Verwitterung

Physikalische Verwitterung , auch mechanische Verwitterung oder Disaggregation genannt , ist die Klasse von Prozessen, die den Zerfall von Gesteinen ohne chemische Veränderung bewirken. Es ist normalerweise viel weniger wichtig als chemische Verwitterung, kann jedoch in subarktischen oder alpinen Umgebungen von Bedeutung sein. ^[5] Darüber hinaus gehen chemische und physikalische Verwitterung häufig Hand in Hand. Beispielsweise erhöhen durch physikalische Verwitterung ausgedehnte Risse die Oberfläche, die chemischer Einwirkung ausgesetzt ist, wodurch die Zerfallsrate erhöht wird. ^[6]

Frostverwitterung ist die wichtigste Form der physischen Verwitterung. Als nächstes kommt die Verkeilung durch Pflanzenwurzeln, die manchmal in Risse in Felsen eindringen und diese auseinander hebeln. Das Graben von Würmern oder anderen Tieren kann ebenfalls zum Zerfall von Gestein beitragen, ebenso wie das "Zupfen" von Flechten. ^[7]

Frostverwitterung

Ein Felsen in Abisko , Schweden, brach entlang bestehender Fugen, möglicherweise durch Frostverwitterung oder thermische Beanspruchung.

Frostverwitterung ist der Sammelbegriff für jene Formen der physischen Verwitterung, die durch die Bildung von Eis in Felsvorsprüngen verursacht werden. Es wurde lange geglaubt, dass das wichtigste davon Frostkeile sind , die aus der Ausdehnung des Porenwassers beim Gefrieren resultieren. Eine wachsende Zahl theoretischer und experimenteller Arbeiten legt jedoch nahe, dass die Eissegregation , bei der unterkühltes Wasser zu Eislinsen wandert, die sich im Gestein bilden, der wichtigere Mechanismus ist. ^{[8] [9]}

Wenn Wasser gefriert, erhöht sich sein Volumen um 9,2%. Diese Erweiterung kann theoretisch Drücke erzeugen, die größer als 200 Megapascal (29.000 psi) sind, obwohl eine realistischere Obergrenze 14 Megapascal (2.000 psi) beträgt. Dies ist immer noch viel größer als die Zugfestigkeit von Granit, die etwa 4 Megapascal (580 psi) beträgt. Dies lässt Frostkeile, bei denen Porenwasser gefriert und dessen Volumenausdehnung das umschließende Gestein bricht, als plausibler Mechanismus für die Frostverwitterung erscheinen. Eis dehnt sich jedoch einfach aus einem geraden, offenen Bruch aus, bevor es einen signifikanten Druck erzeugen kann. Frostkeile können daher nur bei kleinen, gewundenen Brüchen auftreten. ^[5] Das Gestein muss außerdem fast vollständig mit Wasser gesättigt sein, da sich das Eis sonst einfach in die Lufträume des ungesättigten Gesteins ausdehnt, ohne viel Druck zu erzeugen. Diese Bedingungen sind so ungewöhnlich, dass Frostkeile wahrscheinlich nicht der dominierende Prozess der Frostverwitterung sind. ^[10] Frostkeile sind am effektivsten, wenn täglich mit Wasser gesättigtes Gestein geschmolzen und gefroren wird. Daher ist es unwahrscheinlich, dass sie in den Tropen, in Polarregionen oder in trockenen Klimazonen von Bedeutung sind. ^[5]

Die Eissegregation ist ein weniger gut charakterisierter Mechanismus der physischen Verwitterung. ^[8] Es findet statt, weil Eiskörner immer eine Oberflächenschicht haben, die oft nur wenige Moleküle dick ist und flüssigem Wasser mehr ähnelt als festes Eis, selbst bei Temperaturen weit unter dem Gefrierpunkt. Diese vorgeschmolzene Flüssigkeitsschicht weist ungewöhnliche Eigenschaften auf, einschließlich einer starken Tendenz, Wasser durch Kapillarwirkung aus wärmeren Teilen des Gesteins anzusaugen . Dies führt zu einem Wachstum des Eiskorns, das einen erheblichen Druck auf das umgebende Gestein ausübt ^{[11] und} bis zu zehnmal höher ist als dies bei Frostkeilen wahrscheinlich ist. Dieser Mechanismus ist am effektivsten bei Gesteinen, deren Temperatur im Durchschnitt knapp unter dem Gefrierpunkt von -4 bis -15 ° C (25 bis 5 ° F) liegt. Die Eissegregation führt zum Wachstum von Eisnadeln und Eislinsen innerhalb von Brüchen im Gestein und parallel zur Gesteinsoberfläche, die das Gestein allmählich auseinander hebeln. ^[9]

