden beschleunigt, da sie zusätzlich Wasserstoff-Ionen liefern. Die Silikatverwitterung verursacht eine starke stoffliche Veränderung bis zum völligen Zerfall des Gesteins. Als Restprodukt bleibt das Tonmineral Kaolinit (nach dem Berg Kaoling in Südwestchina), ein begehrter Rohstoff für die Porzellanindustrie.

Feldspat (KAlSi3O8) + Wasser (H2O) Kaolinit (Al2Si2O5(OH)4)

Begünstigt wird dieser Prozess nach vorausgegangener Hydration. Da hohe Temperaturen und Feuchtigkeit den Prozess der Silikatverwitterung fördern, findet sie in besonderem Maße in den Tropen und Subtropen statt.

Oxidationsverwitterung:

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Oxidationsverwitterung - das Gestein verfärbt sich rostbraun

Durch die Umwandlung von Zweiwertigem Eisen in Dreiwertiges Eisen wird die ursprüngliche Mineralstruktur des Gesteins zerstört.

Eisenhaltige Minerale sind in den Gesteinen weit verbreitet. Durch die Einwirkung des im Wasser gelösten Sauerstoffs oxidiert das Eisen. Zweiwertiges Eisen wird dabei durch die Abgabe eines Elektrons zu dreiwertigem Eisen. Das Gestein erhält dadurch eine bräunliche, rötliche oder gelbliche Farbe - es “rostet“. Dadurch wird die ursprüngliche Mineralstruktur zerstört. Der Farbumschlag an frischen Gesteinsoberflächen, die beispielsweise im Steinbruch auftreten, deutet die beginnende chemische Verwitterung durch Oxidation an. Dabei ist die Intensität der Färbung ein grobes Richtmaß für den Verwitterungsgrad. Auch die rote Farbe von Böden in warmen bis feucht-warmen Regionen (Tropen/Subtropen) beruht auf Oxidationsverwitterung.

Chemisch-biologische Verwitterung:

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Chemisch-biologische Verwitterung

Von Pflanzen abgeschiedene Säuren greifen den Fels an.

Gesteine können auch durch chemisch-biologische Vorgänge zersetzt werden. Höhere Pflanzen, aber auch Algen, Flechten und Moose, die direkt auf dem Fels sitzen, scheiden Säuren ab, welche die Minerale der Gesteine angreifen und somit die Gesteinsoberfläche anrauen. Damit finden wiederum andere Verwitterungsprozesse günstige Angriffspunkte.

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