mini|300px|Wüstenpflaster. Der Maßstabswürfel hat die Kantenlänge 1 cm. mini|300px|Wüstenpflaster in der Rub al-Chali. Der Maßstabswürfel hat die Kantenlänge 1 cm.
Steinpflaster sind ebene, aus mineralischen Verwitterungstrümmern bestehende Oberflächen in Wüsten. Ihre maximalen Korngrößen überschreiten nur selten 100 Millimeter. Sie sind durch pedogene Anreicherungsprozesse gebildet worden und können weite Gebiete bedecken.
Definierende Beschreibung Steinpflaster, Wüstenpflaster oder Wüstenmosaik, im Englischen als desert pavement bezeichnet, sind typische Oberflächenformen arider Gebiete. Sie bestehen aus einer dünnen, einlagigen, kiesfraktionellen Oberflächenschicht, deren Mächtigkeit nur ein oder zwei Partikeldurchmesser (3,3 bis 10 Zentimeter) beträgt. Kleinere Korngrößen werden äolisch verlagert und größere Steine dienen nicht mehr als geeignete Sedimentfalle.
Die Gesamtfläche von Steinpflastern kann zwischen wenigen Quadratmetern bis hin zu einigen hundert Hektar variieren. Ihr Bedeckungsgrad liegt bei 50–90 %. Die das Pflaster aufbauenden Gesteinspartikel können gerundet oder eckig sein. Ihre Herkunft ist entweder allochthon oder autochthon, wobei zwischen primärer (Ausgangsgestein im Ursprungszustand) und sekundärer (durch Verwitterung zerkleinertes Ausgangsgestein) Bereitstellung unterschieden wird. Die freiliegende Oberfläche der Steine ist meist mit einem dunkelbraunen bis schwarzen Wüstenlack überzogen, welcher aus Eisen- und Manganoxiden besteht.
Das Pflaster überlagert einen wesentlich dickeren und feinkörnigeren Mantel aus vorwiegend äolischen Sedimenten, der keine gröberen Gerölle oder Gesteinsbruchstücke enthält. Dieser unterlagernde Mantel wird meist durch einen charakteristischen, steinfreien bis steinarmen Oberboden, dem so genannten Vesikularhorizont oder auch Av-Horizont, gekennzeichnet. Eine Wechselwirkung dieses blasenreichen Horizonts mit dem aufliegenden Wüstenpflaster wird in der Literatur häufig vermutet.
Bezeichnungen Steinpflaster tragen nach ihrer Art des Auftretens unterschiedliche, regionale Bezeichnungen. Wird das Pflaster vorwiegend aus Gesteinsbruchstücken und wesentlich wenigeren, losen Geröllen aufgebaut, so ist der Begriff Schutt-Hammada angebracht. Das Wort Hammada stammt aus dem Arabischen. hammāda ist abgeleitet von hāmid und bedeutet abgestorben, leblos, erstarrt, erloschen, unfruchtbar. Fels-Hamadas sind ausgedehnte Flächen, die weitgehend von großen, eckigen Gesteinsbruchstücken übersät werden (mit Korngrößen > 100 Millimeter). Sie treten beispielsweise in der Sahara Libyens auf. Bei einer Vormacht von kleineren, gerundeten Bruchstücken und geschlossener Oberfläche ist jedoch der arabische Begriff Reg angebracht, der kleiner werden bedeutet und Kieswüsten bezeichnet. Beispiele für Regs finden sich z. B. am Toten Meer und im Sinai. Reg-Oberflächen werden in der Zentralsahara als Serir bezeichnet, sie sind im Unterschied zu Regs jedoch aus kantigem Material zusammengesetzt. In Australien heißen Steinpflaster Gibber, Gibber Plains oder auch Stone Mantle und in Zentralasien gobi oder saï.
Entstehung Im Gegensatz zum optischen Eindruck, den Steinpflaster hervorrufen, handelt es sich nicht um die sichtbare, aberodierte Oberfläche einer mehr oder weniger dicht gepackten, losen Geröllbrekzie, sondern um eine oft nur 20–30 Millimeter flache Steinlage, die einen sehr lockeren Geröllmantel mit hohem Schluffanteil abdeckt. Der Fuß kann beim Betreten von Steinpflastern deshalb mehrere Zentimeter einsinken.
Vielmehr entstehen Steinpflaster durch eine Anreicherung der Kiesfraktion an der Oberfläche. In der Regel dauert dieser Sortierungsvorgang mehrere Jahrzehntausende, wobei durch Prozesse wie Deflation oder Turbation das ursprünglich vorhandene Feinmaterial ausgeblasen, abtransportiert und verlagert wird. Steinpflaster kennzeichnen daher immer auch rezente oder fossile Erosionsflächen.