Wärmebelastung

Die Verwitterung durch thermische Beanspruchung resultiert aus der Ausdehnung und Kontraktion von Gestein aufgrund von Temperaturänderungen. Beispielsweise kann das Erhitzen von Gesteinen durch Sonnenlicht oder Feuer zu einer Ausdehnung ihrer Mineralbestandteile führen. Da sich einige Mineralien beim Erhitzen stärker ausdehnen als andere, führen Temperaturänderungen zu unterschiedlichen Spannungen, die schließlich dazu führen, dass das Gestein auseinander reißt. Da die äußere Oberfläche eines Gesteins oft wärmer oder kälter ist als die besser geschützten inneren Teile, können einige Steine aufgrund unterschiedlicher Spannungen zwischen dem inneren und dem äußeren Teil durch Peeling (Ablösen der äußeren Schichten) verwittern . Die Bewitterung durch thermische Beanspruchung ist am effektivsten, wenn der erhitzte Teil des Gesteins durch das umgebende Gestein gestützt wird, so dass er sich nur in eine Richtung ausdehnen kann. ^[12]

Die Bewitterung durch thermische Beanspruchung umfasst zwei Haupttypen: Thermoschock und thermische Ermüdung . Ein Wärmeschock tritt auf, wenn die Spannungen so groß sind, dass der Stein sofort reißt, dies ist jedoch ungewöhnlich. Typischer ist die thermische Ermüdung, bei der die Spannungen nicht groß genug sind, um ein sofortiges Versagen des Gesteins zu verursachen, aber wiederholte Zyklen von Spannung und Freisetzung das Gestein allmählich schwächen. ^[12]

Die Bewitterung durch thermischen Stress ist ein wichtiger Mechanismus in Wüsten , in denen es einen großen Tagestemperaturbereich gibt , der tagsüber heiß und nachts kalt ist. ^[13] Infolgedessen wird die Verwitterung durch thermische Beanspruchung manchmal als Sonneneinstrahlung bezeichnet , was jedoch irreführend ist. Witterungseinflüsse durch thermische Beanspruchung können durch große Temperaturänderungen und nicht nur durch intensive Sonnenwärme verursacht werden. In kalten Klimazonen ist dies wahrscheinlich genauso wichtig wie in heißen und trockenen Klimazonen. ^[12] Waldbrände können auch eine wichtige Ursache für die schnelle Verwitterung durch thermischen Stress sein. ^[14]

Die Bedeutung der Verwitterung durch thermischen Stress wurde von Geologen lange Zeit abgelehnt ^{[5] [9],} basierend auf Experimenten im frühen 20. Jahrhundert, die zu zeigen schienen, dass ihre Auswirkungen unwichtig waren. Diese Experimente wurden seitdem als unrealistisch kritisiert, da die Gesteinsproben klein waren, poliert wurden (was die Keimbildung von Brüchen verringert) und nicht gestützt wurden. Diese kleinen Proben konnten sich somit beim Erhitzen in Versuchsöfen frei in alle Richtungen ausdehnen, wodurch die in natürlichen Umgebungen wahrscheinlichen Belastungen nicht erzeugt wurden. Die Experimente waren auch empfindlicher gegenüber thermischem Schock als thermischer Ermüdung, aber thermische Ermüdung ist wahrscheinlich der wichtigere Mechanismus in der Natur. Geomorphologen haben begonnen, die Bedeutung der Verwitterung durch thermischen Stress, insbesondere in kalten Klimazonen, erneut zu betonen. ^[12]

Druckablass

Die Druckentlastung könnte die im Bild gezeigten abgeblätterten Granitplatten verursacht haben.

