Vom Gestein zum Regolith – Kaffeekochen mit Gestein.

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Grob gesagt funktioniert Verwitterung wie Kaffeekochen. Eigenes Foto

Auf unverwittertem, festem Gestein, wie beispielsweise Granit, können nur die wenigsten Pflanzen leben. Es fehlt ihnen an Porenraum und an Nährstoffen. Beides wird erst durch die Verwitterung der Gesteine zur Verfügung gestellt. Die grüne Hülle der Erde wird durch eine braune Hülle von verwitterndem Gestein getragen. Diese Schicht aus zerfallenden und sich aus den Resten der ursprünglichen Mineralen neu bildenden Minerale wird als Regolith bezeichnet, von altgr. ῥῆγμα, regma = Bruch und λἰθος, lithos = Stein. Dieser Regolith bedeckt weite Gebiete der Kontinente. Die Verwandlung eines biologisch weitgehend unbrauchbaren Festgesteins in ein gutes Substrat für die verschiedenen Lebewesen wird hauptsächlich durch den zur Verfügung stehenden Porenraum gesteuert. Man könnte es auch schlicht so ausdrücken: Verwitterung ist im Großen und Ganzen so ähnlich wie Kaffeekochen. Die Kaffeebohnen müssen erst zerkleinert werden, bevor sie einen vernünftigen Kaffee abgeben. Wir erweitern mit der Kaffeemühle vorher den Porenraum unserer Kaffeebohnen und vergrößern damit die Oberfläche. Dann ziehen wir mit Hilfe von Wasser bestimmte, leichtlösliche Elemente aus ihnen heraus und führen diese ab. Zurück bleibt der schwerer lösliche  Rest.

ResearchBlogging.orgDie chemische Verwitterung ist im Übrigen auch ein wichtiger Prozess für die Bildung bestimmter Lagerstätten, wie beispielsweise Bauxit (Aluminium). Auch für Nickelerze sind diese chemischen Verwitterungsprozesse bedeutsam, so haben sich die Nickelerze auf Neukaledonien durch die intensive chemische Verwitterung von normalerweise nur schwach nickelhaltigen Gesteinen gebildet. Natürlich können auch Lebewesen in diese Prozesse eingreifen.

Die Erweiterung des Porenraumes wurde von GRAHAM et al. (2010) als einer der Schlüsselprozesse in der Verwitterung erkannt. Nehmen wir einmal ein handelsübliches Gestein wie Granit, welches rund zwei drittel der Erdkruste aufbaut und gut 15% der Erdoberfläche der Kontinente. Granit ist ein Tiefengestein (Plutonit), das heißt, es bildet sich in der Tiefe aus Magma, also geschmolzenem Gesteinsmaterial. An der Erdoberfläche zeigt dieser Granit nur eine extrem geringe Porosität. Regenwasser wird hauptsächlich über die Oberfläche abfließen oder in Spalten, Klüfte genannt, rasch verschwinden. Diese Klüfte sind typisch für Granite, sie entstehen dadurch, dass das in der Tiefe erstarrte Gestein durch den dortigen hohen Druck zusammengepresst wurde und wenn es an die Erdoberfläche gelangt, dehnt es sich durch den nun fehlenden Druck aus. Diese Ausdehnung lässt Klüfte aufreißen, die für den Granit meist in einer charakteristischen Form zu finden sind und meist rechtwinklig zueinander stehen. Neben diesen Klüften kommen auch noch andere vor, die je nach der geologischen Geschichte des betreffenden Gesteins durch tektonische, hydrothermale oder andere Ereignisse hervorgerufen werden. Außerdem enthält Granit rund 30 wichtige essentielle Elemente, wie sie für die Pflanzenernährung wichtig sind, wie zum Beispiel Phosphor, Kalium, Magnesium und Calcium. Leider sind diese Elemente für eventuelle Pflanzen nahezu unerreichbar in Mineralen eingeschlossen. Das bedeutet, dass in einem unverwitterten Granit weder genügend Wurzelraum, noch ausreichend Wasser oder Nährstoffe zur Verfügung stehen. Wenn unser Granit aber in die Nähe der Erdoberfläche gelangt, dann wird meist Wasser entlang der Klüfte in den Gesteinskörper eindringen. Auf den Oberflächen der einzelnen Granitblöcke werden dabei vom Wasser einzelne Minerale gelöst, zum Beispiel die auch in Graniten in Spuren enthaltenen Minerale wie Calcit oder, besonders für Lebewesen wichtig, Apatit. Außerdem werden eisenhaltige Minerale, wie beispielsweise Biotit, oxidiert. Das ist ein sehr häufiges Mineral in Graniten, gemäß der alten Geologen-Eselsbrücke: Feldspat, Quarz und Glimmer, die vergess ich nimmer.

