Exogene Prozesse in der Geologie

Verwitterung, Erosion und Sedimentation

Die Vorgänge, die Gesteine im Laufe der Zeit zerstören, bezeichnet man als Verwitterung. Drei Arten der Verwitterung sind zu unterschieden:

Bei der biologischen Verwitterung werden von Kleinstlebewesen u.a. Löcher in das Gestein "gefressen". An diesen Stellen können Wind und Wasser leichter angreifen als an einer glatten Oberfläche. Diese Art der Verwitterung spielt aber bei der Zersetzung von Gesteinen nur eine untergeordnete Rolle und kann daher an dieser Stelle vernachlässigt werden

Bei der chemischen Verwitterung reagieren die im Gestein vorhandenen Mineralien mit Luft und Wasser. Einige Mineralien verbinden sich mit Wasser und Bestandteilen der Luft, andere gehen in Lösung.

Der wohl bekannteste Prozess dürfte die physikalische Verwitterung sein. Tatsächlich spielt sie auch die größte Rolle bei der Zerstörung von Gesteinen. Die physikalische Verwitterung beruht auf mechanischen Prozessen, die das Gestein auflockern und zertrümmern. Dies geschieht beispielsweise durch Kälte, die das Gestein "sprengt".

Als Erosion bezeichnet man alle Vorgänge, durch die verwittertes und aufgelockertes Gestein abtransportiert werden, wie beispielsweise durch Wasser, Wind oder Gletscher. Das transportierte Material kann während seines Transports in seiner Größe und Form weiter verändert werden und unterliegt somit einer weiteren Verwitterung. Ist der Transport beendet - dies ist in der Regel auf dem Ozeanboden der Fall - schichtet sich das verwitterte Gestein auf und bildet so die Sedimentschichten, die sich verfestigen und somit neue Gesteinsarten bilden.

Auf die Erosion und den Transport von Sedimenten durch Flüsse und Gletscher wird auf dieser Seite im Folgenden näher eingegangen.

Massenbewegungen

Bei Massenbewegung denkt man oft als erstes an einen Erdrutsch. Geologisch gesehen sind Massenbewegungen aber Gleit-, Fluss-, oder Sturzbewegungen großer Mengen von Material hangabwärts. Sie können so langsam ablaufen, dass man sie nicht direkt wahrnimmt, oder aber in einer sehr hohen Geschwindigkeit erfolgen. Es gibt drei wichtige Faktoren, die für die Anfälligkeit des Materials zur Bewegung hangabwärts eine Rolle spielen. Zum einen die Neigung und Instabilität des Hanges, zum anderen die Art des Ausgangsmaterials und schließlich der Wassergehalt des Materials.

Der Kreislauf des Wassers

Die Erforschung des Wasserhaushalts der Erde wird in der Wissenschaft als Hydrologie bezeichnet. Sie ist ein wichtiges Teilgebiet der Geologie, da Wasser wesentlich zur Verwitterung und Erosion beiträgt sowie als Transportmittel dient und nicht zuletzt eine der wichtigsten Voraussetzungen für das Leben auf der Erde darstellt. Der Wasservorrat der Erde beträgt etwa 1,36 Milliarden Kubikkilometer. Diese Masse ist ständig in allen denkbaren Aggregatzuständen in Bewegung. Die folgende Tabelle zeigt, wie sich das Wasser auf die Wasserspeicher der Erde verteilt.

Ein Teil des Niederschlags, gelangt durch Versickerung (Infiltration) in den Untergrund und bewegt sich als Grundwasser unter der Erde. Ein anderer Teil wird von den Wurzeln der Pflanzen aufgenommen und geht über die Blätter als Wasserdampf in die Atmosphäre über (Transpiration). Ein anderer Teil des Niederschlags verdunstet (Evaporation). Die gesamte Menge des Niederschlags, die wieder an die Atmosphäre zurückgegeben wird, bezeichnet man als Evatranspiration. Der restliche Teil des Niederschlags fließt an der Erdoberfläche ab und bewegt sich in Richtung Meer. Wie die folgende Tabelle zeigt, finden die meisten Niederschläge über dem Meer statt.

Flüsse

Jede Flüssigkeit fließt, abhängig von ihrer Geschwindigkeit, ihrer Viskosität und ihrer Fließgeometrie, entweder laminar oder turbulent. Im Falle eines laminaren Fließens bewegen sich die Stromlinien parallel, also ohne sich zu durchmischen. Ein Beispiel für laminares Fließen ist die langsame Bewegung von dickflüssigem Öl oder Honig. Ein turbulentes Fließen kommt aufgrund von sich gegenseitig beeinflussenden Stromlinien zustande und verstärkt sich bei zunehmender Geschwindigkeit und höherer Temperatur. Dabei bilden sich Wirbel und Strudel. Eine Turbulenze ist also ein Maß für die Unregelmäßigkeit von Stromlinien.