Druckentlastung oder Entlastung ist eine Form der physischen Verwitterung, die auftritt, wenn tief vergrabenes Gestein exhumiert wird . Tief unter der Erdoberfläche bilden sich aufdringliche magmatische Gesteine ​​wie Granit . Sie stehen aufgrund des darüber liegenden Gesteinsmaterials unter enormem Druck . Wenn durch Erosion das darüber liegende Gesteinsmaterial entfernt wird, werden diese aufdringlichen Gesteine ​​freigelegt und der Druck auf sie wird abgelassen. Die äußeren Teile der Felsen neigen dann dazu, sich auszudehnen. Durch die Ausdehnung entstehen Spannungen, die zur Bildung von Brüchen parallel zur Gesteinsoberfläche führen. Im Laufe der Zeit lösen sich Gesteinsschichten entlang der Brüche von den freiliegenden Gesteinen, was als Peeling bezeichnet wird . Peeling aufgrund von Druckentlastung wird auch als "Folie" bezeichnet. ^[fünfzehn]

Wie bei der thermischen Verwitterung ist die Druckentlastung bei gestütztem Gestein am effektivsten. Hier kann die auf die unbearbeitete Oberfläche gerichtete Differenzspannung bis zu 35 Megapascal (5.100 psi) betragen, was leicht genug ist, um Gestein zu zerbrechen. Dieser Mechanismus ist auch für das Abplatzen in Minen und Steinbrüchen sowie für die Bildung von Fugen in Felsvorsprüngen verantwortlich. ^[16]

Das Zurückziehen eines darüber liegenden Gletschers kann aufgrund der Druckentlastung auch zu einem Peeling führen. Dies kann durch andere physische Tragemechanismen verbessert werden. ^[17]

Salzkristallwachstum

Tafoni am Salt Point State Park , Sonoma County, Kalifornien .

Salzkristallisation (auch bekannt als Salz Verwitterung , Salz Verkeilen oder haloclasty ) verursacht Zerfall der Gesteine , wenn Salzlösungen in Risse und Fugen in den Felsen versickern und verdunsten, Salz verlassen Kristalle zurück. Wie bei der Eissegregation ziehen die Oberflächen der Salzkörner durch Kapillarwirkung zusätzliche gelöste Salze an, wodurch Salzlinsen wachsen, die einen hohen Druck auf das umgebende Gestein ausüben. Natrium- und Magnesiumsalze sind am wirksamsten bei der Erzeugung von Salzverwitterung. Salzverwitterung kann auch auftreten, wenn Pyrit in Sedimentgestein chemisch zu Eisen (II) sulfat und Gips verwittert wird , die dann als Salzlinsen kristallisieren. ^[9]

Salzkristallisation kann überall dort stattfinden, wo Salze durch Verdampfung konzentriert werden. Es ist daher am häufigsten in trockenen Klimazonen, in denen starke Erwärmung starke Verdunstung verursacht, und entlang der Küsten. ^[9] Salzverwitterung ist wahrscheinlich wichtig für die Bildung von Tafoni , einer Klasse von verwitterten Gesteinsverwitterungsstrukturen. ^[18]

Biologische Auswirkungen auf die mechanische Verwitterung

Lebende Organismen können sowohl zur mechanischen als auch zur chemischen Verwitterung beitragen (siehe § Biologische Verwitterung unten). Flechten und Moose wachsen auf im Wesentlichen kahlen Gesteinsoberflächen und schaffen eine feuchtere chemische Mikroumgebung. Die Anlagerung dieser Organismen an die Gesteinsoberfläche verbessert den physikalischen sowie chemischen Abbau der Oberflächenmikroschicht des Gesteins. Es wurde beobachtet, dass Flechten Mineralkörner mit ihren Hyphen (wurzelartigen Bindungsstrukturen), die als Zupfen bezeichnet werden , vom bloßen Schiefer lösen ^[15] und die Fragmente in ihren Körper ziehen, wo die Fragmente dann einem Prozess der chemischen Verwitterung nicht unterliegen im Gegensatz zur Verdauung. ^[19] In größerem Maßstab üben in einem Spalt und in Pflanzenwurzeln sprießende Sämlinge physischen Druck aus und bieten einen Weg für die Infiltration von Wasser und Chemikalien. ^[7]

Vergleich von unbewittertem (links) und verwittertem (rechts) Kalkstein.

