Abschnitt 6 Exogene geodynamische Prozesse

TU Dresden / Institut für Geotechnik
Fachbereich Angewandte Geologie
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Abschnitt 6 Exogene geodynamische Prozesse: Verwitterung
KLIMABEREICHE
Das Klima bildet einen wichtigen Rahmen für die Gesteinsverwitterung und andere exogene geodynamische Prozesse. Es charakterisiert die durchschnittlichen Wetterverhältnisse in einer bestimmten Region über viele Jahre. Die Verteilung der Klimazonen wird wesentlich durch die Intensität der Sonneneinstrahlung bestimmt, die vom Äquator zu den Polen hin abnimmt.
Exogene geodynamische Prozesse - Klimabereiche
Hydrologische Klassifizierung der Klimabereiche - abgeleitet aus der Wasserhaushaltgleichung
Klimabereich:
Charakteristik:
nivaler Bereich
• N > V (Niederschlag fest)
• Gletscherbildung
• Dauerfrostboden
humider Bereich
• N > V (Niederschlag flüssig)
- gemäßigt humid
• Wasserüberschuss
- tropisch humid
• Flussbildung
• Vegetation
arider Bereich
• N<V
- semiarid (N < V 7-9 Monate / Jahr)
• N < 100 mm
- vollarid
• Trockengrenze: N = V
• Wirkung des Windes
VERWITTERUNG
Definition:
Verwitterung ist die Gesteinszerstörung durch physikalische, chemische und biologische
Prozesse. Einwirkende Kräfte sind klimatische Faktoren, Atmosphärilien, Organismen.
Einflussfaktoren auf die Verwitterungsintensität
Zeit:
• Zeitpunkt der Heraushebung an die Oberfläche
Gesteinsart:
• Mineralbestand
• Gefüge
Bedeckung:
• Abtragungsgeschwindigkeit des Verwitterungsschuttes und Bodenbildung
Klima:
• Angebot der Kräfte
• Wirkende Verwitterungsarten
Verwitterungsarten - Übersicht
physikalische Verwitterung
•
•
•
•
•
Thermische Verwitterung
Frost-Verwitterung
Salz-Verwitterung
Quelldruck-Verwitterung
Wind-Verwitterung
chemische Verwitterung
•
•
•
•
•
•
Lösungs-Verwitterung
Kohlensäure-Verwitterung
Hydratations-Verwitterung
Rauchgas-Verwitterung
Silikat-Verwitterung
Oxidations-Verwitterung
biologische Verwitterung
• physikalisch-biologische
Verwitterung
• chemisch-biologische Verwitterung
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PHYSIKALISCHE VERWITTERUNG
Gesteinszerstörung durch mechanische Kräfte •
•
•
Minerale bleiben erhalten
nivale / aride / humide Klimate
•
•
Volumenänderung (→Δ Feuchte, Temperatur sowie Frost-Tau-Wechsel)
Kristallisationsdruck (Wasser → Eis; Salze)
Schleifwirkung (Wind)
Physikalische Verwitterung: Frostverwitterung
Mögliche Fälle beim Gefrieren von Wasser in
geschlossenen Gesteinsporen, schematisch
(Wasser schraffiert, Eis schwarz, Hohlraum weiß;
nach de Quervain 1967)
a) Geschlossene Pore, halb mit Wasser gefüllt. Keine Druckwirkung bei -1°C und -22°C.
b) Grenzfall: Pore zu 91 % mit Wasser gefüllt.
Keine Druckwirkung bei -1°C (Pore zu 100 % mit
Eis gefüllt) und bei -20°C (Pore wegen Volumenschwund des Eises bei niedriger Temperatur nicht
mehr ganz gefüllt).
c) Geschlossene Pore, ganz mit Wasser gefüllt. Bei
Abkühlung nimmt der Druck zu, die Hauptmenge
des Wassers bleibt aber flüssig. Bei einem bestimmten Druck wird das Gestein zerstört, die Rissbildung
(Druckentlastung!) führt zum Gefrieren.
•
In einem realen Gesteinsgefüge mit verbundenen Poren unterschiedlicher Größe spielt für die
Frostanfälligkeit des Gesteins neben dem Sättigungsgrad vor allem die Porengrößenverteilung
eine entscheidende Rolle. Der tatsächliche Frostwiderstand eines Natursteins wird mit dem FrostTauwechsel-Versuch geprüft (DIN-EN 12371 (2010), Bestimmung des Frostwiderstands)
Physikalische Verwitterung - Frostverwitterung / Spaltenfrost
• Volumenzunahme bei der Eisbildung 9 %
• Spaltenfrost an Einzelblöcken, Verbänden
Wollsackverwitterung bei Graniten als Ergebnis der Frostverwitterung im humiden Klima.
