Meteorisierung: Arten und Prozesse
Verwitterung ist die Zersetzung von Gesteinen durch mechanischen Zerfall und chemische Zersetzung. Viele bilden sich bei hohen Temperaturen und Drücken tief in der Erdkruste. Wenn sie niedrigeren Temperaturen und Drücken auf der Oberfläche ausgesetzt werden und auf Luft, Wasser und Organismen treffen, zersetzen sie sich und brechen.
Lebewesen spielen auch eine einflussreiche Rolle bei der Verwitterung, da sie Gesteine und Mineralien durch verschiedene biophysikalische und biochemische Prozesse beeinflussen, von denen die meisten nicht im Detail bekannt sind.
Grundsätzlich gibt es drei Haupttypen, durch die Verwitterung stattfindet; Dies kann physikalisch, chemisch oder biologisch sein. Jede dieser Varianten hat spezifische Eigenschaften, die sich auf unterschiedliche Weise auf die Gesteine auswirken. In einigen Fällen kann es sogar zu einer Kombination mehrerer Phänomene kommen.
Physikalische oder mechanische Verwitterung
Die mechanischen Prozesse zerkleinern das Gestein in immer kleinere Fragmente, was wiederum die Oberfläche erhöht, die einem chemischen Angriff ausgesetzt ist. Die wichtigsten mechanischen Verwitterungsprozesse sind folgende:
- Der Download.
- Die Wirkung von Frost.
- Thermische Beanspruchung durch Heizen und Kühlen.
- Die Erweiterung.
- das Schrumpfen durch Benetzung mit anschließender Trocknung.
- Der durch das Wachstum von Salzkristallen ausgeübte Druck.
Ein wichtiger Faktor bei mechanischer Witterung ist die Ermüdung oder wiederholte Spannungserzeugung, die die Schadenstoleranz verringert. Ermüdungserscheinungen führen dazu, dass das Gestein bei einer geringeren Belastung bricht als ein nicht ermüdetes Exemplar.
Herunterladen
Wenn Erosion das Material von der Oberfläche entfernt, nimmt der begrenzende Druck auf die darunter liegenden Gesteine ab. Der niedrigere Druck ermöglicht es den Mineralkörnern, sich stärker abzuscheiden und Hohlräume zu erzeugen; Der Stein dehnt sich aus oder dehnt sich aus und kann brechen.
Beispielsweise kann in Granitminen oder anderen dichten Gesteinen die Druckentlastung aufgrund von Schnitten zur Gewinnung heftig sein und sogar Explosionen verursachen.
Bruch durch Einfrieren oder Gelbildung
Das Wasser, das die Poren in einem Gestein einnimmt, dehnt sich beim Gefrieren um 9% aus. Diese Ausdehnung erzeugt einen Innendruck, der zum physischen Zerfall oder Bruch des Gesteins führen kann.
Die Gelierung ist ein wichtiger Prozess in kalten Umgebungen, in denen ständig Zyklen des Einfrierens und Auftauens stattfinden.
Heiz-Kühl-Kreisläufe (Thermoklasten)
Gesteine haben eine geringe Wärmeleitfähigkeit, was bedeutet, dass sie Wärme nicht gut von ihren Oberflächen ableiten können. Wenn die Felsen erhitzt werden, erhöht die äußere Oberfläche ihre Temperatur viel mehr als der innere Teil des Felsens. Aus diesem Grund ist der äußere Teil stärker aufgeweitet als der innere Teil.
Steine, die aus verschiedenen Kristallen bestehen, weisen außerdem eine unterschiedliche Erwärmung auf: Die dunkleren Kristalle erwärmen sich schneller und kühlen langsamer ab als die helleren Kristalle.
Müdigkeit
Diese thermischen Spannungen können zum Zerfall des Gesteins und zur Bildung riesiger Schuppen, Schalen und Blätter führen. Wiederholtes Erhitzen und Abkühlen erzeugt einen Effekt, der als Ermüdung bezeichnet wird und die thermische Verwitterung fördert, auch Thermoklastie genannt.
