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1.7: 7. Verwitterung und Erosion - Geowissenschaften


Sedimente entstehen durch das Aufbrechen von Gesteinen in kleinere, transportable Bestandteile. Dies geschieht über zwei Prozesse: physikalische Verwitterung und chemische Verwitterung. Physikalische Verwitterung besteht aus dem Zerbrechen von Gesteinen und Kristallen. Das Ergebnis der physikalischen Verwitterung sind kleinere Bestandteile des gleichen Materials, das verwittert wird. An der Zusammensetzung ändert sich nichts. Im Gegensatz dazu besteht die chemische Verwitterung darin, die Zusammensetzung zumindest einiger Bestandteile des verwitternden Gesteins zu verändern. Das Sediment hat nicht die gleiche Zusammensetzung wie das ursprüngliche Gestein.

Physikalische Verwitterung

Physikalische Verwitterung erfolgt über:

  1. Frost-Tau-Aktion. Wasser in Rissen dehnt sich beim Gefrieren aus und übt Kraft auf die Risse aus. Die Risse wachsen und schließlich brechen Kristalle und Gesteinsbrocken in kleinere Bestandteile auf. Offensichtlich ist dieser Prozess in Umgebungen am wichtigsten, in denen die Temperaturen über den Gefrierpunkt von Wasser zirkulieren.
  2. Wachstum von Salzkristallen. Wenn Wasser verdunstet, fallen Salze aus. Geschieht dies in Gesteinsbrüchen, kann das Wachstum der Salzkristalle Druck auf die Risse ausüben und sie zum Wachsen bringen. Dieser Prozess ist am wichtigsten in der Nähe von Ozeanen, wo Gesteine ​​viel Salzwasserspritzer ausgesetzt sind, und in trockenen Umgebungen, in denen Wasser schnell verdunstet.
  3. Temperaturänderungen. Mineralien ziehen sich zusammen und dehnen sich aus, wenn die Temperatur sinkt bzw. steigt, und verschiedene Teile des Gesteins werden unterschiedlich stark erhitzt. Diejenigen, die direktem Sonnenlicht ausgesetzt sind, dehnen sich beim Erhitzen aus, während die Innenräume und schattigen Bereiche dies nicht tun. Unterschiedliche Ausdehnung und Kontraktion erzeugt Spannungen, die zu Rissen und physikalischer Verwitterung führen können. Dieser Prozess ist am wichtigsten, wenn sich die Temperaturen von Tag zu Nacht dramatisch ändern, ein Merkmal vieler Wüstenumgebungen.

Physikalische Verwitterung neigt dazu, meist sandgroße Sedimente und größere Körner zu produzieren, da der größte Teil des Bruchs entlang der Mineralgrenzen auftritt. Die physikalische Verwitterung von feinkörnigem oder feinkristallinem Gestein kann reichlich sehr feine Körner erzeugen, aber die meisten Sedimente dieser Gesteinsarten bestehen aus Gesteinsfragmenten (sogenannten lithischen Klasten).

Bild von physikalisch verwitterten Gesteinen in Neuseeland:

Chemische Verwitterung

Chemische Verwitterung erfolgt über:

  1. Auflösung von Mineralien. Einige Mineralien wie Halit und andere Evaporite lösen sich sehr leicht in Wasser auf. Andere Mineralien, insbesondere Silikate, lösen sich nicht leicht auf. Carbonate liegen dazwischen und lösen sich in saurem Wasser auf. (Regenwasser hat durch gelöstes CO . einen pH-Wert von ~5,72, auch ohne Verschmutzung durch „sauren Regen“. Die Ergebnisse der Auflösung sind Ionen im Wasser, die flussabwärts transportiert werden. Ionen lagern sich erst ab, wenn das Wasser verdunstet, sie mit anderen Mineralien reagieren oder Organismen daraus Muscheln bauen. Oft löst sich nur ein Teil eines Gesteins auf und hinterlässt veränderte Körner, die durch Wind, Wasser usw. transportiert werden können.
  2. Änderung von Mineralien. Silikatmineralien lösen sich nicht sehr leicht auf, aber sie reagieren mit Wasser, um neue Mineralien zu bilden. Feldspäte reagieren mit Wasser zu Tonmineralien und Ionen, Olivin reagiert mit Wasser und O2 zu Oxiden, Tonmineralen und Ionen reagiert Pyrit mit Wasser und O2 Oxide, Säure und Sulfationen zu bilden. Eisenoxide wie Hämatit sind normalerweise rot und verleihen verwitterten Gesteinen einen rostigen Farbton. Die Veränderung von Mineralien ist eine der Hauptquellen für Tonmineralien und schlammgroße Körner.