Die Verwitterung folgt dem ursprünglichen,
orthogonalen Kluftsystem des Gesteins und legt
einzelne Kluftkörper frei.
[6.1]
• Abschuppung und Abschalung
• Wollsack- oder Matratzen-Verwitterung
Wollsackverwitterung an geklüftetem Granit,
bei Johanngeorgenstadt, Erzgebirge.
(Foto: Verfasser)
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Eislinsen im Lockergestein
•
•
Bei Lockergesteinen der Kornfraktionen
< 0,05 mm
Kapillarer Wassernachschub aus nicht
betroffenen tieferen Zonen während der
Eisbildung in die Zone der Frosteindringtiefe möglich (Porenwasser)
→ Hebung der Bodenschicht durch Volumenzunahme
→ starke Abnahme der Scherfestigkeit beim
Auftauen
[6.2]
Physikalische Verwitterung - Frostverwitterung - Frost im Baugrund
Klassifizierung der Gesteine
Frostsichere Gesteine:
Frostveränderliche Gesteine:
Lockergesteine
• Kriterium Korngröße
• nichtbindige Lockergesteine
• bis ca. 10 % Anteil < 0,1 mm
• Sande, Kiese, Schotter
Lockergesteine
• Kriterium Korngröße
• bindige Lockergesteine
• ab ca. 10 % Anteil < 0,1 mm
• Tone, Schluffe, Torfe
Festgesteine
• Zerfall? → Frost-Tauwechsel-Versuch DINEN 12371
• dichte Magmatite (keine Poren, hohe Festigkeit)
Festgesteine
• Zerfallsgeschwindigkeit? → FrostTauwechsel-Versuch DIN EN 12371
• Tonschiefer, Mergel, einige Sandsteine
• hohe Porosität, hoher Anteil Feinporen, geringe Festigkeit
Maßnahmen
Frosteindringtiefe:
• Gründung in frostfreier Tiefe
Frostveränderliche Gesteine:
• Abtragung nicht standfester Bereiche an
Felsböschungen
• Technische Sicherung von Felsböschungen
• Ausbau und Ersatz durch frostsichere Massen
Wasser:
• Entwässerungsmaßnahmen
• Versiegelungsmaßnahmen
Bild rechts:
Oberflächenversiegelung mit Spritzbeton und Entwässerungsmaßnahmen zur Sicherung einer Felsböschung [6.3].
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Physikalische Verwitterung: Quelldruckverwitterung
•
•
Tongesteine (quellfähig)
Wechsel von Durchfeuchtung und
Trocknung
• Volumenzunahme und -abnahme
• Hebungen und Senkungen
_____________________________________
Bild links: Hebung und Senkung einer Baugrubensohle in quellfähigen Tonen in Abhängigkeit von
Wasserzutritt und Belastung [6.4]: 1. Phase Wasserzutritt bei Ausschachtung → Hebung; 2. Phase
Bebauung (Belastung) und langsame Trocknung
→ Senkung
Physikalische Verwitterung: Salzverwitterung
Salze üben bei Kristallisation aus übersättigten Lösungen Druck im Porenraum von porösen Gesteinen aus = Kristallisationsdruck → Salzsprengung.
Salzsprengung spielt für die Gesteinsverwitterung vor allem in der Verdunstungszone (nahe der
Gesteinsoberfläche) eine Rolle (am Fels in der Natur wie auch am Bauwerk aus Naturstein).
CHEMISCHE VERWITTERUNG
Gesteinszerstörung durch chemische Prozesse
•
•
Mineralum- und -neubildung
humides Klima
•
•
•
Lösungsmittel Wasser
mikrobielle Prozesse
Bodenbildung
Chemische Verwitterung: Lösungsverwitterung
•
•
•
•
Salzminerale (Halit, Sylvin, …)
Löslichkeit NaCl 360 g/l
Calciumsulfate (Gips, Anhydrit)
Löslichkeit Gips 2,4 g/l
Lösungsmittel Wasser
Lösung im Grundwasser
•
•
•
•
Subrosion = unterirdische Auslaugung,
Hohlraumbildung
Nachsenken des Deckgebirges
Subrosionssenken an der Erdoberfläche
Erdfälle bei Durchbruch
Betroffen sind alle Gesteinsverbände, die Salzminerale oder Calciumsulfat enthalten. In Deutschland sind dies
• Gesteine der Trias (Buntsandstein, Muschelkalk, Keuper)
• Gesteine des Perm (Zechstein: Salzgesteine und Gipsgesteine!!)
