E12 Oberflächengeochemie und Verwitterung

Thema

Verwitterung ist der Zerfall und die chemische Veränderung von Gesteinen beim Kontakt mit Atmosphäre, Wasser und Lebewesen. Derselbe Prozess erzeugt das Material, das später zu Boden wird und die in den Gesteinen gebundenen Nährstoffe und Kationen in den Wasserkreislauf freisetzt.

Physikalische Verwitterung – die durch Frost-Tau-Wechsel, wiederholte thermische Belastung oder die Kristallisation von Salzen in Gesteinsrissen hervorgerufene Zerkleinerung – vergrößert die spezifische Oberfläche des Gesteins. Genau diese Vergrößerung der Oberfläche beschleunigt die chemische Verwitterung, da dem Wasser nun deutlich mehr Gesteinsoberfläche für Reaktionen zur Verfügung steht.

Diese chemische Verwitterung umfasst drei verschiedene Reaktionstypen: Hydrolyse, die wichtigste der drei, bei der die Silikate des Gesteins direkt mit Wasser gelöst werden; Oxidation, die eisenhaltige Mineralien in ihrer Eisen(II)-Form zersetzt; und Carbonatisierung, die Carbonatminerale mithilfe des im Wasser gelösten Kohlendioxids auflöst.

Eine Bodenbildungsfunktion besagt, dass die Geschwindigkeit der Gesteinsverwitterung exponentiell abnimmt, je dicker die darüber liegende Regolithschicht ist: Die am stärksten exponierten Gesteine ​​unter einer dünnen Bodenschicht verwittern deutlich schneller, da Wasser und Kohlendioxid aus dem Boden viel leichter auf sie zugreifen können. Im Gleichgewichtszustand entspricht die Bodenbildungsrate der Erosionsrate. Genau dieses Gleichgewicht bestimmt die Bodendicke, die der Hang stabil hält.

Der Nährstoffkreislauf an der Erdoberfläche – Stickstoff, Phosphor, Kalium und Kalzium – umfasst vier aufeinanderfolgende Phasen: die Freisetzung dieser Nährstoffe durch Verwitterung, ihre Aufnahme durch Lebewesen, ihre Rückkehr in den Boden bei der Zersetzung organischer Substanz und ihre endgültigen Verluste durch Auswaschung ins Grundwasser.

Die von Flüssen transportierte gelöste Fracht spiegelt genau die Intensität der chemischen Verwitterung in ihrem Einzugsgebiet wider: Flüsse, die Einzugsgebiete mit leicht verwitterbarem Silikatgestein wie Granit oder Basalt entwässern, weisen eine höhere Konzentration an gelöstem Calcium, Natrium, Kalium, Magnesium und Bicarbonat auf als Flüsse, die karbonatische Sedimentbecken entwässern. In letzteren lösen sich die Karbonate selbst, obwohl besser löslich, beim Kontakt mit Wasser nahezu vollständig auf, sodass flussabwärts kaum noch Raum für eine weitere Anreicherung des Wassers bleibt.

Das zu erwartende Verhalten dieses gesamten Systems beinhaltet eine negative Korrelation zwischen der Rate der physikalischen Erosion, die neues Gestein freilegt, und der Konzentration gelöster Stoffe im Wasser. Letztere spiegelt wider, wie lange das Wasser vor dem Abfließen mit dem Gestein in Kontakt war. So wird aus dem Zerfall des Gesteins, mit dem dieses Dokument beginnt, und über die Beschleunigung der chemischen Verwitterung durch die physikalische Verwitterung, die Bodenproduktionsfunktion und den Nährstoffkreislauf hinweg, durch Verwitterung und Oberflächengeochemie die chemische Zusammensetzung jedes Flusses letztendlich zu einem indirekten Ablesen davon, wie lange Wasser und Gestein seines Beckens schon miteinander in Wechselwirkung stehen.

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