Bild von chemisch verwitterten Gesteinen in Neuseeland. Dieser Aufschluss hatte ursprünglich die gleiche Zusammensetzung wie das auf dem vorherigen Foto gezeigte Gestein, war jedoch viel mehr Wasser sowie pflanzengestützten Bodenprozessen ausgesetzt.

Mineralogie verwitterter Gesteine

Sedimente, die hauptsächlich physikalischer Verwitterung ausgesetzt waren, weisen eine Mineralogie auf, die der des Muttergesteins ähnelt. Wenn die Sedimente einer starken chemischen Verwitterung ausgesetzt waren, ist es viel schwieriger, die Ausgangsgesteine ​​zu charakterisieren, da sich die Zusammensetzung stark verändert hat. Insgesamt hängt die Sedimentzusammensetzung von der Mineralogie des Ausgangsgesteins, seinem Transport und der Verwitterungsumgebung ab.

Einige Mineralien verändern sich schneller als andere. Quarz ist schwer löslich und hart, daher überdauert er sowohl chemische als auch physikalische Verwitterung und ist das am häufigsten vorkommende Mineral im Sand auf der Erde. Im Gegensatz dazu reagieren Mineralien wie Ca-Feldspat und Olivin schnell zu neuen Mineralien. In Sedimenten sind sie wesentlich seltener. So neigen mafische Gesteine ​​(die Ca-Feldspat, Olivin und Pyroxene enthalten) dazu, sich sehr leicht in Tonmineralien umzuwandeln und wenig Sand und reichlich Schlamm zu produzieren. Im Gegensatz dazu enthalten Granite (Quarz, Kalifeldspat, Na-Feldspat, Glimmer) Mineralien, die langsamer reagieren und dazu neigen, sandgroße Körner, insbesondere Quarz, zu bilden.

Die folgende Liste enthält Mineralien von den reaktivsten (selten in Sedimenten gefunden) bis zu den am wenigsten reaktiven (häufig in Sedimenten): Olivin, Ca-Feldspat, Pyroxen, Amphibol, Na-Feldspat, Biotit, Kalifeldspat, Muskovit und Quarz

Die andere Hauptsteuerung der Sedimentmineralogie ist die Härte der Körner. Beim Transport treffen Körner aufeinander. Weichere Körner neigen dazu, beschädigt zu werden, wenn sie mit härteren Körnern kollidieren, und dieser Schaden kann dazu führen, dass sie in kleinere Körner zerbrechen. So werden weiche Körner sehr schnell kleiner, wenn sie mit harten Körnern transportiert werden. Quarz ist das häufigste Mineral in Sandsteinen, da es hart und nicht reaktiv ist. Tonmineralien sind auch sehr verbreitet, weil sie zu klein sind, um bei Kollisionen viel zu beschädigen, und sie sind das Produkt der Veränderung anderer Mineralien.