 

 

Mischkristallreihe des Biotits mit ihren Endgliedern. Das graue Feld zeigt die Zusammensetzung, die in der Natur meist verwirklicht ist.

Biotit ist ein Mischkristall. Also eine Mischung aus verschiedenen Mineralen, nämlich Annit (Eisen-haltig) und Phogopit (Magnesium-haltig). Dazu kommt oft noch ein Austausch von Eisen und Magnesium gegen Aluminium. Daraus ergeben sich gewisse Probleme für das Mineral, es muss die unterschiedlichen Ladungen ausgleichen (schließlich will es ja neutral bleiben). Dadurch wird in dem Silikat auf verschiedenen Positionen Silizium gegen Aluminium auf den Tetraederpositionen ersetzt, was die ganze Mischkristallreihe etwas komplizierter macht. Am einfachsten lässt es sich grafisch darstellen. In seiner Eigenschaft als Schichtsilikat ist der Biotit gegenüber der Verwitterung relativ empfindlich. Dabei kann dieser Vorgang auch noch zusätzlich durch verschiedene Mikroorganismen unterstützt und beschleunigt werden.

 

 

Schematischer Aufbau eines Schichtsilikats wie Biotit. T = Tetraederschichten, O = Oktaederschichten. M steht für die Metallionen. Wikimedia User Bubenik, CC-SA-3.0

Das Mineral wird durch zweidimensionale Netzwerke aus Tetraeder- und Oktaederschichten aufgebaut, die durch Zwischenschichtionen aus Kalium (als rote Kugeln dargestellt) miteinander verbunden sind. In der Oktaederschicht sind alternierend Fe- oder Mg-Ionen (hier als helle oder dunkle Oktaeder dargestellt) eingebaut. Schon dieses Bild zeigt deutlich, dass man nicht viel Gewalt einsetzen muss, um den Biotit zu zersetzen. man muss schlicht nur die Zwischenschichtionen (Kalium) durch meist hydratisierte Ionen austauschen, und schon wird der Zusammenhalt der Schichtpakete entscheidend geschwächt.
Dabei kann die Verwitterungsfront auf zwei Weisen in das Mineral vordringen. Entweder schichtweise, hier als b) dargestellt, oder von den Kanten her, hier als c). Der schichtweise Austausch weitet die Zwischenschichten auf, während die dort befindlichen Kalium-Ionen gegen hydratisierte Ionen ausgetauscht werden. Der Vorgang führt zu so genannten Mixed-Layer-Mineralen, die irgendwo zwischen den Endgliedern Biotit – Smectit oder Biotit – Vermiculit stehen.

 

  Schema der Verwitterung von Biotit. Rote Punkte sind die Zwischenschichtionen, blaue Kreise hydratisierte Ionen.

Im zweiten Fall der Verwitterung von den Kanten her werden die einzelnen Schichten entlang der Kristallkanten oder von Rissen aus aufgeweitet. Der Kern des Minerals bleibt hier noch eine Zeitlang unverändert. Hinzu kommt noch, dass das Eisen im Biotit in der zweiwertigen Form vorliegt. Unter den Bedingungen, wie sie im verwitternden Gestein herrschen, neigt Eisen aber dazu, zur dreiwertigen Form zu oxidieren. Wenn aber das Eisen in der Oktaederschicht zu dreiwertigem Eisen wird, muss auf irgendeine Weise wieder ein Ladungsausgleich erfolgen. Meist ist es wieder das Zwischenschichtion, also das Kalium, das den Preis bezahlt und seinen Platz verlassen muss, aber auch zweiwertiges Eisen und Silizium verlassen das Mineral.
Die einzelnen Lamellen weiten sich auf, verbiegen sich und verlieren ihren Zusammenhalt. In diesem Zustand ist es für jede Pflanze und auch jeden Pilz sicher entsprechend einfach, das Mineral weiter zu knacken. Aber auch ein frischer Biotit ist aufgrund seines internen Baus sicher geradezu prädestiniert dafür, Pflanzen als Lieferant für wichtige Nährstoffe zu dienen. Am Ende der Verwitterung des Biotits stehen verschiedene Tonminerale wie die bereits oben erwähnten Smectite oder Vermiculit. Besonders die quellfähigen Smectite sind in Böden gerne gesehen, da sie viele Eigenschaften aufweisen, welchefür das Wachstum von Pflanzen sehr förderlich sind.