Folgende geomorphologischen Prozesse können die Anreicherung bewerkstelligen:
Sedimentausblasung durch den Wind (Deflation). Oberflächenausspülung (Lessivierung). Aufwärtswandern der Kiesfraktion (Turbation). Langsame Bodenbildung (Akkumulation). Differentielle Verwitterung (Substrat-Erosion und Oberflächen-Erosion).
Deflation Die Deflation wird gewöhnlich als erstrangiger Entstehungsprozess für Steinpflaster angeführt. So waren frühe Erklärungsansätze von einer Auswehung des äolisch verlagerbaren Feinmaterials ausgegangen. Die Anreicherung erfolgt demzufolge durch den Wind, der kleine Korngrößen ausbläst und die Kiesfraktion als Residuum (engl. lag deposit) zurücklässt.
Die aeolische Deflation wirkt somit selektiv. Das bedeutet, dass Feinmaterial zuerst angegriffen und ausgeweht wird, während die groben Komponenten zurückbleiben und passiv an der Oberfläche akkumulieren. Ein so entstandener Bodenhorizont erreicht irgendwann einen stabilen, inaktiven Zustand. Eine weitere Umgestaltung findet nach vollständiger Ausprägung dann kaum mehr statt. Die Glätte der entstandenen Oberfläche bietet selbst bei höheren Windgeschwindigkeiten keinerlei Angriffsfläche mehr zur Auswehung des unter dem Steinpflaster befindlichen Bodens, der daher vor weiterer Deflation geschützt wird. Im Gegensatz zur kantigen, grobkörnigen Hammada, bei der es zwischen den Gesteinsfragmenten zu starken Makroverwirbelungen kommt, welche das Ausblasen des Schluffs noch verstärken, verbleiben die feinkörnigen Bestandteile unter und zwischen den Komponenten des Steinpflasters.
Die Deflations-These stützt sich auf Feldversuche, die eine Deflation von freiliegendem Feinmaterial belegen. Dabei wurden auf einen Quadratmeter 10 kg gesiebtes Material des Av-Horizontes künstlich aufgetragen. Innerhalb von drei Tagen wurde das Feinmaterial vollständig ausgeweht.
Der sehr geringe Anteil großer Gesteinsbruchstücke im Untergrund steht konträr zum aufliegenden Steinpflaster. Dies wird mit dem oberflächlichen Auswehen kleinerer Steine während der Pavementgenese erklärt. Bei dem Substrat handelt es sich um allochthones Material, welches durch Erosion der umliegenden Hochlagen bereitgestellt wurde und möglicherweise während feuchterer Klimaperioden in Form von Massenbewegungen (z. B. Muren) transportiert und abgelagert wurde.
Beispiele für sicher belegte Deflation finden sich in Israel und in der peruanischen Küstenwüste. In Peru wird das Pflaster von Sand und Kies unterlagert und nicht wie bei Steinpflastern üblich von Silt und Tonen.
Einige Forscher bezweifeln jedoch die Effizienz der Winderosion aufgrund:
Der beobachteten Bindung des Feinmaterials in Krusten. Der zunehmenden Abschirmung des Feinmaterials durch das langsam entstehende, an Relief gewinnende Pflaster. Der recht mächtigen Lage von Feinmaterial im Mantel unter dem Pflaster.
Die Deflation wird folglich nur als Teilprozess der Genese von Steinpflastern angesehen. Als Ursachen für das Aufwachsen des Grobbodenanteils gelten vielmehr Quell- und Schrumpfungsprozesse (Turbation). Weiterhin wird auf den Einfluss von Oberflächenabfluss (Ausspülung) als Hauptursache flächenhafter Erosion verwiesen, der Wechselbeziehung mit dem unterlagernden Vesikularhorizont und anderen mechanischen und chemischen Prozessen.
Ausspülung Die Ausspülung (Lessivierung), engl. wash, wird als weiterer wichtiger Anreicherungsprozess angesehen, wobei Inundationen der Oberfläche Feinmaterial hinwegführen. Mehrere Forscher konnten quantitativ nachweisen, dass in Steinpflastern, die von Ausspülung betroffen waren, beträchtliche Mengen an Feinmaterial freigesetzt werden. Für die Umgebung der Aguila Mountains in Arizona sieht McHargue in der Oberflächenspülung sogar eine notwendige Bedingung zur Entstehung von Steinpflastern. Damit sich erste Pflaster bilden können, müssen 1 bis 3 Zentimeter an Feinmaterial ausgewaschen werden; erst bei 3 bis 15 Zentimeter werden die Pflaster stabil.