Kontrollen der Verwitterung

Ausmaß und Art der Verwitterung werden hauptsächlich durch das Klima bestimmt. Wasser ist extrem wichtig, auch für physikalische Verwitterung. Je mehr Wasser vorhanden ist, desto schneller erfolgt die Verwitterung. Temperatur ist auch wichtig. Wärmere Temperaturen fördern schnellere Reaktionen, daher ist die chemische Verwitterung in warmen Klimazonen effektiver. Daher neigen warme, feuchte Klimate dazu, die schnellste Verwitterung (und die schlechtesten Aufschlüsse) zu haben. Schließlich, Vegetation hat einen starken Einfluss auf die Verwitterung. Pflanzen neigen dazu, das Ausmaß der chemischen Verwitterung zu erhöhen, indem sie organische Säuren produzieren, die dabei helfen, Gesteine ​​durch Auflösung und Veränderung in den Boden abzubauen. Sie helfen auch dem Boden, Feuchtigkeit zu speichern und erhöhen die Verfügbarkeit von Wasser für die Verwitterung. Ihre Wurzeln können dazu beitragen, Risse zu erweitern und die physikalische Verwitterung zu erhöhen.

Einige der großen Fragen, die wir derzeit über den Mars haben, betreffen das Ausmaß und den Zeitpunkt der chemischen Verwitterung. Es gibt keine Vegetation. Im Moment ist das Klima sehr kalt und sehr trocken, daher ist die Rate der chemischen Verwitterung jetzt extrem niedrig. Die meisten Gesteine ​​auf der Marsoberfläche (die wir charakterisiert haben) sind jedoch Basalte, die Glas und mafische Mineralien enthalten, die sich „schnell“ verändern sollten, wenn sie mit Wasser in Kontakt kommen. (Das Bild rechts ist vom Wind verwehter Sand im Gale Crater, Mars.)

Was erwarten Sie von einem chemisch verwitterten Basalt? Worauf sollten wir als Beweis für vergangene chemische Verwitterung auf dem Mars achten? Wie könnten Produkte aus der Basaltverwitterung anders aussehen, wenn man den verwitterten Basalt selbst oder Sedimente betrachtet, die aus verwittertem Basalt erodiert wurden? (Basalt besteht hauptsächlich aus Plagioklas (Calciumfeldspat) und Pyroxen, mit oder ohne Olivin, sowie Glas. Es enthält weniger als 20 % Quarz.)

Sobald Sediment durch Verwitterung entstanden ist, steht es für den Transport zur Verfügung. Die beiden Hauptkräfte bei der Erosion sind Flüssigkeitsströmung und Schwerkraft. Über Fluidströmung sprechen wir am meisten, z.B. Gletschererosion von Sedimenten, vom Wind verwehten Sedimenten und hauptsächlich Wassertransport. Fließendes Wasser hat den größten Einfluss auf die Erosion auf der Erde, da es sehr verbreitet und effektiv beim Transport von Sedimenten ist.

Transportkapazität

Erosion durch Wasser tritt auf, wenn Wasser über eine Oberfläche fließt und die Strömung mehr Sediment transportieren kann, als derzeit als Geschiebe bewegt wird. Dies wird als Sedimenttransport-„Kapazität“ bezeichnet. Eine bestimmte Anzahl von Körnern einer bestimmten Größe kann durch den Bernouli-Effekt für eine gegebene Strömung aufgenommen werden. Wenn zu viele Körner vorhanden sind, kollidieren sie und die Eigenschaften des Sedimenttransports ändern sich. Die Körner werden zurück zum Bett und nach oben in den Fluss geleitet. Schließlich gelangen mehr zurück ins Bett, als in die Strömung gehoben werden, und Sediment wird abgelagert. Auch bei hohen Fließgeschwindigkeiten können Sedimente abgelagert werden, wenn mehr Körner vorhanden sind, als die Förderleistung des Fließens übersteigt.* Fehlen dagegen Körner, die klein genug sind, um von der Fließgeschwindigkeit transportiert zu werden, z.B. der Fluss bewegt alle vorhandenen Körner, alle neuen Körner werden vom Bett abgetragen, sobald sie verfügbar sind. Der Strom hat dann überschüssige Transportkapazität.

* Denken Sie daran, eine LKW-Ladung feinen Sandes in einen sich schnell bewegenden Fluss zu kippen. Es braucht Zeit, um all das Sediment zu bewegen, selbst wenn die Fließgeschwindigkeit theoretisch schnell genug ist, um feinen Sand zu erodieren.