Angewitterter Biotit mit deutlich erkennbar aufgeweiteten Lamellen. Foto: Gunnar Ries

Dabei wird auch der Porenraum unablässig erweitert. Einmal durch die physikalische Verwitterung, wenn das Wasser in engeren Klüften und Poren gefriert (in kälteren Klimaten), oder wenn sich dort (in wärmeren Klimaten) neue, wasserhaltige Minerale bilden. Der dabei entstehende Druck erweitert die Klüfte und Poren und erleichtert nachfolgendem Wasser, sein lösendes Werk in den Tiefen des Gesteins zu bewirken. Aber auch die Aufweitung der Lamellen des Biotits helfen dabei, den Porenraum zu erweitern. So gehen GRAHAM et al. (2010) davon aus, dass der Austausch von Kalium aus dem Biotit gegen Magnesium in der Verwitterungslösung den zu einer Ausdehnung um rund 40% führt, mit der entsprechenden Aufweitung der benachbarten Mineralzwischenräume. Der Austausch von Ionen und die Oxidation von Biotit führen so zu der Bildung von Porennetzwerken in seiner direkten Umgebung. Durch diese Porennetzwerke verschafft sich das frische, mit Sauerstoff und Kohlensäure beladene Wasser einen immer besseren Zutritt in das Gestein und kann in immer neuen und tieferen bereichen sein zersetzendes Werk vollführen. Gleichzeitig können die gelösten Stoffe besser abgeführt.
Schließlich wird das ursprüngliche feste Gestein in etwas verwandelt, das als Saprock bezeichnet wird, ein weitgehend verwittertes Gestein, welches zwar noch vielfach das Aussehen und die Textur des Ausgangsgesteins zeigt und sogar noch dieselben Klüfte und Risse zeigt, dass sich aber mit einer hand zerbröseln lässt. Die interne Oberfläche dieses neuen Gesteins ist wesentlich höher als die des ursprünglichen Granits in unserem Beispiel. In weiteren Stufen verwittern auch andere Minerale, wie zum Beispiel die Feldspäte. Sie werden meist ersetzt durch neugebildete Minerale wie Kaolin oder Gibbsit. Dieses Gestein wird Saprolit genannt. Es zeigt immer noch annähernd die selbe Textur wie das Ausgangsgestein, aber die meisten seiner ursprünglichen Minerale wie Glimmer (Biotit), Feldspat oder auch Amphibole sind verwittert und durch neugebildete Tonminerale (wie Kaolin, Gibbsit, Smectite und Vermiculite) ersetzt. Das zeigt sich meist im feuchten Zustand, denn dann ist das Gestein jetzt plastisch verformbar.

 

Verwitterung in der vadosen Zone geht von der Klüftung und kleinen Spalten im Gestein aus und dringt von dort gleichmäßig in das Gestein ein. Schliesslich bleiben nur kleine “Corestones” des ursprünglichen Gesteins in der vadosen Zone zurück.