Das turbulente Fließen ist kennzeichnend für die meisten Flüsse und Ursache für den Sedimenttransport. Der Art des Transports von Sedimenten ist von der Sinkgeschwindigkeit des mitgeführten Materials abhängig und erfolgt grob gegliedert auf drei unterschiedliche Weisen:

Suspension: Aufgrund der Strömung werden kleine Teilchen schwebend durch das Wasser transportiert. Zu dem schwebenden Material zählen in der Regel kleine Körner der Silt- und Tonfraktion.

Saltation: Durch ständiges Aufwirbeln werden größere Körner sprungweise durch das Flussbett transportiert. Dies ist beispielsweise bei Sand der Fall.

Bodenfracht: Durch Rollen und Schieben an der Sohle des Flussbettes kann auch Geröll transportiert werden.

Grundsätzlich gilt: Je stärker eine Strömung ist, desto größer kann die Suspension-, Saltations- und Bodenfracht sein. Bei dieser Art des Transports von Sedimenten wird eine enorme Erosionsarbeit geleistet. Insbesondere das Kollidieren von Frachtmaterial mit Hindernissen und das damit verbundene Abschaben trägt zur Erosion bei (Abrasion).

Ein Maß für die Stärke eines Flusses ist der Abfluss. Er bezeichnet die Wassermenge, die in einer bestimmten Zeiteinheit durch den Flussquerschnitt strömt. Der Abfluss wird gewöhnlich in Kubikmetern pro Sekunde angegeben. (Abfluss = Querschnitt x Geschwindigkeit)

Die folgende Tabelle zeigt die Wasserführung einiger großer Flüsse an ihren jeweiligen Mündungen, dem Flussdelta:

Gletscher

Auch Gletscher tragen in großem Maße zur Erosion bei. Durch ihre gewaltige Masse und ihre fließende Bewegung kann ein Gletscher im Gegensatz zu dem Wind und den Flüssen auch größere Geröllmassen problemlos transportieren. Der Grund für die fließende Bewegung liegt in erster Linie darin, dass der Druck im unteren Bereich des Gletschers so hoch ist, dass das Wasser trotz der Kälte nicht in den festen Aggregatzustand kommt. Das darüber liegende Eis gleitet also auf einem Wasserfilm. Das gleiche Prinzip gilt übrigens auch beim Eislaufen. Das Körpergewicht übt einen so großen Druck auf das Eis unter den schmalen Kufen aus, dass dieses flüssig wird und wir problemlos auf diesem Wasserfilm über das Eis gleiten können.

Grundsätzlich lassen sich Gletscher in zwei Typen einteilen: Talgletscher fließen Berghänge hinab und transportieren enorme Mengen Schutt talwärts. Inlandeis hingegen ist eine dicke Eisdecke, die sich nicht oder nur sehr langsam bewegt und ganze Gebirge unter sich begräbt. Lediglich einzelne sehr hohe Bergspitzen ragen aus dem Eis hervor. Beispiele für Inlandeis sind die gigantischen Eiskappen der Antarktis und Grönlands. Aber auch in Island finden wir mächtige Plateaugletscher, die weite Teile der Insel unter sich begraben.

In der Geologie kann ein Stück Eis auch als eine Art Gestein betrachtet werden, das aus kristallinen Körnern des Minerals Eis besteht. Wie wir gleich noch sehen werden, entsteht Gletschereis durch die Überdeckung von Firn mit Schnee. Der Schnee stellt also eine Art Sediment dar, während das Eis durch Schichtung zu einem "Sedimentgestein" heranwächst.

Ein Gletscher entsteht, wenn der im Winter gefallene Schnee im Sommer nicht vollständig schmilzt und sich im nächsten Winter neue Niederschläge darüber setzen. Bei Schneeflocken, die am Boden altern, kommt es zum Abbau der Kristalle und gleichkörnige Aggregate werden gebildet. Während dieser Umwandlung geht der Schnee in eine dichtere und körnige Form über. Da stets neuer Schnee über den älteren fällt, nimmt dieser eine immer dichtere Form an, die als Altschnee bzw. Firn bezeichnet wird. Durch die weitere Überdeckung mit Neuschnee, die fortlaufende Alterung und die Rekristallisierung der Körner, verkittet die Masse und wird schließlich zu festem Gletschereis.

Die jährlich hinzukommende Schneemenge wird als Akkumulation bezeichnet. Hierbei werden jegliche Überreste aus der Vergangenheit im Gletscher eingeschlossen - sei es die Asche eines Vulkanausbruchs oder auch Lebewesen, die in ihrer ursprünglichen Gestalt im Eis erhalten bleiben. Aber auch Luftblasen sind im Gletschereis vorhanden. Durch eine chemische Analyse konnte man beispielsweise erfahren, dass während der letzten größeren Vereisung der Pole der Kohlendioxidgehalt der Atmosphäre niedriger war als heute. Gletscher gelten daher als eine Art Klimaarchiv der Erde.

