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Über die Gesteinsverwitterung
Von R.U. Winterhalter
( Zürich ) Im ganzen Alpengebiet mehren sich Bergstürze und Steinschläge, Rüfen treten aus, und vielerorts nimmt die « Vergandung » der Wiesen und Matten und die Überstreuung alter Schuttkegel mit frisch zugeführtem Blockmaterial in starkem Masse zu. Die Erscheinung ist so auffallend, dass man die Frage nach ihrer Ursache stellen muss. Auf den ersten Anhieb scheint eine Verbindung — stärkere Verwitterung = stärkerer Abtrag — die Lösung zu bringen. Eine ganze Anzahl von Beobachtungen und Überlegungen mahnt aber zur Vorsicht gegen diese Schlussfolgerung, so dass es angezeigt ist, die Frage eingehender zu prüfen.
Die ersten Anfänge einer Verwitterung im weitesten Sinne setzen schon sehr früh ein. Viele Gesteine wurden unter Bedingungen gebildet, die denen, unter welchen sie sich heute befinden, gänzlich fremd sind. Granite entstanden aus dem feuerflüssigen Magma; Gneise wurden oft tief unter der Erdoberfläche bei hohem Druck und hoher Temperatur gebildet oder in die heutige Form aus andern Gesteinen umgeprägt; Kalke und Mergel bildeten sich im Wasser usw. Die kristallinen Gesteine ( Eruptivgesteine, Gneise, Schiefer ) gelangten von der tiefsten Zone, der Katazone, über die Meso- in die Epizone. Für die in jeder dieser Zonen gebildeten Gesteine ist jeweils ein bestimmter Mineralinhalt charakteristisch, eine Mineralkombination, die wohl in der Bildungszone Bestand hat, in den andern Zonen aber nicht mehr. Die Um- Wandlung oder Metamorphose, die ein Gestein beim Übergang von einer tiefern in eine höhere Zone erleidet, insbesondere die Metamorphose beim Eintritt in die Epizone, verläuft gleichsinnig wie die Verwitterung. Der Vorgang der Metamorphose ist ausserordentlich träge und lässt sich nirgends beobachten, sondern nur durch Überlegungen rekonstruieren.
Gleicherweise lässt sich der als säkulare Verwitterung bezeichnete Prozess, die langandauernde, immerwährende Anpassung der Gesteine an die Bedingungen unter Einwirkung der Atmosphärilien, nicht direkt verfolgen. Auch dieser Vorgang erfolgt sehr langsam. Er äussert sich hauptsächlich darin, dass sich einzelne, für die Kata- oder Mesozone charakteristische Mineralien ganz oder teilweise in Mineralien der Epizone umwandeln. So bildet sich aus Kalifeldspat ( Orthoklas ) Serizit; Plagioklas ( Natronfeldspat ) geht in sog. Saussurit ( Epidot + Klinozoisit ) über; aus Biotit entsteht Chlorit und Epidot etc. Dies alles sind Vorgänge, zu deren Entwicklung die geschichtliche Zeit nicht ausreicht.
Gröberer Art ist der Vorgang, den man gewöhnlich schlechthin als Verwitterung bezeichnet. Heute befinden sich alle uns zur Beobachtung zugänglichen Gesteine im grossen ganzen unter Atmosphärendruck und in hohem Masse den Einwirkungen der Atmosphärilien ( Regen, Schnee, Frost etc. ) ausgesetzt. Die an der Oberfläche liegenden Gesteine sind besonders in den tiefern Regionen nicht mehr frisch. Schon makroskopisch lässt sich eine Verfärbung feststellen. Einzelne Gesteine sind von einer helleren, andere von einer dunkleren Verwitterungsrinde umgeben. Die verwitterten Gesteine sind weicher, mürber, ihr Verband ist im grossen und kleinen gelockerter. Die mikroskopische Betrachtung ( Untersuchung von Gesteinsdünnschliffen ) zeigt, dass die Verwitterung selbst in scheinbar frischen Gesteinen schon weit vorgeschritten ist. Die meisten Gesteine der Alpen sind durch tektonische Bewegungen ( z.B. Alpenfaltung ) mehr oder weniger stark verschiefert, die gesteinsbildenden Mineralien zerbrochen. Dadurch sind unendlich viele kleine und kleinste Risse entstanden, auf denen die Agenzien der Verwitterung angreifen können: die wirksame Angriffsoberfläche hat sich um ein Vielfaches vergrössert.