Im Allgemeinen kann Ermüdung als die Auswirkung mehrerer Prozesse definiert werden, die die Toleranz eines Materials gegenüber Beschädigungen verringern.
Gesteinsschuppen
Das Abblättern oder Herstellen von Platten durch thermische Beanspruchung schließt auch die Erzeugung von Steinschuppen ein. Ebenso kann die intensive Hitze, die durch Waldbrände und nukleare Explosionen erzeugt wird, dazu führen, dass der Stein zerfällt und schließlich zerbricht.
Beispielsweise wurde in Indien und Ägypten Feuer über viele Jahre als Gewinnungswerkzeug in Steinbrüchen eingesetzt. Die täglichen Temperaturschwankungen, auch in Wüsten, liegen jedoch weit unter den Extremen lokaler Brände.
Befeuchten und trocknen
Tonhaltige Materialien wie Schlamm und Schiefer dehnen sich beim Benetzen erheblich aus, was zur Bildung von Mikrorissen oder Mikrofrakturen (auf Englisch Mikrorisse ) oder zur Verbreiterung bestehender Risse führen kann.
Neben dem Ermüdungseffekt führen die Expansions- und Schrumpfungszyklen, die mit dem Benetzen und Trocknen verbunden sind, zu einer Verwitterung des Gesteins.
Meteorisierung durch Wachstum von Salzkristallen oder Haloklastien
In Küsten- und Trockengebieten können Salzkristalle in Salzlösungen wachsen, die durch Verdampfung von Wasser konzentriert werden.
Die Kristallisation des Salzes in den Zwischenräumen oder Poren der Gesteine erzeugt Spannungen, die sie verbreitern, und dies führt zum körnigen Zerfall des Gesteins. Dieser Prozess ist als Salzverwitterung oder Haloklastie bekannt.
Wenn die in den Poren des Gesteins gebildeten Salzkristalle erhitzt oder mit Wasser gesättigt werden, dehnen sie sich aus und üben Druck auf die Wände benachbarter Poren aus; Dies führt zu thermischer Beanspruchung bzw. Hydratationsbeanspruchung, die zur Bewitterung des Gesteins beitragen.
Chemische Meteorisierung
Diese Art der Bewitterung beinhaltet eine Vielzahl chemischer Reaktionen, die über den gesamten Bereich der Wetterbedingungen auf viele verschiedene Gesteinsarten zusammenwirken.
Diese große Vielfalt kann in sechs Arten chemischer Hauptreaktionen eingeteilt werden (die alle an der Zersetzung des Gesteins beteiligt sind):
- Die Auflösung.
- Flüssigkeitszufuhr.
- Oxidation und Reduktion.
- Kohlensäure.
- Hydrolyse.
Auflösung
Die Mineralsalze können in Wasser gelöst werden. Dieser Prozess beinhaltet die Dissoziation der Moleküle in ihren Anionen und Kationen und die Hydratisierung jedes Ions; Das heißt, die Ionen sind von Wassermolekülen umgeben.
Im Allgemeinen wird das Auflösen als chemischer Prozess angesehen, obwohl es keine ordnungsgemäßen chemischen Umwandlungen beinhaltet. Da die Auflösung ein erster Schritt für andere chemische Verwitterungsprozesse ist, fällt sie in diese Kategorie.
Die Lösung kehrt sich leicht um: Wenn die Lösung übersättigt ist, fällt ein Teil des gelösten Materials als Feststoff aus. Eine gesättigte Lösung ist nicht in der Lage, sich fester aufzulösen.
Die Mineralien variieren in ihrer Löslichkeit und zu den wasserlöslichsten zählen die Chloride der Alkalimetalle wie Steinsalz oder Halit (NaCl) und Kaliumsalz (KCl). Diese Mineralien kommen nur in sehr trockenen Klimazonen vor.
Gips (CaSO 4 · 2H 2 O) ist ebenfalls gut löslich, während Quarz eine sehr geringe Löslichkeit aufweist.