Die meisten Gesteinsformen bilden sich bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck, und die Mineralien, aus denen das Gestein besteht, sind unter den für die Erdoberfläche typischen relativ kühlen, feuchten und oxidierenden Bedingungen häufig chemisch instabil. Chemische Verwitterung findet statt, wenn Wasser, Sauerstoff, Kohlendioxid und andere chemische Substanzen mit Gestein reagieren, um dessen Zusammensetzung zu ändern. Diese Reaktionen wandeln einige der ursprünglichen Primärmineralien im Gestein in Sekundärmineralien um , entfernen andere Substanzen als gelöste Stoffe und lassen die stabilsten Mineralien als chemisch unverändertes Resistat zurück . Tatsächlich wandelt die chemische Verwitterung den ursprünglichen Satz von Mineralien im Gestein in einen neuen Satz von Mineralien um, der sich im engeren Gleichgewicht mit den Oberflächenbedingungen befindet. Ein echtes Gleichgewicht wird jedoch selten erreicht, da die Verwitterung ein langsamer Prozess ist und das Auslaugen gelöste Stoffe, die durch Verwitterungsreaktionen entstehen, wegführt, bevor sie sich auf Gleichgewichtsniveaus ansammeln können. Dies gilt insbesondere in tropischen Umgebungen. ^[20]

Wasser ist das Hauptmittel der chemischen Verwitterung und wandelt viele Primärmineralien über Reaktionen, die zusammen als Hydrolyse bezeichnet werden, in Tonmineralien oder hydratisierte Oxide um . Sauerstoff ist ebenfalls wichtig, da er viele Mineralien oxidiert , ebenso wie Kohlendioxid, dessen Verwitterungsreaktionen als Karbonatisierung bezeichnet werden . Die chemische Verwitterung wird durch biologische Wirkstoffe wie die Säuren verstärkt, die durch den Stoffwechsel und Zerfall von Mikroben und Pflanzenwurzeln entstehen. ^[21]

Der Prozess der Anhebung von Gebirgsblöcken ist wichtig, um neue Gesteinsschichten der Atmosphäre und Feuchtigkeit auszusetzen und wichtige chemische Verwitterungen zu ermöglichen. Ca ²⁺ und andere Ionen werden in Oberflächengewässern signifikant ^freigesetzt . ^[22]

Auflösung

Kalkstein Kernproben in verschiedenen Stadien der chemischen Verwitterung (aufgrund tropischer regen und Grundwasser ), von sehr hohen in geringer Tiefe (unten) auf eine sehr niedrige in größerer Tiefen (oben). Leicht verwitterter Kalkstein weist bräunliche Flecken auf, während stark verwitterter Kalkstein einen Großteil seines Karbonatmineralgehalts verliert und Ton zurücklässt. Unterirdischer Kalkstein aus der karbonathaltigen westkongolischen Lagerstätte in Kimpese , Demokratische Republik Kongo .

Die Auflösung (auch als einfache Lösung oder kongruente Auflösung bezeichnet ) ist der Prozess, bei dem sich ein Mineral vollständig auflöst, ohne dass eine neue feste Substanz entsteht. ^[23] Regenwasser löst leicht lösliche Mineralien wie Halit oder Gips , kann aber bei ausreichender Zeit auch hochresistente Mineralien wie Quarz lösen . ^[24] Wasser bricht die Bindungen zwischen Atomen im Kristall: ^[25]

Die Gesamtreaktion zur Auflösung von Quarz ist

SiO
2 + 2H
2O → H.
4SiO
4

Der gelöste Quarz liegt in Form von Kieselsäure vor .

Eine besonders wichtige Form der Auflösung ist die Carbonatauflösung, bei der atmosphärisches Kohlendioxid die Verwitterung der Lösung verbessert. Die Auflösung von Karbonat betrifft Gesteine, die Kalziumkarbonat enthalten , wie Kalkstein und Kreide . Es findet statt, wenn sich Regenwasser mit Kohlendioxid zu Kohlensäure verbindet , einer schwachen Säure , die Calciumcarbonat (Kalkstein) löst und lösliches Calciumbicarbonat bildet . Trotz einer langsameren Reaktionskinetik wird dieser Prozess bei niedriger Temperatur thermodynamisch bevorzugt, da kälteres Wasser mehr gelöstes Kohlendioxidgas enthält (aufgrund der retrograden Löslichkeit von Gasen). Die Auflösung von Carbonat ist daher ein wichtiges Merkmal der Gletscherverwitterung. ^[26]