Die Tiefe, bis in die lösliche Salzgesteine durch ungesättigtes Wasser weggelöst sind, wird als
Salzspiegel bezeichnet. Für Sulfatgesteine wird mitunter analog der Begriff Anhydritspiegel
oder Gipsspiegel gebraucht. Solequellen (Austritte salzhaltiger Wässer) zeigen aktive Lösungsvorgänge an. Der relativ schlechter lösliche Gips über Salzstrukturen widersteht der Lösung länger und bildet den sog. Gipshut. Die Lösungserscheinungen in ihrer Gesamtheit werden (ja nach
Gesteinen) auch als „Chloridkarst“ oder „Gipskarst“ / „Sulfatkarst“ bezeichnet (s. auch Kohlensäureverwitterung).
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Ablaugung des Salzstockes von Ronnenburg bei Hannover (Subrosion, Chloridkarst)
s-Buntsandstein, m-Muschelkalk, k-Keuper [6.5]
Chemische Verwitterung - Lösungsverwitterung - Bsp. Gründung Wälsebachtalbrücke
Bild oben:
Wälsebachtalbrücke der DB
in Nordhessen; Schlotbildungen im Buntsandstein durch
Lösungsverwitterung [6.6].
Bilder links und Mitte:
Durch Bohrungen erkundete
Ausbildung eines Schlotes
und konstruktive Lösung der
Pfeilergründung über dem
Rand des Schlotes [6.6].
Chemische Verwitterung: Kohlensäureverwitterng
•
•
•
Betrifft Karbonatminerale: Calcit
(CaCO3) und Dolomit (Ca,Mg)CO3
Lösungsmittel kohlensäurehaltiges
Wasser, Bildung von löslichem Calciumhydrogenkarbonat
Löslichkeit Calcit 0,014 g/l
•
•
Lösung der Kalkgesteine im Grundwasser und an der Oberfläche
Karstbildung (Karbonatkarst)
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Karsterscheinungen im Dachsteingebirge, Alpen, Österreich: Bildung von Karren (Schratten) durch Kalklösung fließender Oberflächenwässer („nackter Karst“). Die parallel zur
Fließrichtung angeordneten, dm-breiten Rinnen bilden sich durch Kohlensäureverwitterung im Kalkstein, bevorzugt ausgehend von
Klüften.
Foto: Verfasser
Schematisches Blockbild von
Erscheinungen der Karstgeologie in Kalksteinen [6.1].
1-Karstquelle, 2-Schluckstelle /
Schluckloch, 3-unterirdischer
Fluss, 4-Tropfsteinhöhle (Kaverne), 5-Spaltenhöhle, 6Erdfälle (Dolinen) über Höhleneinstürzen, 7-verdeckter
Karst, 8-verstürzte Karsthohlräume (Erdfälle und Schlote,
verfüllt).
Chemische Verwitterung - Hydratationsverwitterung
•
•
•
•
Wasseranlagerung im Molekularbereich
• Mineralumbildungen
Grenzflächenreaktionen
• Anhydrit → Gips, Volumenzunahme theoretisch 61 %
Wasseranlagerung an einzelne Kationen
Wassereinbau in die Struktur (Kristallgitter) • Glimmer → quellfähige Tonminerale
Hydratation eines Glimmers und Umbildung zu
einem quellfähigen Tonmineral [6.5]. Dieses
Bildung von Schlangengips durch Wasseraufkann (je nach Feuchteangebot der Umgebung) nahme von Anhydrit (mit Volumenzunahme) →
Wassermoleküle in sein Kristallgitter einlagern Verformung der urspr. Anhydritlagen [6.7].
und stark quellen.
Quellvorgänge durch Wasserzutritt bei technischen Maßnahmen (Tunnelbau, Geothermiebohrungen) bergen bei Gesteinen mit hohen Anteilen veränderlicher Minerale, insbesondere Mischungen
aus quellfähigen Tonmineralen und Anhydrit, erhebliche Risiken. So wurde 2007 durch Zutritt
von gespanntem Grundwasser zu Anhydritgesteinen im Untergrund der Stadt Staufen, ausgelöst
durch Geothermiebohrungen, eine weiträumige Hebung des Untergrundes mit zahlreichen schweren Schäden an Bauwerken verursacht. → www.lgrb.uni-freiburg.de/lgrb/home/schadensfall_staufen_bericht
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Deformation des Ausbaus des
Cžernitzer Tunnels 1874 durch
Sohlhebung: Hydratationsverwitterung Gips-Anhydrit bei Wasserzutritt. a) links - Holzausbau,
b) rechts - Ausmauerung [6.8]
Chemische Verwitterung: Rauchgasverwitterung
•
•
SO2 aus Industrieabgasen und Hausbrand reagiert in der Atmosphäre mit Wasser zu Schwefelsäure (“saurer Regen”)
Zersetzung von Calciumkarbonat (Kalkstein, Marmor) unter
Gipsbildung:
CaCO3 + H2SO4 + H2O → CaSO4 · 2 H2O + CO2↑
Calcit
Gips
Verwitterung von Natursteinoberflächen an Bauwerken und Skulpturen (anthropogene Ursachen!)
