Formen der chemischen Verwitterung von Gesteinen und Neubildung von Mineralen
Wegen der Überdeckung größerer Bereiche des Nordrands des Sauerlands mit Löss während des Pleistozäns sind für die Bodenentwicklung im Schulumfeld weniger die Verwitterungsprodukte des Grundgesteins als vielmehr der Mineralbestand des Löss und die innerhalb der Lössdecke ablaufenden chemischen Prozesse von entscheidender Bedeutung. Das feinkörnige Lockersediment weist in Mitteleuropa 40 – 45 % Quarz, 10 – 15% Feldspäte, 20 % Glimmer und 10 – 15 Calcit auf (SCHEFFER & SCHACHTSCHNABEL 1998).
Um die Verwitterbarkeit der Löss-Mineral-Komponenten genauer zu verstehen, sind einige Grundkenntnisse von deren Struktur sinnvoll, besonders von den im Löss häufig vorkommenden Mineralen Quarz, Feldspäten und Glimmer (s. "Struktur von Bodenmineralen").
An der chemischen Verwitterung der Minerale des Gesteins sind als Agentien hauptsächlich H2O, CO2, O2 sowie anorganische und organische Säuren beteiligt. Dabei werden Minerale umgewandelt, es entstehen neue Minerale und es werden Ionen, vor allem Kationen, freigesetzt. Diese gehen in Lösung und adsorbieren an geladenen Bodenpartikeln, wo sie mittels Ionenaustausch verfügbar gemacht werden können (s. „Ionenaustausch“). Die Ionen sind für die Bodenart, Bodenstruktur, Bodenfunktion und besonders für die Pflanzenernährung wichtig.
Formen der chemischen Verwitterung
Hydrolyse und Säurewirkung
Eine Form der chemischen Verwitterung der Gesteine ist die Hydrolyse. Bedingt durch eine geringe Autoprotolyse des Wassers in H+ (H3O+) und OH- und findet über lange Zeiträume sowohl bei Calciumcarbonat haltigem Gestein als auch bei Silikaten wie Feldspäten eine Hydrolyse mit der Folge eines Zerfalls der Minerale statt.
Eine wesentliche intensivere chemische Verwitterungswirkung als reines Wasser haben Säuren, z.B. Kohlensäure oder organische Säuren (s. „organisch-chemische Verwitterung“). Dabei werden auch in Wasser schwer lösliche Minerale angegriffen und in ihre Bausteine zerlegt, aus denen sich am Ort der Verwitterung neue Minerale bilden. So entstehen aus primären, magmatischen Mineralen wie Glimmer und Feldspäten Tonminerale wie die Gruppe der Illite (s. „Tonminerale“).
Oxidation
Oxidierbare Metallionen wie zweiwertige Eisen- und Mangan-Ionen werden durch Luftsauerstoff in Anwesenheit von Wasser und mit Hilfe eisen- und manganoxidierender Bakterien zu dreiwertigen Eisenionen und vierwertigen Mangan-Ionen oxidiert. Es entstehen braunrot gefärbte Eisenoxide und -hydroxide sowie schwarzbraun gefärbte Manganoxide, die eine Braunfärbung des Bodens bewirken (s. Bodenprofil „Braunerde“), sowie eine braunrote Marmorierung in wechselfeuchten Stauwasserböden (s. Profil „Pseudogley“)
Organisch-chemische Verwitterung
Im Bodenwasser befinden sich wasserlösliche niedermolekulare organische Verbindungen, die von den Pflanzenwurzeln ausgeschieden werden, neben Zuckern und Aminosäuren besonders organische Säuren wie Oxalsäure, Zitronensäure und Äpfelsäure. Auch einfache Huminstoffe aus der Humifizierung sind im Bodenwasser gelöst. Diese organischen Stoffe können mit Metallionen wie Magnesium und Eisen, die durch Verwitterung von Mineralen freigesetzt wurden, Chelatkomplexe bilden und dadurch die Kationen aus dem Lösungsgleichgewicht der Ionen entfernen. Dadurch wird indirekt die Mineralverwitterung und eine weitere Ionenfreisetzung beeinflusst.
Verwitterung von Feldspat und Glimmer
Während Quarz eine hohe chemische Verwitterungs-Stabilität besitzt, sind Feldspäte und besonders Glimmer weniger stabil. Haupttriebkraft der Verwitterung im heimischen humiden Klima sind H3O+- „Angriffe“ auf die Kristallstruktur der Silikate.
Grundsätzlich ist die Verwitterungs-Stabilität bzw. Verwitterungs-Anfälligkeit von Gerüst- und Schichtsilikaten von folgenden Strukturmerkmalen abhängig:
- vom Strukturtyp: Schichtsilikate verwittern stärker als Gerüstsilikate.
- von Art und Umfang des isomorphen Ersatzes höherwertiger Ionen durch niederwertige Ionen, z.B. Si4+ durch Al3+ oder Al3+ durch Mg2+, da durch den Ersatz die Ladungsverhältnisse geändert werden.
- vom Gehalt oxidierbarer Ionen wie Fe2+, da durch die Oxidation zum kleineren dreiwertigen Fe3+ -Ion die Struktur- und Ladungsverhältnisse gestört werden.
Nach SCHEFFER/SCHACHTSCNABEL (1998) läuft die chemische Verwitterung beim Kalifeldspat in folgenden Schritten ab: Zunächst greifen die H3O+- Ionen im Bodenwasser die auf der Oberfläche des Minerals die zum Ladungsausgleich eingebunden K+-Ionen (s. Struktur Feldspat) an und ersetzen diese. Dadurch werden die Si-O-Al-Brücken zwischen den Tetraedern stark geschwächt und Si-O-Si-Brücken aufgebrochen. Dies führt – von der Oberfläche fortschreitend - zu immer größeren Löchern und Zwischenräumen im Feldspat-Kristall und letztlich zu seinem Zerfall. Es entstehen die Verwitterungsprodukte SiO2, Al(OH)3 sowie neu gebildete Tonminerale wie Kaolonit und Illit.
Bei der Verwitterung des Glimmers Biotit (s. Struktur Glimmer) werden die K+ - Ionen der Zwischenschicht zunehmend hydratisiert, herausgelöst und durch H3O+ersetzt. Die Fe2+ - Ionen der Oktaederschicht werden durch Sauerstoff zu kleineren Fe3+ - Ionen oxidiert, hydratisiert und dadurch aus dem Kristallgitter entfernt. Teile der Schichtstruktur bleiben erhalten und werden zum Aufbau von Tonmineralen wie Illit verwendet.
Nach BRONGER et al. (1976) ist in Lössböden die Verwitterungs-Intensität von Glimmern und damit deren Anteil an der Tonmineralbildung bis zu 1,8-mal so hoch wie die Verwitterungs-Intensität von Feldspäten.