Die Carbonatauflösung umfasst die folgenden Schritte:

CO ₂ + H ₂ O → H ₂ CO ₃

Kohlendioxid + Wasser → Kohlensäure

H ₂ CO ₃ + CaCO ₃ → Ca (HCO ₃ ) ₂

Kohlensäure + Calciumcarbonat → Calciumbicarbonat

Die Carbonatauflösung auf der Oberfläche von gut verbundenem Kalkstein erzeugt einen zerlegten Kalksteinbelag . Dieser Prozess ist entlang der Gelenke am effektivsten, da sie verbreitert und vertieft werden. ^[27]

In unverschmutzten Umgebungen liegt der pH-Wert des Regenwassers aufgrund von gelöstem Kohlendioxid bei etwa 5,6. Saurer Regen tritt auf, wenn Gase wie Schwefeldioxid und Stickoxide in der Atmosphäre vorhanden sind. Diese Oxide reagieren im Regenwasser unter Bildung stärkerer Säuren und können den pH-Wert auf 4,5 oder sogar 3,0 senken. Schwefeldioxid , SO ₂ , stammt aus Vulkanausbrüchen oder aus fossilen Brennstoffen und kann im Regenwasser zu Schwefelsäure werden , wodurch die Felsen, auf die es fällt, verwittert werden. ^[28]

Hydrolyse und Karbonatisierung

Olivine Verwitterung Iddingsit in einem Mantel xenolith .

Die Hydrolyse (auch als inkongruente Auflösung bezeichnet ) ist eine Form der chemischen Verwitterung, bei der nur ein Teil eines Minerals in Lösung gebracht wird. Der Rest des Minerals wird in ein neues festes Material wie ein Tonmineral umgewandelt . ^[29] Beispielsweise Forsterit (Magnesium Olivin ) in festen hydrolisiert Brucit und Kieselsäure gelöst:

Mg ₂ SiO ₄ + 4 H ₂ O ≤ 2 Mg (OH) ₂ + H ₄ SiO ₄

Forsterit + Wasser ⇌ Brucit + Kieselsäure

Die meiste Hydrolyse während der Verwitterung von Mineralien ist die Säurehydrolyse , bei der Protonen (Wasserstoffionen), die in saurem Wasser vorhanden sind, chemische Bindungen in Mineralkristallen angreifen. ^[30] Die Bindungen zwischen verschiedenen Kationen und Sauerstoffionen in Mineralien unterscheiden sich in ihrer Stärke, und die schwächsten werden zuerst angegriffen. Das Ergebnis ist, dass Mineralien in magmatischem Gesteinswetter in ungefähr derselben Reihenfolge vorliegen, in der sie ursprünglich gebildet wurden ( Bowen's Reaction Series ). ^{[31] Die} relative Haftfestigkeit ist in der folgenden Tabelle aufgeführt: ^[25]

Diese Tabelle ist nur eine grobe Richtlinie für die Reihenfolge der Verwitterung. Einige Mineralien wie Illit sind ungewöhnlich stabil, während Kieselsäure aufgrund der Stärke der Silizium-Sauerstoff-Bindung ungewöhnlich instabil ist. ^[32]

Kohlendioxid, das sich in Wasser unter Bildung von Kohlensäure löst, ist die wichtigste Protonenquelle, aber auch organische Säuren sind wichtige natürliche Säurequellen. ^{[33] Die} Säurehydrolyse aus gelöstem Kohlendioxid wird manchmal als Karbonatisierung bezeichnet und kann zur Verwitterung der Primärmineralien zu Sekundärcarbonatmineralien führen. ^[34] Beispielsweise kann die Verwitterung von Forsterit über die Reaktion Magnesit anstelle von Brucit erzeugen:

Mg ₂ SiO ₄ + 2 CO ₂ + 2 H ₂ O ≤ 2 MgCO ₃ + H ₄ SiO ₄

Forsterit + Kohlendioxid + Wasser ⇌ Magnesit + Kieselsäure in Lösung

Kohlensäure wird durch Silikatverwitterung verbraucht , was aufgrund des Bicarbonats zu alkalischeren Lösungen führt . Dies ist eine wichtige Reaktion bei der Kontrolle der Menge an CO ₂ in der Atmosphäre und kann das Klima beeinflussen. ^[35]