Eine der häufigsten Fälle, in denen ein Fluss eine Überkapazität an Transportkapazität aufweist, ist, wenn sich der Fluss beschleunigt. Aus dem Hjulstrom-Diagramm wissen wir, dass schnellere Strömungen größere Körner transportieren. Sie können auch mehr Getreide transportieren. Daher wird Wasser, das von einem flacheren Hang zu einem steileren Hang fließt, im Allgemeinen schneller, hat eine Überkapazität und erodiert Sedimente. Wenn es langsamer wird, nimmt die Transportkapazität ab und Sediment wird abgelagert. Bei Hochwasser wird das Wasser tiefer, beschleunigt, erodiert Sedimente und transportiert sie. Wenn das Hochwasser endet oder sich das Hochwasser über größere Gebiete ausdehnt, verlangsamt sich das Wasser und lagert das überschüssige Sediment ab. Im Allgemeinen tritt Erosion auf, wenn sich die Strömungen beschleunigen oder wenn das Wasser von einer Umgebung mit geringem Sediment (z. B. einem Damm-Überlauf) in eine Umgebung mit mehr Sediment (z. B. einem Flussbett) fließt.

Schwerkrafttransport von Sediment

Die Schwerkraft zieht Sedimente durch Kriechen, Fels- oder Schuttstürze, Erdrutsche und Einbrüche an steilen Hängen hinab. Diese Prozesse sind wirklich wichtig für die Hügel an der Küste Kaliforniens, wo es genug Wasser für eine ausgedehnte Verwitterung gibt, aber die meiste Zeit nur wenig Wasser abläuft.

Hier sind einige Videos von durch Schwerkraft transportierten Sedimenten:

Normalerweise ist die Sedimentkonzentration in diesen Strömen sehr hoch, was dazu führt, dass die Körner häufig miteinander kollidieren. Kornkollisionen können helfen, die Strömung in Bewegung zu halten, aber die Körner erhöhen die Viskosität der Strömung (verringern die Reynolds-Zahl). Diese Kollisionen und die höhere Viskosität verhindern, dass die verschiedenen Korngrößen aussortiert werden, und die meisten Schwerkraftablagerungen werden schlecht sortiert. Wenn viel schlammgroßes Sediment vorhanden ist, ist die Viskosität der Strömung hoch und die Strömungen können laminar sein (Reynolds-Zahl < 500), was zu sehr schlecht sortierten Ablagerungen führt. Diese werden oft als Schlammströme oder Murgänge bezeichnet. Sehen Sie sich die Videos noch einmal an und sagen Sie die Eigenschaften des Sediments voraus, das sich durch die verschiedenen Prozesse ablagern würde.


Super STAAR

Erkennen Sie, wie Landformen wie Deltas, Canyons und Sanddünen das Ergebnis von Veränderungen der Erdoberfläche durch Wind, Wasser und Eis sind.

Grundlegendes Verständnis

Der Student weiß, dass sich die Erdoberfläche ständig verändert und aus nützlichen Ressourcen besteht.

Wissenschaftlicher Hintergrund

Verwitterung und Erosion : Mr. SciGuy (Website) - Tolle Fotos und Illustrationen fassen verschiedene Verwitterungs- und Erosionsprozesse zusammen.

Erosion : Geography4Kids (Website) - Grundlegender Überblick über Erosionsprozesse. Klicken Sie auf die Registerkarten rechts, um mehr über tiefe Erosion und Verwitterung zu erfahren.

Unterschriftenstunde

Verwitterung und Erosion: Illinois State Museum Geology Online (PDF) - Die Schüler absolvieren Stationen im Klassenzimmer, um verschiedene Arten von Verwitterung und Erosion kennenzulernen. (Verwenden Sie Teil I, &ldquoWetterstationen.&rdquo)

Unterstützender Unterricht

Verwitterung und Erosion: Utah Education Network (Website) - Die Schüler lernen den Verwitterungsprozess kennen, indem sie Sedimente von Gesteinen untersuchen.

