Verwitterung bezeichnet in den Geowissenschaften die natürliche Zersetzung von Gestein infolge dessen exponierter Lage an oder nahe der Erdoberfläche. Dabei spielen mehrere Prozesse zusammen, die eine physikalische Zerstörung und/oder die chemische Veränderung des Gesteins – abiotisch oder biotisch verursacht – herbeiführen. Je nach Art der Verwitterung bleiben die gesteinsbildenden Minerale erhalten (physikalische Verwitterung) oder werden aufgelöst oder umgewandelt (chemische Verwitterung).
Einführung Allgemeines Die Gestalt der Erdoberfläche wird sowohl von Prozessen innerhalb und unterhalb der Erdkruste geformt (endogene Faktoren) als auch von Prozessen, die an oder nahe der Oberfläche wirken und zu einem Großteil von den jeweils herrschenden klimatischen Bedingungen abhängen (exogene Faktoren). Die wichtigsten endogenen Faktoren sind Vulkanismus und Tektonik. Die Verwitterung gehört zusammen mit Erosion sowie Sedimenttransport und -ablagerung zu den exogenen Faktoren (siehe auch Kreislauf der Gesteine).
Die Verwitterung wirkt dabei nicht für sich alleine, sondern ist, insbesondere in hochgelegenem Gelände mit steilen Hängen, oft das erste Glied einer Kette exogener Prozesse. So sorgt eine hohe Reliefenergie dafür, dass Verwitterungsprodukte zügig erodiert und an einer Stelle mit geringerer Reliefenergie wieder als Sediment abgelagert werden. Ebenes Gelände kann zwar auch von Erosion betroffen sein (vgl. Rumpffläche), jedoch ist sie dort wesentlich weniger effektiv. Deshalb können dort die Produkte der Gesteinsverwitterung lockere Oberflächenschichten bilden, die als Regolith bezeichnet werden. Der Regolith geht zur Tiefe in das unveränderte Gestein über, das allgemein als anstehendes Gestein (kurz das Anstehende) bezeichnet wird. Die Bodenkunde spricht hierbei vom C-Horizont.
Bei den Verwitterungsprozessen wird üblicherweise grob unterschieden in: Physikalische Prozesse – zumeist die mechanische Schwächung oder Zerstörung des Gesteinsverbandes infolge einer Volumenzunahme von einzelnen Komponenten desselben, die verschiedene Ursachen haben kann. Chemische Prozesse – Zersetzung einzelner oder aller Komponenten des Gesteinsverbandes. Biogene Prozesse – gesteinsschwächende Auswirkungen der Aktivität von Lebewesen.
Eine scharfe Trennung zwischen diesen drei Verwitterungsformen, die jeweils weiter untergliedert werden können, ist nicht immer möglich. So ist die biogene Verwitterung durch Pflanzen teils physikalischer (Turgordruck), teils chemischer Natur (Ätzwirkung). Außerdem setzt die Wirksamkeit einer Verwitterungsform häufig andere vorher angreifende Verwitterungsformen voraus: Chemische Verwitterung ist effektiver in einem durch physikalische Prozesse (die allerdings auch endogen sein können) bereits stark zerrütteten Gesteinskörper. An von Gletschereis glatt polierten Gesteinsoberflächen zeigen sich hingegen auch nach Jahrtausenden oft keine nennenswerten Anzeichen chemischer Verwitterung.Hans Georg Wunderlich: Einführung in die Geologie. Band 1: Exogene Dynamik (= BI-Hochschultaschenbücher 340/340a, ). Bibliographisches Institut, Mannheim 1968, S. 39.
Synonyme und Begriffsabgrenzung Nicht nur natürlich anstehende Gesteine sind Verwitterungsprozessen unterworfen, sondern auch Bau- und Kunstwerke aus Naturstein. In letztgenanntem Fall wird auch populär von Steinfraß gesprochen.