Aluminosilikate, die hochlösliche Kationen wie Natrium- oder Kaliumionen enthalten, setzen die Kationen während der Säurehydrolyse als gelöste Bicarbonate frei:

2 KAlSi ₃ O ₈ + 2 H ₂ CO ₃ + 9 H ₂ O ⇌ Al ₂ Si ₂ O ₅ (OH) ₄ + 4 H ₄ SiO ₄ + 2 K ⁺ + 2 HCO ₃ ^-

Orthoklas (Aluminosilicat-Feldspat) + Kohlensäure + Wasser ⇌ Kaolinit (ein Tonmineral) + Kieselsäure in Lösung + Kalium- und Bicarbonationen in Lösung

Oxidation

Ein Pyrit Würfel wird von Wirtsgestein, so dass herausgelöst Goldpartikel zurück.

Oxidierte Pyritwürfel .

In der Witterungsumgebung tritt eine chemische Oxidation einer Vielzahl von Metallen auf. Am häufigsten wird die Oxidation von Fe ²⁺ ( Eisen ) durch Sauerstoff und Wasser unter Bildung von Fe ³⁺ -Oxiden und -Hydroxiden wie Goethit , Limonit und Hämatit beobachtet . Dies verleiht den betroffenen Gesteinen eine rotbraune Färbung auf der Oberfläche, die leicht zerbröckelt und das Gestein schwächt. Viele andere metallische Erze und Mineralien oxidieren und hydratisieren unter Bildung farbiger Ablagerungen, ebenso wie Schwefel während der Verwitterung von Sulfidmineralien wie Chalkopyriten oder CuFeS _{2, die} zu Kupferhydroxid und Eisenoxiden oxidieren . ^[36]

Flüssigkeitszufuhr

Die Mineralhydratation ist eine Form der chemischen Verwitterung, bei der Wassermoleküle oder H + - und OH- -Ionen starr an die Atome und Moleküle eines Minerals gebunden werden. Es findet keine signifikante Auflösung statt. Beispielsweise werden Eisenoxide in Eisenhydroxide umgewandelt und die Hydratisierung von Anhydrit bildet Gips . ^[37]

Die Massenhydratation von Mineralien ist für die Auflösung, Hydrolyse und Oxidation von untergeordneter Bedeutung, ^[36] aber die Hydratation der Kristalloberfläche ist der entscheidende erste Schritt bei der Hydrolyse. Eine frische Oberfläche eines Mineralkristalls legt Ionen frei, deren elektrische Ladung Wassermoleküle anzieht. Einige dieser Moleküle brechen in H + ein, das an exponierte Anionen (normalerweise Sauerstoff) bindet, und in OH-, das an exponierte Kationen bindet. Dies stört die Oberfläche weiter und macht sie anfällig für verschiedene Hydrolysereaktionen. Zusätzliche Protonen ersetzen in der Oberfläche freiliegende Kationen und setzen die Kationen als gelöste Stoffe frei. Wenn Kationen entfernt werden, werden Silizium-Sauerstoff- und Silizium-Aluminium-Bindungen anfälliger für Hydrolyse, wodurch Kieselsäure und Aluminiumhydroxide freigesetzt werden, um ausgelaugt zu werden oder Tonmineralien zu bilden. ^{[32] [38]} Laborexperimente zeigen, dass die Verwitterung von Feldspatkristallen bei Versetzungen oder anderen Defekten auf der Oberfläche des Kristalls beginnt und dass die Verwitterungsschicht nur wenige Atome dick ist. Die Diffusion innerhalb des Mineralkorns scheint nicht signifikant zu sein. ^[39]

Ein frisch gebrochenes Gestein zeigt eine unterschiedliche chemische Verwitterung (wahrscheinlich hauptsächlich Oxidation), die nach innen fortschreitet. Dieses Stück Sandstein wurde in einer Gletscherdrift in der Nähe von Angelica, New York, gefunden .

Biologische Verwitterung

Mineralische Verwitterung kann auch durch Bodenmikroorganismen ausgelöst oder beschleunigt werden. Bodenorganismen machen etwa 10 mg / cm ³ typischer Böden aus, und Laborexperimente haben gezeigt, dass Albit und Muskovit in lebenden und sterilen Böden doppelt so schnell wetterfest sind. Flechten auf Felsen gehören zu den wirksamsten biologischen Wirkstoffen der chemischen Verwitterung. ^[33] Beispielsweise zeigte eine experimentelle Studie zu Hornblende-Granit in New Jersey, USA, einen 3- bis 4-fachen Anstieg der Verwitterungsrate unter mit Flechten bedeckten Oberflächen im Vergleich zu kürzlich freigelegten bloßen Gesteinsoberflächen. ^[40]

Biologische Verwitterung von Basalt durch Flechten , La Palma .