Halten Felsen ewig? Kids GeoZone (Website) - Diese Lektion des California Geological Survey beschreibt vier Experimente, die die Auswirkungen mechanischer und chemischer Verwitterung veranschaulichen.

Ausarbeitungslektionen und Erweiterungen

Den Unterschied zwischen Erosion und Verwitterung zeigen: Alabama Learning Exchange (Website) - Die Schüler untersuchen Verwitterung und Erosion, sehen sich Beispiele für jeden Prozess an und lernen den Unterschied zwischen ihnen kennen.

Bewertungsideen

1. Lassen Sie die Schüler Beispiele für Verwitterung in ihrer Nachbarschaft lokalisieren, beobachten und darüber berichten. Ihre Berichte sollten die beobachtete Verwitterung beschreiben und die Fragen &bdquoWelcher Erreger verursacht die Verwitterung&rdquo und &bdquoWas kann getan werden, um die Verwitterung zu verringern?&rdquo . beantworten

2. Falten Sie ein Blatt Papier horizontal (Hot-Dog-Falz) und schneiden Sie die Mitte eines Abschnitts ab. Beschriften Sie die Vorderseite eines Abschnitts mit &ldquoWeathering&rdquo und den anderen mit &ldquoerosion.

Literaturverbindungen

Verwitterung und Erosion: Abnutzung von Felsen. Hoffman, Steven M. (ISBN-10: 1448827116)

Erfahren Sie mehr über Gesteine, Verwitterung und Erosion mit Grafik-Organisatoren. Estigarribia, Diana (ISBN-10: 1404250425)

Der verschwindende Berg und andere Erdmysterien: Erosion und Verwitterung. Spilsbury, Richard und Lingard, Darren (ISBN-10: 1410919552)

Verwitterung und Erosion (Betrachtung von Landschaften). Gifford, Clive (ISBN-10: 1583407316)

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Arten und Beispiele der Bewitterung

Nun, wir haben bisher diskutiert, dass das natürliche Phänomen, das beim ständigen Zerfall von Gesteinen, Böden und Mineralien hilft, um ihre Struktur zu verändern, als Verwitterung bekannt ist. Aber es gibt verschiedene Faktoren wie biologische Aktivität, Wetterextreme, Wasser, Wind, Eis und andere Umwelteinflüsse, die auch die Gesteine ​​und Böden durch den Verwitterungsprozess lockern.

Versuchen wir nun, die verschiedenen Verwitterungsarten an geeigneten Beispielen zu verstehen.

1. Physikalische oder mechanische Bewitterung

Der Zerfall von Gesteinen in kleinere Stücke wird als physikalische Verwitterung bezeichnet. Wenn Wasser in die Poren von Gesteinen eindringt, Risse bekommt und dann gefriert, werden diese zum Zerfall gezwungen, was in der Regel durch mechanische Verwitterung geschieht. Frostverwitterung, Frostverkeilung, Eisverkeilung und Kryofrakturierung sind häufige Ursachen für mechanische Verwitterung.

Einmal im Gestein gefrorenes Wasser dehnt sich um 10 % aus, wodurch das Gestein zum Aufbrechen gezwungen wird. Der Druck, der zusammen mit dem Klimawandel auf die Gesteine ​​wirkt, ist der Grund, warum Gesteine ​​in Bruchstücke gebrochen werden.

2. Biologische Verwitterung

Unter organischer oder biologischer Verwitterung versteht man den Zerfall von Gesteinen durch die Einwirkung lebender Organismen. Bäume und Pflanzen kriechen mit zunehmender Größe in Felsen und üben dabei Druck auf die Felsen aus. Dadurch öffnen die Risse das Gestein und erweitern die Spalten.