Allgemeinsprachlich wird unter „Verwittern“ die natürliche Zersetzung von Materialien, die dem direkten Einfluss der Witterung ausgesetzt sind, verstanden. Dies betrifft neben Gestein auch organische Materialien wie Holz sowie metallische Werkstoffe, Glas, Keramik und Kunststoffe. Bei organischen Materialien fällt diese Form der „Verwitterung“ unter den Oberbegriff Verrottung, bei Metallen, Glas, Keramik und Kunststoffen unter den Oberbegriff Korrosion. Bei Glas ist die sprachliche Nähe der Glaskorrosion zur Verwitterung besonders offensichtlich, da die aus sekundären Korrosionsprodukten bestehenden Krusten auf umweltgeschädigten Gläsern, beispielsweise bei gotischen Buntglasfenstern, von den Restauratoren als Wetterstein bezeichnet werden.Dieter R. Fuchs, Helmut Patzelt, Helmut K. Schmidt: Umweltbedingte Schädigungen an historischen Glasfenstern: Phänomene, Mechanismen, Konservierungskonzepte. In: Engin Bagda, Wilfried J. Bartz, Elmar Wippler (Hrsg.): Umwelteinflüsse auf Oberflächen: Belastungs- und Abbaumechanismen in Abhängigkeit von Umwelt- und Klimaeinflüssen. expert-Verlag, Ehningen bei Böblingen 1989, S. 174–192, doi:10.22028/D291-24348, S. 175 f.
Verrottung und Gesteinsverwitterung sind die wichtigsten Prozesse der Bodenbildung.
Physikalische Verwitterung mini|Ein durch physikalische Verwitterung mürbe gewordener Stein: 1 wie vorgefunden, 2 nach leichtem Drücken Physikalische Verwitterung (auch physische oder mechanische Verwitterung) ist ein breiter Begriff, der mehrere recht verschiedene physikalische Prozesse einschließt. Ihre Gemeinsamkeit besteht darin, dass sie alle das harte, massive anstehende Gestein in Fragmente zerlegen, deren Größe von großen Blöcken bis zu feinem Sand und Schluff reichen kann. Da dies auch durch die reibende und zermalmende Wirkung der Arbeit von Flüssen, Wellen und Strömungen, Wind und Gletschereis passiert, werden auch diese Prozesse bisweilen der physikalischen Verwitterung zugeordnet. Weil es sich dabei aber um externe mechanische Einwirkungen handelt, sollte dabei eher von Erosion statt von Verwitterung gesprochen werden.
Frostverwitterung mini|Ein durch Frostsprengung fragmentierter Stein im südlichen Island
Die Frostverwitterung (auch Frostsprengung) wird durch die Volumenausdehnung gefrierenden, im Poren- und Kluftraum befindlichen Wassers hervorgerufen und gehört zu den wichtigsten Prozessen der physikalischen Verwitterung. Entsprechend ist ihr Auftreten auf Gebiete mit kalten Wintern beschränkt, d. h., auf höhere geographische Breiten (Polargebiete und kaltgemäßigtes Klima) sowie die nivale Höhenstufe in Gebirgsregionen.
Bei der Frostsprengung kann ein Druck von über 200 MPa auftreten. Bei −5 °C beträgt der Druck 50 MPa. Bei −22 °C ist mit 211,5 MPa das Druckmaximum erreicht. Dabei kommt es zu einer Volumenzunahme von bis zu 9 %. Bei noch höherem Druck geht das Eis in eine andere, weniger Raum beanspruchende Form über.Herbert Louis, Klaus Fischer: Allgemeine Geomorphologie (= Lehrbuch der allgemeinen Geographie. Bd. 1). 4., erneuerte und erweiterte Auflage. de Gruyter, Berlin u. a. 1979, ISBN 3-11-007103-7, S. 113 ff.
Nahezu überall ist das anstehende Gestein von Spalten durchzogen, den sogenannten Klüften. Erstarrungsgesteine sind nur selten frei von Klüften, durch die das Wasser ins Innere des Gesteins gelangen kann (Spaltenfrost). In Sedimentgesteinen bilden die Schichtflächen eine natürliche Serie von Ebenen relativ geringer Widerständigkeit im Gestein; die Schichtflächen und die Klüfte kreuzen sich im rechten Winkel zueinander. Vergleichsweise geringe Kräfte genügen, um von Klüften und Schichtflächen begrenzte Blöcke aus dem anstehenden Gesteinsverband zu trennen, während viel mehr Kraft vonnöten ist, um im festen anstehenden Gestein neue, frische Spalten zu erzeugen. Der Prozess der Abtrennung von Blöcken aus dem Anstehenden heißt Blockzerfall.
Wenn grobkörniges Erstarrungsgestein durch chemische Zersetzung geschwächt wird, kann Wasser längs der Grenzflächen zwischen den Mineralkörnern in das Gestein eindringen; hier kann das Wasser gefrieren und durch den starken Druck der dabei auftretenden Volumenvergrößerung die Mineralkörner voneinander trennen. Dieser Prozess wird körniger Zerfall genannt. Das dabei entstehende Produkt ist ein Feinkies oder grober Sand, in dem jedes Korn aus einem einzelnen Mineralpartikel besteht, das von seinen Nachbarn längs der ursprünglichen Kristall- oder Korngrenze getrennt worden ist.