Die häufigsten Formen der biologischen Verwitterung resultieren aus der Freisetzung von Chelatverbindungen (wie bestimmten organischen Säuren und Siderophoren ) sowie von Kohlendioxid und organischen Säuren durch Pflanzen. Wurzeln können den Kohlendioxidgehalt auf 30% aller Bodengase erhöhen, was durch die Adsorption von CO2 an Tonmineralien und die sehr langsame Diffusionsrate von CO2 aus dem Boden unterstützt wird. ^[41] CO2 und organische Säuren helfen dabei, aluminium- und eisenhaltige Verbindungen in den darunter liegenden Böden abzubauen . Wurzeln haben eine negative elektrische Ladung, die durch Protonen im Boden neben den Wurzeln ausgeglichen wird, und diese können gegen essentielle Nährstoffkationen wie Kalium ausgetauscht werden. ^[42] Verfallende Überreste abgestorbener Pflanzen im Boden können organische Säuren bilden, die, wenn sie in Wasser gelöst werden, chemische Verwitterung verursachen. ^[43] Chelatverbindungen, meist niedermolekulare organische Säuren, können Metallionen von bloßen Gesteinsoberflächen entfernen, wobei Aluminium und Silizium besonders anfällig sind. ^[44] Die Fähigkeit, nacktes Gestein abzubauen, ermöglicht es Flechten, zu den ersten Besiedlern von trockenem Land zu gehören. ^[45] Die Anreicherung von Chelatbildnern kann die umgebenden Gesteine ​​und Böden leicht beeinträchtigen und zur Podsolisierung von Böden führen. ^{[46] [47]}

Die symbiotischen Mykorrhizapilze, die mit Baumwurzelsystemen assoziiert sind, können anorganische Nährstoffe aus Mineralien wie Apatit oder Biotit freisetzen und diese Nährstoffe auf die Bäume übertragen, wodurch sie zur Baumernährung beitragen. ^[48] Kürzlich wurde auch nachgewiesen, dass Bakteriengemeinschaften die Mineralstabilität beeinflussen können, was zur Freisetzung anorganischer Nährstoffe führt. ^[49] Es wurde berichtet, dass eine Vielzahl von Bakterienstämmen oder -gemeinschaften aus verschiedenen Gattungen Mineraloberflächen besiedeln oder Mineralien verwittern können, und für einige von ihnen wurde eine das Pflanzenwachstum fördernde Wirkung nachgewiesen. ^[50] Die nachgewiesenen oder hypothetischen Mechanismen, mit denen Bakterien Mineralien verwittern, umfassen verschiedene Oxidoreduktions- und Auflösungsreaktionen sowie die Produktion von Verwitterungsmitteln wie Protonen, organischen Säuren und Chelatmolekülen.

Die Verwitterung der basaltischen ozeanischen Kruste unterscheidet sich in wichtigen Punkten von der Verwitterung in der Atmosphäre. Die Verwitterung ist relativ langsam, wobei der Basalt mit einer Rate von etwa 15% pro 100 Millionen Jahre weniger dicht wird. Der Basalt wird hydratisiert und auf Kosten von Kieselsäure, Titan, Aluminium, Eisen und Kalzium mit Gesamt- und Eisen (III), Magnesium und Natrium angereichert. ^[51]

Beton durch sauren Regen beschädigt .