Foto:Verfasser
BIOLOGISCHE VERWITTERUNG
Biologisch-physikalische Verwitterung
Wurzeldruck beim Wachstum höherer Pflanzen
zerstört den Kornverband oder reißt Kluftkörper
aus dem Gesteinsverband (Bild links).
Biologisch-chemische Verwitterung
Stoffwechselprozesse von Mikroorganismen greifen Mineral- und Gesteinsoberflächen an (Bildung organischer Säuren, …)
Foto: Verfasser
VERWITTERUNG - INGENIEURGEOLOG. KLASSIFIZIERUNG FESTGESTEIN
Verwitterungsbeständigkeit
Verwitterungsbeständige Festgesteine:
• direkte Kornbindung (Verwachsung),
• beständiges Bindemittel (z. B. silikatisch)
• beständiger Kornverband innerhalb historischer Zeiträume
• hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Verwitterungsagenzien
• Beispiele: Granit, Basalt, Marmor, Quarzit
(v. a. kristalline Gesteine)
Verwitterungsempfindliche Festgesteine:
• schwache Kornbindung (unbeständiges Bindemittel)
• Verlust des Kornzusammenhaltes in kurzer
Zeit (Tage/ Monate / wenige Jahre)
• bei Verwitterung irreversible Umwandlung
in Lockergesteine
• Beispiele: Tonsteine, Mergelsteine, „Sonnenbrenner“-Basalte
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Verwitterungszustand
Kategorie nach
DIN-EN ISO 14689-1*
Beschreibung
I. Unverwitterte Festgesteine
0 = frisch
Keine sichtbare Verwitterung,
höchstens leichte Verfärbung
der Trennflächen / Oberflächen
II. Angewitterte Festgesteine
1 = schwach verwittert
aufgelockert im Kluftbereich
(Trennflächengefüge), Krusten /
Verfärbung auf den Oberflächen der Trennflächen
III. Verwitterte Festgesteine
2 = mäßig verwittert
Vereinzelung der Kluftkörper,
partielle Lockerung des Kornverbandes (< 50 % zersetzt)
3 = stark verwittert
Vereinzelung der Kluftkörper,
umfassendere Lockerung des
Kornverbandes (> 50 % zersetzt)
4 = vollständig verwittert
Einzelkornverband gelöst, umfassende Umwandlung in Lockergestein, urspr. Gebirgsstruktur noch unversehrt
5 = zersetzt
Einzelkornverband gelöst, umfassende Umwandlung in Lockergestein, urspr. Gebirgsstruktur und Gesteinstextur aufgelöst, Volumen stark verändert
IV. Vollständig verwitterte /
zersetzte Festgesteine
* Geotechnische Erkundung und Untersuchung - Benennung, Beschreibung und Klassifizierung von Fels; Teil 1:
Benennung und Beschreibung. - Deutsches Institut für Normung Berlin, 2011
Literatur
DE QUERVAIN, F. Technische Gesteinskunde. - Birkhäuser, Basel 1967.
Bildquellen
[6.1] KLENGEL, J. & WAGENBRETH, O.: Ingenieurgeologie für Bauingenieure. - 3. Aufl., Berlin 1989.
[6.2] KLENGEL, K.J.: Frost und Baugrund. - VEB Verlag für Bauwesen, Berlin 1968.
[6.3] REUTER,F., KLENGEL, K.J. & PAŠEK, J.: Ingenieurgeologie. - Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie, Leipzig, Stuttgart 1992.
[6.4] LACKNER, K.: Quellen und Schwinden im organogenen Ton als Ursache von Gebäudeschäden. - Geotechnik 14 (1991), 118-124.
[6.5] RICHTER, D.: Allgemeine Geologie. - De Gruyter, Berlin, New York 1992.
[6.6] PRINZ, H.: Abriß der Ingenieurgeologie. - 3. Auflage, Enke Stuttgart 1997.
[6.7] RÖSLER, H.J.: Lehrbuch der Mineralogie. - VEB Deutscher Verlag für Grundstoffindustrie Leipzig 1981
[6.8] MÜLLER-SALZBURG, L.: Der Felsbau. - Band 3. Enke Stuttgart 1992.
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