Frostsprengung kann auch in Baustoffen auftreten, die beispielsweise durch eindiffundierte Feuchte mit nachfolgender Kondensation durch Abkühlung unter den Taupunkt, vernässt worden sind.
Die Wirkung der Frostverwitterung ist in allen Klimaten zu beobachten, die eine winterliche Jahreszeit mit vielen Frostwechseln besitzen. Wo das anstehende Gestein an Felsen und Berggipfeln entblößt ist, werden Blöcke durch Wasser, das in den Klüften gefriert, von Gestein abgetrennt. Unter besonders günstigen Bedingungen, wie sie an hohen Berggipfeln und in der arktischen Tundra vorkommen, sammeln sich große, kantige Gesteinsbrocken in einer Schuttschicht an, die das darunterliegende anstehende Gestein völlig zudeckt. Der Name Felsenmeer bezeichnet solche ausgedehnten Decken aus groben Gesteinsblöcken.
Von Felswänden im Hochgebirge trennt die Frostverwitterung Gesteinsfragmente ab, die zum Fuß der Wand hinunterfallen. Wo die Produktion dieses Schutts mit einer hohen Rate geschieht, sammeln sich die Fragmente am Fuß der Felswände zu Schutthalden an. Frostverwitterung ist ein vorherrschender Prozess in der arktischen Tundra und ein Faktor in der Entwicklung einer großen Vielzahl verschiedener dort vorkommender Bodenstrukturen und Landformen.
Salzverwitterung mini|Felsnische im Mesa-Verde-Nationalpark, Colorado, USA mini|Salzfraß an der Theatinerkirche in München Der Wirkung der Frostverwitterung durch wachsende Eiskristalle sehr ähnlich ist der Effekt des Wachstums von Salzkristallen in Spalten und Poren von Gestein. Dieser Salzsprengung genannte Prozess ist besonders in trockenen Klimaten weit verbreitet. Grundwasser und Porenwasser enthalten gelöste Mineralsalze. In feuchtem porösem Material verdunstet salzhaltiges Porenwasser bereits in den nahe der Oberfläche gelegenen Kapillaren. Sobald durch Entzug des Wassers eine Übersättigung eintritt, bilden sich in diesem Bereich Salzkristalle.
Wenn in porösem Gestein beständig salzhaltiges Kapillarwasser nachgeführt wird, kann der Wachstums- oder auch Kristallisationsdruck der Kristalle den körnigen Zerfall der äußeren Gesteinsschale bewirken. Das Auskristallisieren aus übersättigten Lösungen erzeugt eine Druckwirkung von 13 MPa, und das Wachstum der Salzkristalle von 4 MPa. Denselben Prozess kann man auch an Gebäuden beobachten. Streusalz, das im Winter auf Straßen ausgestreut wird, dringt mit dem Spritzwasser in den Sockelbereich ein und kristallisiert dort aus. In schlecht abgedichteten Kellern dringt Bodenfeuchte durch das Mauerwerk und verdunstet an der Oberfläche. Salze aus dem Boden oder dem Mauerwerk selber führen zu Schäden insbesondere an kapillaren und weniger druckfesten Baustoffen wie Sandstein, niedrig gebrannten Mauerziegeln sowie Putz- und Mauermörteln.
Die Salzverwitterung ist allgemein typisch für Regionen mit aridem Klima, da die hohen Verdunstungsraten und die geringen Niederschlagsmengen die Konzentration und Ausfällung von Salzen im Porenraum des Gesteins begünstigen. In längeren Trockenperioden wird Wasser aus dem Inneren des Gesteins durch Kapillarkräfte an die Oberfläche gezogen. Unabhängig vom Klima tritt diese Form der Verwitterung vor allem an Felswänden oder am Ufersaum der Meeresküste auf, wo salziges Meerwasser im porösen Gestein aufsteigt und dort verdunstet.
Im Gebirge sickert Regenwasser durch durchlässige Gesteinsschichten und nimmt dabei Salze auf. Wenn das Sickerwasser auf dichtere Schichten (Tonschiefer zum Beispiel) trifft, verteilt es sich horizontal und verdunstet an der Oberfläche von tiefer gelegenen Hängen oder Felswänden.