Die Löslichkeit vieler Mineralien hängt von der Konzentration der freien Wasserstoffionen (H +) im Wasser ab. Die H + -Ionen werden als pH-Wert gemessen, der den Säuregrad oder die Alkalität einer wässrigen Lösung angibt.
Flüssigkeitszufuhr
Hydratationsbewitterung ist ein Prozess, der auftritt, wenn Mineralien Wassermoleküle an ihrer Oberfläche adsorbieren oder absorbieren, einschließlich dieser in ihren Kristallgittern. Dieses zusätzliche Wasser erzeugt eine Volumenzunahme, die zum Bruch des Gesteins führen kann.
In feuchten Klimazonen mittlerer Breiten zeigen die Farben des Bodens berüchtigte Unterschiede: Sie können von der bräunlichen bis zur gelblichen Farbe beobachtet werden. Diese Färbungen werden durch die Hydratation von rotem Eisenoxid-Hämatit verursacht, das zu oxidfarbenem Goethit (Eisenoxyhydroxid) übergeht.
Die Aufnahme von Wasser durch die Tonpartikel ist auch eine Form der Hydratation, die zu deren Ausdehnung führt. Dann, wenn der Lehm trocknet, bricht die Rinde.
Oxidation und Reduktion
Oxidation tritt auf, wenn ein Atom oder ein Ion Elektronen verliert, wodurch die positive Ladung erhöht oder die negative Ladung verringert wird.
Eine der vorhandenen Oxidationsreaktionen beinhaltet die Kombination von Sauerstoff mit einer Substanz. In Wasser gelöster Sauerstoff ist ein verbreitetes Oxidationsmittel in der Umwelt.
Der Verschleiß durch Oxidation betrifft hauptsächlich die eisenhaltigen Mineralien, aber auch Elemente wie Mangan, Schwefel und Titan können oxidiert werden.
Die Reaktion für Eisen, die auftritt, wenn gelöster Sauerstoff im Wasser mit eisenhaltigen Mineralien in Kontakt kommt, ist wie folgt:
4Fe2 + + 3O 2 → 2Fe 2 O 3 + 2e-
In diesem Ausdruck repräsentiert e- die Elektronen.
Das Eisen (Fe2 +), das in den meisten gesteinsbildenden Mineralien vorkommt, kann durch Änderung der neutralen Ladung des Kristallgitters in seine Eisen (Fe3 +) -Form umgewandelt werden. Diese Änderung führt manchmal zu ihrem Zusammenbruch und macht das Mineral anfälliger für chemische Angriffe.
Karbonisierung
Unter Carbonatisierung versteht man die Bildung von Carbonaten, den Salzen der Kohlensäure (H 2 CO 3 ). Kohlendioxid löst sich in natürlichen Gewässern unter Bildung von Kohlensäure:
CO 2 + H 2 O → H 2 CO 3
Anschließend dissoziiert die Kohlensäure nach der folgenden Reaktion in ein hydratisiertes Wasserstoffion (H 3 O +) und ein Hydrogencarbonation:
H 2 CO 3 + H 2 O → HCO 3 - + H 3 O +
Kohlensäure greift die Mineralien an und bildet Karbonate. Die Karbonisierung dominiert die Verwitterung von Kalkgesteinen (Kalkstein und Dolomit). in diesen ist das Hauptmineral Calcit oder Calciumcarbonat (CaCO 3 ).
Calcit reagiert mit Kohlensäure zu Calciumcarbonat, Ca (HCO 3 ) 2, das sich im Gegensatz zu Calcit leicht in Wasser löst. Aus diesem Grund neigen einige Kalksteine zur Auflösung.
Die reversiblen Reaktionen zwischen Kohlendioxid, Wasser und Calciumcarbonat sind komplex. Im Wesentlichen kann der Prozess wie folgt zusammengefasst werden:
CaCO 3 + H 2 O + CO 2 · Ca 2 + + 2HCO 3 -
Hydrolyse
Im Allgemeinen ist die Hydrolyse - chemischer Abbau durch Wassereinwirkung - der Hauptprozess der chemischen Verwitterung. Wasser kann die für Gesteine anfälligen primären Mineralien zersetzen, auflösen oder modifizieren.