Seine Eismassen verliert ein Gletscher durch Schmelzen und Kalben. In sehr kalten Regionen verliert er aber auch Eis durch Sublimation, d.h. durch den direkten Übergang vom festen in gasförmigen Aggregatzustand - eine besondere Art der Verdunstung. Die jährliche Abnahme von Schnee und Eis wird Ablation genannt. Das heißt also, solange über einen langen Zeitraum Akkumulation größer oder gleich der Ablation ist, wird ein Gletscher nicht verschwinden.

Das Meer: Wellen und Gezeiten

Auch das Meer spielt in der Geologie eine zentrale Rolle. Denn hier sammeln sich enorme Mengen Sedimentmaterial, das durch submarine Rutschungen und Strömungen bis tief in den Ozean befördert wird und gigantische chemische und biogene Ablagerungen bildet. Zudem fördern submarine heiße Quellen Lösungen mit einem hohen Gehalt chemischer Substanzen. Trotzdem weist Meerwasser in seiner Zusammensetzung durchschnittlich überall einen gleichen Salzgehalt auf.

Die Ränder der Kontinente bestehen aus dem flachen Kontinentalschelf, dem meist etwas steiler abfallenden Kontinentalhang und dem, aus Sedimenten bestehenden, flachen Kontinentalfuß. Letzterer erstreckt sich bis in die Tiefseeebenen weit draußen im Ozean. Ihre tiefste Stelle haben die Meere in den Tiefseerinnen, die an Subduktionszonen liegen. Sie können bis zu 15 Kilometer tief sein.

Von den Wirkungen der Plattentektonik abgesehen formt das Meer seine Ränder selbst durch Wellen und Gezeitenschwankungen. Wellen entstehen durch die tangentiale Schubkraft des Windes. Jedoch transportieren Wellen kein Wasser, sondern sie befördern nur Energie. Ein in den Wellen tanzendes Treibholz beispielsweise bewegt sich erst mit der Welle hoch und ein wenig vorwärts. Ist die Welle durchgelaufen, bewegt es sich wieder nach unten und zurück. Dieser Transport von Energie ist ähnlich einer "La Ola"-Welle im Fußballstadion, bei der jeder Zuschauer an seinem Platz bleibt. Nicht der Zuschauer wandert, sondern das Aufstehen. Der sich setzende Zuschauer bewirkt, dass sich sein Nachbar erhebt. Bei Oberflächenwellen im Meer stößt ein Wassermolekül an das nächste und bewirkt den Transport einer ursprünglichen Kraft, die die Molekühle in Bewegung gesetzt hat, wie beispielsweise der oben erwähnten Schubkraft des Windes. In den Brandungszonen werden die Wellen gebrochen. Dies führt zu Küstenlängsströmungen und Küstenversetzungen, d.h. Sand wird entlang der Küste verfrachtet, wodurch Sandstrände entstehen können.

Eine weitere Energie, die Wellen entstehen lässt, sind Hangrutschungen im Küstenbereich oder Seebeben am Grund des Ozeans. Nach einem dieser Krafteinwirkungen auf das Wasser breiten sich ringförmig Wellen mit der Geschwindigkeit eines Flugzeugs aus. Besatzungen von Schiffen auf hoher See fallen diese Wellen in der Regel nicht auf, denn die Wellenlänge - also die Strecke von einem Kamm zum nächsten - kann einige Hundert bis Tausend Kilometer lang sein. Die mit der Welle verbundene Bewegung zieht sich über viele Minuten hin und bleibt unbemerkt. Erst in Küstennähe wird die Welle gestaucht und die Bewegungsenergie bewirkt eine sich auftürmenden Wasserwand. Diese Riesenwellen werden Tsnunami (jap.: "große Hafenwelle") genannt und können erhebliche Schäden in besiedelten Küstenregionen hervorrufen. Die größte Katastrophe in jüngster Zeit ereignete sich am zweiten Weihnachtsfeiertag 2004 im Indischen Ozean. Ein Seebeben mit Epizentrum rund 85 km vor der Nordwestküste von Sumatra erreichte eine Stärke von 9,1 auf der Richterskala und verursachte einen großen Tsunami, dem in Süd- und Südortasien sowie an der Ostküste Afrikas über 230.000 Menschen zum Opfer fielen. Fast 2 Mio. Menschen wurden obdachlos.

Küstenverläufe werden auch durch Gezeitenschwankungen verändert. Die Anziehungskraft des Mondes bewirkt zwei gewaltige Flutberge, unter denen sich die Erde in 24 Stunden einmal hinwegdreht. Die Wassermassen verteilen sich je nach Form von Küste und Meeresboden ganz unterschiedlich. In einigen Gegenden, wie beispielsweise an der französischen Atlantikküste, steigen die Gezeitenwellen nach dem Niedrigwasser bis zu 14 Meter hoch, während sie in der Ostsee kaum zu messen sind. Die Gezeitenschwankungen sind Ursache der Sedimentation auf den Wattflächen.