Widersprüchlich sind jedoch in diesem Zusammenhang die weit verbreiteten Oberflächenkrusten, die die Effizienz des Ausspülprozesses in Frage stellen.
Turbation Der dritte und zweifellos am häufigsten hinzugezogene Anreicherungsprozess ist ein Aufwärtswandern der Kiesfraktion durch Turbation. Diese Theorie stellte eine Weiterführung der Deflationstheorie dar. Hierunter wird die Aufwärtsdynamik gröberen Gesteinsmaterials im quellfähigen Feinmaterial des unterlagernden Mantels verstanden. Je nach klimatischen Bedingungen, Substrat und anderen Faktoren kann es sich um Salzdynamik, Peloturbation oder Kryoturbation handeln. Der Einfluss der Bioturbation wird in der Literatur meist auf die laterale Bewegung von Steinen innerhalb der Diskussion um die Regeneration von Steinpflastern beschränkt und nicht als Ursache für ein flächiges Aufwachsen der Steine gesehen.
Kryoturbation beruht hauptsächlich auf der Volumenzunahme von Wasser beim Wechsel in den festen Aggregatzustand. Aufgrund der klimatischen Voraussetzungen – sie ist vor allem im periglazialen, glazialen und alpinen Milieu von Bedeutung – spielt sie für einige der Untersuchungsgebiete keine aktuelle Rolle, kann jedoch in Zeiten eines feuchteren und kälteren Klimas durchaus Einfluss ausgeübt haben. Eine Salzdynamik ist hingegen innerhalb arider Klimate weit verbreitet. Beim Ausfällen von Natriumchlorid oder Gips entsteht ein Kristallisationsdruck. Die Wirkungsweise ist vergleichbar mit dem Prinzip der Kryoturbation.
Das Wirkungsprinzip des Aufwachsens durch Peloturbation beruht auf einer Volumenzunahme des Sedimentkörpers. Die Aufwärtsbewegung wird durch alternierendes Befeuchten und Austrocknen in Gang gesetzt, welches das Feinmaterial anschwellen und wieder einschrumpfen lässt. Das gesamte Substrat erfährt dabei eine Aufwärtsbewegung. Durch das Anschwellen feinkörnigen Materials werden größere Fragmente nach oben gedrückt. Bei Einsetzen der Austrocknung können die größeren Fragmente nicht wieder in ihre Ausgangsposition zurücksinken, da mittlerweile Feinmaterial in den entstandenen Freiraum eingedrungen ist. Durch oftmalige Wiederholung des Vorgangs Einfeuchten/Austrocknen werden die groben Partikel somit ganz langsam an die Oberfläche verlagert.
Als Hauptursache der Aufwärtsbewegung werden die Quell- und Schrumpfungsvorgänge beim Befeuchten und Trocknen von Tonmineralen gesehen. Dabei kommt es während des Austrocknens zur Entstehung von oberflächlichen vertikalen Rissen in hexagonaler Anordnung, welche für eine abwärtige Verlagerung des Steinpflasters meist zu schmal sind und daher mit Silt verfüllt werden. Nach einem Niederschlagsereignis erfolgt eine Volumenzunahme der quellfähigen Tonminerale, was zu einem Herauspressen des Materials führt. Gestützt wird diese These durch ein Laborexperiment, bei welchem jeweils 12 Steine in einem Becherglas mit Feinboden begraben wurden und mit 22 Wiederholungen beregnet und getrocknet wurden. Vor jedem Zyklus wurde etwas Bodenmaterial über die Becher gestreut. Am Versuchsende wurde die Höhe der Steine gemessen und mit dem Ausgangswert verglichen. Die höchste Aufwärtsverlagerung betrug 1,02 Zentimeter. Steine eines Kontrollversuches, welche nicht beregnet wurden, zeigten hingegen keine Aufwärtsbewegung.
Der Anreicherungsprozess der Turbation ist am effektivsten in Mänteln, deren Böden einen starken Gefügekontrast zwischen dem A- und dem B-Horizont an den Tag legen. Eine Gipslage (engl. gypcrete) unterhalb des Steinpflasters kann jedoch den Anreicherungsprozess behindern.
Die Turbationstheorie bleibt insgesamt dennoch schwierig, da sie sich in der Natur kaum beobachten lässt – so wurden bisher noch keine Beweise für in Transit befindliche Gesteinsfragmente erbracht. Ferner erscheint in extrem ariden Regionen eine ausreichende Eindringtiefe der Feuchtigkeit recht fragwürdig.
Langsam akkumulierende Bodenbildung