Gebäude aus Stein, Ziegel oder Beton sind denselben Witterungseinflüssen ausgesetzt wie freiliegende Gesteinsoberflächen. Auch Statuen , Denkmäler und Ziermauerwerk können durch natürliche Verwitterungsprozesse stark beschädigt werden. Dies wird in Gebieten beschleunigt, die stark von saurem Regen betroffen sind . ^[52]

Granitgestein, das am häufigsten an der Erdoberfläche freiliegende kristalline Gestein, beginnt mit der Zerstörung der Hornblende zu verwittern . Biotit verwittert dann zu Vermiculit und schließlich werden Oligoklas und Mikroklin zerstört. Alle werden in eine Mischung aus Tonmineralien und Eisenoxiden umgewandelt. ^[31] Der resultierende Boden ist im Vergleich zum Grundgestein an Kalzium, Natrium und Eisen (II) abgereichert, und Magnesium ist um 40% und Silizium um 15% reduziert. Gleichzeitig ist der Boden zu mindestens 50% mit Aluminium und Kalium angereichert; durch Titan, dessen Fülle sich verdreifacht; und durch Eisen (III), dessen Häufigkeit im Vergleich zum Grundgestein um eine Größenordnung zunimmt. ^[53]

Basaltgestein ist aufgrund seiner Bildung bei höheren Temperaturen und trockeneren Bedingungen leichter zu verwittern als Granitgestein. Die feine Korngröße und das Vorhandensein von vulkanischem Glas beschleunigen ebenfalls die Verwitterung. In tropischen Umgebungen verwittert es schnell zu Tonmineralien, Aluminiumhydroxiden und mit Titan angereicherten Eisenoxiden. Da der meiste Basalt relativ kaliumarm ist, verwittert der Basalt direkt zu kaliumarmem Montmorillonit und dann zu Kaolinit . Bei kontinuierlicher und intensiver Auswaschung wie in Regenwäldern ist Bauxit , das Haupterz von Aluminium , das endgültige Verwitterungsprodukt . Bei intensiven, aber saisonalen Niederschlägen wie im Monsunklima ist das endgültige Verwitterungsprodukt eisen- und titanreicher Laterit . ^{[54] Die} Umwandlung von Kaolinit in Bauxit erfolgt nur bei intensiver Auswaschung, da gewöhnliches Flusswasser mit Kaolinit im Gleichgewicht ist. ^[55]

Die Bodenbildung erfordert zwischen 100 und 1000 Jahre, ein sehr kurzes Intervall in der geologischen Zeit. Infolgedessen weisen einige Formationen zahlreiche Paläosolbetten (fossile Böden) auf. Beispielsweise enthält die Willwood-Formation von Wyoming über 1000 Paläosolschichten in einem Abschnitt von 770 Metern (2.530 Fuß), was einer geologischen Zeit von 3,5 Millionen Jahren entspricht. Paläosole wurden in Formationen identifiziert, die so alt sind wie Archean (über 2,5 Milliarden Jahre alt). Paläosole sind jedoch in der geologischen Aufzeichnung schwer zu erkennen. ^{[56] Zu den} Hinweisen darauf, dass ein Sedimentbett ein Paläosol ist, gehören eine abgestufte untere Grenze und eine scharfe obere Grenze, das Vorhandensein von viel Ton, eine schlechte Sortierung mit wenigen Sedimentstrukturen, Aufreißklasten in darüber liegenden Betten und Austrocknungsrisse, die Material aus höheren Betten enthalten . ^[57]

Der Verwitterungsgrad eines Bodens kann als chemischer Änderungsindex ausgedrückt werden , definiert als 100 Al
2Ö
3/ (Al
2Ö
3 + CaO + Na
2O + K.
2O) . Dies variiert von 47 für unbewittertes Gestein der oberen Kruste bis 100 für vollständig verwittertes Material. ^[58]

Holz kann durch Hydrolyse und andere für Mineralien relevante Prozesse physikalisch und chemisch verwittert werden. Darüber hinaus ist Holz sehr anfällig für Verwitterung durch ultraviolette Strahlung des Sonnenlichts. Dies induziert photochemische Reaktionen, die die Holzoberfläche zersetzen. ^[59] Photochemische Reaktionen sind auch bei der Verwitterung von Farben ^[60] und Kunststoffen von Bedeutung. ^[61]

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  Salzverwitterung von Baustein auf der Insel Gozo , Malta .

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  Salzverwitterung von Sandstein nahe Qobustan , Aserbaidschan .

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  Diese permische Sandsteinmauer in der Nähe von Sedona, Arizona , USA, ist in eine kleine Nische verwittert .

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  Verwitterung auf einer Sandsteinsäule in Bayreuth .

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  Verwitterungseffekt von saurem Regen auf Statuen.

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  Verwitterungseffekt auf einer Sandsteinstatue in Dresden, Deutschland.