Mikroorganismen wie Moos, Algen, Flechten wachsen über den Felsen und produzieren Chemikalien, die das Potenzial haben, den äußeren Teil der Felsen zu brechen. Darüber hinaus können grabende Tiere wie Maulwürfe, Eichhörnchen und Kaninchen die Entstehung von Rissen beschleunigen und schließlich zum Abbau von Gesteinen und Oberflächen führen.

3. Chemische Verwitterung

Chemische Verwitterung tritt auf, wenn das Gestein durch chemische Mittel abgebaut wird. Dieser Prozess ist allmählich und fortlaufend, wodurch die Mineralogie der Gesteine ​​verändert und sie zerfallen und sich schließlich auflösen.

Wenn Wasser und Sauerstoff mit Mineralien interagieren, findet eine chemische Reaktion statt und Gesteine ​​ändern sich im Laufe der Zeit in ihrer Zusammensetzung. Hydrolyse und Oxidation treten auf und führen im Ergebnis zu einer neuen Verbindungsbildung.

Saurer Regen lässt das Gestein zerfallen und das Gesteinskorn auflösen. Die chemische Verwitterung hängt jedoch von der Beschaffenheit der Gesteine ​​ab. Kalkstein ist beispielsweise anfälliger für chemische Zersetzung im Vergleich zu metamorphen Gesteinen.


Mechanische Verwitterung

Mechanische Verwitterung (auch physikalische Verwitterung genannt) bricht Gestein in kleinere Stücke. Diese kleineren Stücke sind genau wie die größeren Felsen, nur kleiner. Das bedeutet, dass sich das Gestein physisch verändert hat, ohne seine Zusammensetzung zu ändern. Die kleineren Stücke haben die gleichen Mineralien, in genau den gleichen Proportionen wie das ursprüngliche Gestein.

Es gibt viele Möglichkeiten, wie Steine ​​​​in kleinere Stücke zerbrochen werden können. Eiskeilen ist die Hauptform der mechanischen Verwitterung in jedem Klima, das regelmäßig über und unter dem Gefrierpunkt zirkuliert (Abbildung 2). Eiskeilen funktioniert schnell und bricht Gesteine ​​in Gebieten mit Temperaturen, die Tag und Nacht über und unter dem Gefrierpunkt schwanken, und auch mit den Jahreszeiten über und unter dem Gefrierpunkt.

Eiskeilen brechen so viel Gestein auf, dass am Fuße eines Hügels große Haufen gebrochenen Gesteins zu sehen sind, wenn sich Gesteinsfragmente trennen und nach unten stürzen. In den Polarregionen und mittleren Breiten der Erde, aber auch in höheren Lagen, wie zum Beispiel in den Bergen, kommt es häufig zu Eiskeilen. Abrieb ist eine andere Form der mechanischen Verwitterung. Beim Abrieb stößt ein Stein gegen einen anderen Stein.

Abbildung 3. Felsen an einem Strand werden durch Abrieb abgenutzt, da vorbeiziehende Wellen dazu führen, dass sie aufeinander treffen.

  • Die Schwerkraft verursacht Abrieb, wenn ein Stein einen Berghang oder eine Klippe hinunterstürzt.
  • Bewegtes Wasser verursacht Abrieb, da Partikel im Wasser kollidieren und gegeneinander stoßen.
  • Starke Winde, die Sandstücke tragen, können Oberflächen sandstrahlen.
  • Eis in Gletschern trägt viele Gesteinsbrocken. Am unteren Rand des Gletschers eingebettete Felsen kratzen gegen die Felsen darunter.

Abrieb macht Steine ​​mit scharfen oder gezackten Kanten glatt und rund. Wenn Sie schon einmal Strandglas oder Pflastersteine ​​aus einem Bach gesammelt haben, haben Sie die Abriebarbeit miterlebt (Abbildung 3).

Jetzt, da Sie wissen, was mechanische Verwitterung ist, können Sie sich andere Möglichkeiten vorstellen, wie es passieren könnte? Pflanzen und Tiere können die Arbeit der mechanischen Verwitterung übernehmen (Abbildung 4). Dies kann langsam passieren, wenn die Wurzeln einer Pflanze in einen Riss oder Bruch im Gestein hineinwachsen und allmählich größer werden, wodurch der Riss aufkeilt. Grabende Tiere können auch Gestein zerbrechen, wenn sie nach Nahrung graben oder sich Lebensräume schaffen.