Bei der Vergrößerung des Porenraumes spielen auch Lebewesen eine wesentliche Rolle. Da der Zugang zu Wasser und Nährstoffen für die Pflanzen essentiell ist, und die Nährstoffe im Wasser gelöst sind, welches sich in den Klüften des Saprocks befindet, müssen die Wurzeln der Pflanzen oft sehr tief hinabreichen. Das kann in Extremfällen bis zu 20 m Tiefe bedeuten. Symbiotische Pilze unterstützen die Pflanzenwurzeln bei dieser Arbeit. Die Wurzeln und Pilzhyphen können kleine und kleinste Spalten gewaltsam erweitern, daneben können Pilze zusätzlich noch die Freisetzung von Nährstoffen durch die Abgabe organischer Säuren fördern. Bakterien sind an der Verwitterung ebenfalls vielfach beteiligt.
Wenn das ursprüngliche Gestein erst einmal verwittert ist und seine Minerale aufgelöst oder zerkleinert sind, können die übrig gebliebenen Bestandteile sehr leicht von Wind oder Wasser abgetragen werden, sofern sie nicht von  organischem Material und Wurzeln festgehalten werden. Der Verlust an Material wird für die meisten Gebiete zwischen 1 und 10 000 mm pro Jahr geschätzt. Das bedeutet, dass die Neubildung von Regolith zumindest in derselben Geschwindigkeit ablaufen muss, damit pflanzliches Leben gedeihen kann. Dabei ist die Neubildungsrate von Regolith letztlich nur schwer zu schätzen. Die Verwitterungsraten der meisten Minerale kann man im Labor bestimmen, aber für die allermeisten  Gebiete ist die Verteilung der Poren und der Klüfte im Untergrund nur in sehr nicht bekannt. Daher weichen Verwitterungsgeschwindigkeit von einzelnen Mineralen oder auch kleineren Gesteinspartien im Labor und geschätzte Verwitterungsraten im Landschaftsmaßstab oftmals um mindestens eine Größenordung voneinander ab. Dabei wäre es enorm wichtig zu wissen, wie schnell sich die Verwitterungsdecke erneuert, wenn man bedenkt, dass die verschiedenen Aktivitäten des Menschen nicht nur direkt von einem für Lebewesen brauchbaren Substrat abhängen, sondern vor allem, wenn man bedenkt, dass der Mensch vielfach die Erosionsraten um bis zum 30-fachen des natürlichen Wertes beschleunigt hat.
In der Natur hängt die Geschwindigkeit, mit der ein Gestein verwittert, von vielen Faktoren ab. Granite von rund 10 Zentimetern Durchmesser in glazialen Moränen in der Sierra Nevada in Kalifornien sind  zu Saprolit verwittert, wenn diese Moränen mindestens 81 000 Jahre alt sind. Das entspricht rund 5 cm pro 81 000 Jahre (bei angenommener runder Form) oder einer Rate von rund 0,6 m pro 1000 Jahre, während in Granodioriten in Südost Australien die Verwitterung zu Saprolit mit einer Geschwindigkeit von 4 bis 41 m pro 1000 Jahre voranschreitet. Das hängt unter anderem auch mit der zur Verfügung stehenden Menge an Regenwasser zusammen, die in der Sierra Nevada 200 mm/J und in Südost Australien 910 mm/J beträgt. Außerdem ist die so genannte Verwitterungsfront meist keine ebene Fläche, die langsam nach unten in das Ausgangsgestein vordringt. Sondern sie besteht aus einer Zone, bis in die Niederschläge in das Gestein vordringen, die so genannte vadose Zone. Diese ist in der Sierra Nevada rund 4 bis 8 m mächtig, mit rund 50 cm voneinander entfernten Klüften. Innerhalb dieser Zone wird das Ausgangsgestein ausgehend von Klüften und kleinsten Spalten verwittert. Und zwar von allen Seiten gleichzeitig. Granit mit dieser Klüftung kann ohne Probleme in 400 000 Jahren verwittern, was bei einer 4 m mächtigen Verwitterungszone rund 0,01 m7Jahr bedeuten würde. Bei einer 8 m mächtigen Verwitterungszone würde der Betrag sich verdoppeln. Interessanterweise sind diese Werte durchaus mit denen von Südost Australien vergleichbar, wo 0,004 – 0,046 m/Jahr an Saprolitbildung angenommen werden.
Wenn die Erosion die Verwitterungsprodukte schneller abträgt, als diese von der Verwitterung nachgeliefert werden können, dann ist das betreffende Ökosystem nicht nachhaltig lebensfähig, da den Pflanzen der notwendige Lebensraum und die Nährstoffe fehlen. Erst die Verwitterung macht aus biologisch weitgehend unbrauchbaren Gesteinen einen Lebensraum, welcher Lebensräume, Wasser und Nährstoffe bereithält.
Graham, R., Rossi, A., & Hubbert, R. (2010). Rock to regolith conversion: Producing hospitable substrates for terrestrial ecosystems GSA Today, 4-9 DOI: 10.1130/GSAT57A.1

Gunnar Ries studierte in Hamburg Mineralogie und promovierte dort am Geologisch-Paläontologischen Institut und Museum über das Verwitterungsverhalten ostafrikanischer Karbonatite. Er arbeitet bei der CRB Analyse Service GmbH in Hardegsen. Hier geäußerte Meinungen sind meine eigenen

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