Chemische Verwitterung

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
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)
 „Das Wasser nimmt aus den verwitterten Mineralien Bestandteile auf, es
trifft auf seinemWege in der Erde mitWasser, 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 undVergehen der anorganischen Mineralien vergleichbar dem
Werden undVergehen der organischen Geschöpfe auf der Erde und diese
selbst können nur dadurch leben, dass Mineralien zerstört werden. Aus der
Lösung, die bei derVerwitterung 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)
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.
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.
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.
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
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.
Schuttwüsten
Mars
NASA
Sahara
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.
Durch Frostverwitterung („Spaltenfrost“) stark
aufgelockerter Zentralgneis (Hoher Sonnblick)
 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.
Verwitterung durch Schwelldruck von
Tonmaterial
Beim Trocknen quellfähiger Tonminerale erfolgt
Schrumpfung, es entstehen Schwundrisse.
Beim Durchfeuchten schwillt die Ton-Substanz
wieder.
 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.
Flussschotter
Gletscherschliff
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.
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.
Durch Verwitterung entstellter
Wasserspeier
Der Stephansdom ist aus Kalksandstein
erbaut (Römersteinbruch St. Margarethen)
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.
Chemische Verwitterung
 Die Erdkruste enthält Minerale, die unter den Bedingungen
der Erdoberfläche thermodynamisch nicht stabil sind:
 Sauerstoffgehalt der Atmosphäre
 Anwesenheit von Wasser und CO2
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
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.
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.
 In kühl-humiden und gemäßigten Klimaten: Siallitische
Verwitterung.
 In semi-ariden und ariden Klimaten: Allitische
Verwitterung.
mol L-1 atm-1
Verwitterung von Calcit, offenes System (bei
101 325 Pa = Normaldruck)
 0.038% v/v CO2 in der Atmosphäre
pH=8.3
[Ca2+] = 5x10-4 mol/L entspricht 2.8°dH
 3% v/v CO2 in der Bodenluft
pH = 7.02
[Ca2+] = 2.8x10-3 mol/L entspricht 15.7°dH
1 °dH = formal 10 mg CaO in 1 Liter Wasser
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.
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.
Quelle: Biologische Station Lunz/See
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.
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.
Kugelmodelle: SiO4 Tetraeder und FeO6 Oktaeder
nur die obere Darstellung ist maßstäblich, in den unteren
Darstellungen sind die Sauerstoffionen verkleinert.
Silicatstrukturen: Ketten- Band- und Schichtsilicate
(Tetraedermodell)
Quelle:
Scheffer/Schachtschabel
Quelle:
Scheffer/Schachtschabel
Glimmerstruktur
Quelle:
Scheffer/Schachtschabel
Tetraedermodell eines Albits
Natronfeldspat NaAlSi3O8
Quelle: Scheffer/Schachtschabel
Quelle: Scheffer/Schachtschabel
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
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!