Abbildung 4. (a) Menschliche Aktivitäten sind für enorme Mengen an mechanischer Verwitterung verantwortlich, indem sie in Gestein gegraben oder gesprengt werden, um Häuser, Straßen, U-Bahnen zu bauen oder Steine ​​zu brechen. (b) Salzverwitterung von Bausteinen auf der Insel Gozo, Malta.

Mechanische Verwitterung erhöht die Geschwindigkeit der chemischen Verwitterung. Wenn das Gestein in kleinere Stücke zerbricht, vergrößert sich die Oberfläche der Stücke Abbildung 5. Je mehr Oberflächen exponiert sind, desto mehr Oberflächen können chemisch verwittert werden.

Abbildung 5. Mechanische Verwitterung kann die Geschwindigkeit der chemischen Verwitterung erhöhen.


Chemische Verwitterung kontrolliert Erosionsraten in Flüssen

Ein Blick auf das Quellgebiet der Waianaia Gulch auf der nassen Seite, die an einem Schlackenkegel endet, der auf Hawaii als Pu’u bekannt ist. Brendan Murphy.

Chemische Verwitterung kann laut neuer Forschung kontrollieren, wie anfällig das Grundgestein in Flussbetten für Erosion ist. Die Ergebnisse erklären nicht nur, wie das Klima die Erosionsraten von Landschaften beeinflussen kann, sondern können auch die Fähigkeit der Wissenschaftler verbessern, Rückkopplungen zwischen Erosion, Plattentektonik und dem Erdklima zu interpretieren und vorherzusagen.

Die von der University of Texas at Austin geleitete Studie wurde am 14. April in Nature veröffentlicht.

Hauptautor Brendan Murphy (links) und sein Ph.D. Berater Joel Johnson (rechts) wandert zu Flussquellen auf der Trockenseite der Kohala-Halbinsel. Kory Kirchner.

„Unsere Forschung präsentiert einen spezifischen, prozessbasierten Mechanismus, um zu erklären, wie und warum die Flusserosion vom Klima abhängt, und vielleicht auch, warum frühere Studien widersprüchliche Empfindlichkeiten gegenüber dem Klima in verschiedenen Landschaften festgestellt haben“, sagte Brendan Murphy, ein Ph.D. Student an der Jackson School of Geosciences der University of Texas, der die Forschung leitete.

Murphy führte die Forschung mit Joel Johnson, einem Professor am Department of Geological Sciences der Jackson School, Nicole Gasparini von der Tulane University und Leonard Sklar von der San Francisco State University durch.

Chemische Verwitterung tritt auf, wenn Mineralien im Gestein mit Wasser reagieren. Diese chemischen Reaktionen schwächen das Gestein physikalisch, indem sie seine Struktur verändern. Gesteine ​​in Bachbetten werden dann durch physikalische Prozesse anfälliger für Erosion, beispielsweise durch Einwirkungen von Sedimenten, die in fließendem Wasser transportiert werden.

Es wurde festgestellt, dass die chemische Verwitterung die Gesteinsfestigkeit beeinflusst, sagte Murphy. Wissenschaftlern fehlten jedoch Daten darüber, inwieweit die chemische Verwitterung die Flusserosion beeinflusst. Um das Problem zu untersuchen, reiste das Team zur Big Island von Hawaii, wo das Grundgestein vollständig aus vulkanischem Basalt besteht, um Daten zu chemischer Verwitterung, Gesteinsstärke und Erosionsraten in Bächen in nassen und trockenen Regionen der Insel zu sammeln.

