Chemische Verwitterungsprozesse

1999

16 S.

zahlr. Lit. Ang.

Unselbständiges Werk

200082109

Die Gesteinsverwitterung umfaßt im wesentlichen physikalische und chemische Prozesse. Die mechanische Zerkleinerung des Gesteins wird als Physikalische Verwitterung, die Veränderung der mineralogischen und chemischen Zusammensetzung als Chemische Verwitterung bezeichnet. Sind Lebewesen an den Gestinsveränderungen beteiligt, spricht man, unabhängig vom Mechanismus, von Biologischer Verwitterung. Bei der chemischen Verwitterung wird zwischen thermodynamischen und kinetischen Aspekten unterschieden. Thermodynamische Gleichgewichtskonzepte stehen im Vordergrund bei konstanten Bedingungen, bei Partikeln mit hoher spezifischer Oberfläche, bei langer Kontaktzeit und bei rasch reagierenden Mineralien. Kinetische Betrachtungen werden relevant, wenn die Kontaktzeit kurz, die zugängliche Oberfläche begrenzt und die Reaktionen der beteiligten Mineralien langsam sind. Wichtigste Reaktionsmechanismen bei der kinetisch kontrollierten Verwitterung von Silikaten sind die protonen- und die ligandeninduzierte Auflösung. Die Reaktionsgeschwindigkeit der protoneninduzierten Auflösung, RH, ist eine Funktion der gegenüber dem Ladungsneutralpunkt im Überschuß adsorbierten Protonen, CHs. Sie ist gegeben mit RH = kH (CHs)n worin kH die Reaktionskonstante und n die Reaktionsordnung bedeuten. In der Praxis werden anstelle dieses mechanistischen Geschwindigkeitsgesetzes, welches sich auf definierte Oberflächenspecies bezieht, meist empirische Gesetze verwendet. Dabei werden die Auflösungsgeschwindigkeiten jeweils für einen bestimmten pH-Bereich als prportional einer nichtganzzahligen Potenz der H+-Aktivität in Lösung beschrieben: RH = kH'[H+]m. Typische Werte von m variieren zwischen 0.33 für K-Feldspat und 0.7 für Diopsid. Die Geschwindigkeit der ligandeninduzierten Auflösung, RL, ist proportional zur Oberflächenkonzentration der Liganden, CLs: RL = kL CLs worin kL die Reaktionskonstante darstellt. Die ligandeninduzierte Auflösung ist prinzipiell der protoneninduzierten Auflösung überlagert, d.h. beide Reaktionen finden parallel an gesonderten Oberflächenstellen statt. Die gesamte Auflösungsgeschwindigkeit, Rtot, ist daher oft eine Summe mehrerer additiver Terme: Rtot = RH + RL. Enthält ein Mineral ein oder mehrere Elemente, welche in verschiedenen Oxidationsstufen vorkommen können, kann es bei der Verwitterung, je nach Bedingungen, zu einer Oxidation oder Reduktion der entsprechenden Elemente kommen. Pedologisch wichtige Beispiele sind die oxidative Verwitterung von Pyrit, die Oxidationsverwitterung von Biotit und die reduktive Auflösung von Fe(III)-Oxiden. Die neueren Erkenntnisse zur Verwitterung basieren praktisch ausschließlich auf Laborexperimenten unter kontrollkierten Bedingungen. Die Gesteinsverwitterung im Boden verläuft aber unter dauernd wechselnden Bedingungen. Aus Felddaten abgeschätzte Verwitterungsgeschwindigkeiten sind etwa 1 bis 2 Zehnerpotenzen geringer als die entsprechenden Lasborwerte. Eine Modellierung der Feldverhältnisse unter Verwendung von Labordaten wird erst dann möglich sein, wenn es gelingt, die Effekte von Temperatur, pH, Ionenstärke, Zusammensetzung der Bodenlösung, Sättigungsbedingungen und vor allem der hydrologischen Vorgänge auf die Auflösungs- und Ausfällungsgeschwindigkeiten quantitativ zu beschreiben.