Dabei reagiert das dissoziierte Wasser in Wasserstoffkationen (H +) und Hydroxylanionen (OH-) direkt mit Silikatmineralien in Gesteinen und Böden.
Das Wasserstoffion wird gegen ein Metallkation der Silikatmineralien ausgetauscht, üblicherweise Kalium (K +), Natrium (Na +), Calcium (Ca2 +) oder Magnesium (Mg2 +). Dann wird das freigesetzte Kation mit dem Hydroxylanion kombiniert.
Beispielsweise ist die Reaktion für die Hydrolyse des als Orthoklas bezeichneten Minerals mit der chemischen Formel KAlSi 3 O 8 wie folgt:
2KAlSi 3 O 8 + 2H + + 2OH- → 2HAlSi 3 O 8 + 2KOH
So wird der Orthoklase in Aluminokieselsäure, HAlSi 3 O 8 und Kaliumhydroxid (KOH) umgewandelt.
Diese Art von Reaktionen spielt eine grundlegende Rolle bei der Bildung einiger charakteristischer Reliefs; Beispielsweise sind sie an der Entstehung des Karstreliefs beteiligt.
Biologische Meteorisierung
Einige lebende Organismen greifen Gesteine mechanisch, chemisch oder durch eine Kombination von mechanischen und chemischen Prozessen an.
Pflanzen
Die Wurzeln von Pflanzen - insbesondere von Bäumen, die auf flachen Felsenböden wachsen - können einen biomechanischen Effekt ausüben.
Dieser biomechanische Effekt tritt auf, wenn die Wurzel wächst, weil er den Druck erhöht, den sie in ihrer Umgebung ausübt. Dies kann zum Bruch des Wurzelbettgesteins führen.
Flechten
Flechten sind Organismen, die aus zwei Symbionten bestehen: einem Pilz (Mykobiont) und einer Alge, bei der es sich normalerweise um Cyanobakterien (Phykobiont) handelt. Es wurde berichtet, dass diese Organismen als Kolonisatoren die Verwitterung von Gesteinen verstärken.
Beispielsweise wurde festgestellt, dass Stereocaulon vesuvianum in Lavaströmen installiert ist, wodurch die Verwitterungsrate im Vergleich zu nicht kolonisierten Oberflächen um das 16-fache gesteigert werden kann. Diese Raten können sich an feuchten Orten wie auf Hawaii verdoppeln.
Es wurde auch festgestellt, dass die Flechten beim Absterben einen dunklen Fleck auf den Oberflächen des Felsens hinterlassen. Diese Stellen absorbieren mehr Strahlung als die umgebenden klaren Bereiche des Gesteins und fördern so die thermische Verwitterung oder Thermoklastien.
Meeresorganismen
Bestimmte Meeresorganismen kratzen an der Oberfläche der Felsen und perforieren sie, wodurch das Algenwachstum gefördert wird. Zu diesen perforierenden Organismen gehören Weichtiere und Schwämme.
Beispiele für diese Art von Organismen sind die Miesmuschel ( Mytilus edulis ) und die pflanzenfressende Gastropode Cittarium pica .
Chelation
Chelatbildung ist ein weiterer Mechanismus der Verwitterung, bei dem Metallionen und insbesondere Aluminium-, Eisen- und Manganionen aus Gesteinen entfernt werden.
Dies wird durch die Vereinigung und Sequestrierung von organischen Säuren (wie Fulvinsäure und Huminsäure) erreicht, um lösliche Komplexe von Organometallen zu bilden.
In diesem Fall stammen die Chelatbildner aus den Abbauprodukten der Pflanzen und aus den Sekreten der Wurzeln. Chelatbildung fördert die chemische Verwitterung und die Übertragung von Metallen in den Boden oder das Gestein.