„Hawaii ist ein einfaches, natürliches Labor, um zu untersuchen, wie das Klima die Flusserosion kontrolliert, da es eine einheitliche Lithologie und einen sehr extremen Niederschlagsgradienten aufweist“, sagte Murphy. „Wir haben untersucht, ob die lokale Niederschlagsrate die Gesteinsstärke in den Flüssen verändert und dann nach einem Mechanismus gesucht, um dies zu erklären.“

Ein Basaltkern, der aus dem Flussbett der Puanui Gulch auf der Trockenseite der Kohala-Halbinsel entnommen wurde.Kory Kirchner.

Sie maßen die Festigkeit des Gesteins mit einem Schmidt-Hammer, einem Gerät, das die Oberflächenhärte im Feld misst, und analysierten auch die Chemie und Dichte von Gesteinsproben im Labor, um den Einfluss chemischer Verwitterung zu bestimmen.

In Übereinstimmung mit ihrer Hypothese fanden sie heraus, dass das Grundgestein chemisch stärker verwittert und physikalisch schwächer war, wenn die lokalen Niederschlagsraten höher waren. Bedeutsamer, sagte Murphy, sei ihre Entdeckung, dass Orte mit hohem Niederschlag hohe Erosionsraten aufrechterhalten könnten, obwohl ständig „frisches Gestein“ freigelegt wird – Gestein, das zuvor unter der erodierten Oberfläche lag und chemisch nicht verändert wurde.

Frisches Grundgestein verwittert schnell, wenn es an der Oberfläche freigelegt wird, was das Gestein schwächt und es ermöglicht, dass es vom Fluss effizient erodiert wird, fanden die Forscher heraus.

„Dies stellt eine positive Rückkopplung dar, die es Flussbetten ermöglicht, hohe Verwitterungsraten, schwächeres Gestein und hohe Erosionsraten aufrechtzuerhalten“, sagte Murphy.

Basierend auf ihren Ergebnissen modifizierten die Forscher ein numerisches Modell, das beschreibt, wie Flüsse in eine Landschaft einschneiden, sagte Johnson und stellten fest, dass chemische Verwitterungsdaten ihre Fähigkeit, Muster von Flusseinschnitten vorherzusagen, drastisch verbesserten.

„Sobald wir den Klimaeffekt berücksichtigt haben, der zeigt, dass die chemische Verwitterung das Grundgestein schwächt und es erodierbarer macht, können wir das Muster und die Schnittgeschwindigkeiten, die in dieser Landschaft auftreten, viel besser aufeinander abstimmen.“ sagte Johnson.

Obwohl die Forscher nur einen einzigen Gesteinstyp untersuchten, sagte Murphy, dass der Mechanismus, der chemische Verwitterung mit Gesteinsfestigkeit und Erosion verbindet, für alle Gesteinsarten gelten sollte. Das Verständnis der Beziehung zwischen Erosion und chemischer Verwitterung kann dazu beitragen, die Rolle des Klimas bei der Gestaltung von Landschaften und der Beeinflussung globaler Zyklen herauszuarbeiten, sagte Murphy.

Ein Bachbett mit Felsboden nach einem kürzlichen Strömungsereignis auf der Kohala-Halbinsel. Brendan Murphy.

„Die Fähigkeit, besser zu verstehen, wie Landschaften erodieren, ist wichtig, da die Erosion des Grundgesteins die chemische Verwitterung beeinflusst, die eine wichtige Komponente des globalen Kohlenstoffkreislaufs ist und das globale Klima durch die Entfernung von Kohlendioxid aus der Atmosphäre beeinflussen kann“, sagte Murphy. „Die Fähigkeit, die Landschaftsentwicklung und den Einfluss des Klimas zu modellieren, ist wichtig, um diese größeren globalen Zyklen miteinander zu verbinden.“

Die Forschung wurde von der National Science Foundation und einem Tulane Research Enhancement Grant finanziert.

Für weitere Informationen kontaktieren: Anton Caputo, Kommunikationsdirektor der UT Jackson School of Geosciences, 512-232-9623 oder Monica Kortsha, Public Affairs Officer der UT Jackson School of Geosciences, 512-471-2241.


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