Die an der Verwitterung beteiligten Kräfte lassen sich grob in zwei Gruppen scheiden, in mechanische und chemische Agenzien. Es wirkt aber kaum je ein Agens allein; sie unterstützen sich gegenseitig, lösen sich ab, indem wechselweise das eine dem andern den Weg öffnet. Welcher Art sind diese Agenzien? Wir stellen sie in nachfolgender Tabelle zusammen.
Agenzien der Verwitterung:
physikalische Agenzien chemische Agenzien Temperaturschwankungen Frost bewegtes Wasser bewegte Luft Pflanzen Insolation Wasser Atmosphärilien Oxydation, Karbonati-sierung, Lösung, Zersetzung Einwirkung von Organismen Betrachten wir nun die Wirkungen dieser Agenzien etwas genauer und beschränken uns dabei auf die Erscheinungen im Gebirge.Vorerst gehen wir auf die physikalischen Agenzien ein:
Temperaturschwankungen: Messungen von Temperaturschwankungen an Felsoberflächen wurden vor allem aus zwei Gründen durchgeführt. Einmal interessierten sie den Bautechniker, um Einblick in die Grössenordnung der dadurch auftretenden Spannungsverhältnisse des Gesteins zu erhalten ( Bau von Staumauern, Luftkonditionierung in Kavernen etc. ). Zum zweiten bildeten Temperaturmessungen die Grundlage gewisser botanischer Studien, insbesondere der Lebensbedingungen von Flechten, Algen etc. Aus solchen Messungen stammen die nachfolgend aufgeführten Daten. Nach JAAG wurden Felstemperaturen von maximal 50—51° C bei starker Einstrahlung und von — 22° C bei Kälte, Wind und Ausstrahlung festgestellt. Solche maximalen Temperaturdifferenzen von etwa 70° C folgen sich aber kaum je so kurzfristig, dass das Gestein nicht Zeit genug hätte, sich den thermischen Spannungen weitgehend anzupassen. Weiter ist zu berücksichtigen, dass das Gestein nur in seltenen Fällen über grössere Strecken homogen ist. Meistens ist es von zahlreichen Klüften durchzogen, auf denen sich Ausdehnungen resp. Zusammenziehungen auswirken können. Als Folge der grossen Temperaturschwankungen dürfte aber mit der Zeit eine Art Gesteinsermüdung eintreten, und durch den häufigen Spannungswechsel werden sich neue Bisse bilden.
Frost: Je nach der Ausgangstemperatur und der Amplitude der Temperaturschwankungen ist es möglich, dass Frosterscheinungen auftreten. Es gefriert das sich in den Gesteinsrissen befindliche, unter Umständen auch das in den oberflächenahen Partien bis in die Korngrenzen und Bisse der Mineralien eingedrungene Wasser. Durch die Ausdehnung beim Übergang von Wasser in Eis entsteht eine Sprengwirkung des Gesteins. Die häufige Wiederholung solcher Frostwirkungen vergrössert die Risse im Gestein, und je öfter sich Auftauen und Gefrieren folgen, um so stärker schreitet die rein mechanische Zerstörung fort. Im Gebirge dürfte sie das grösste Ausmass erreichen, weil sich Gefrier- und Schmelzprozess selbst bis in höchste Höhen hinauf täglich, ja oft mehrmals täglich ablösen.
Bewegtes Wasser und bewegte Luft: Auf die Gesteinsverwitterung haben bewegtes Wasser und bewegte Luft nur geringen Einfluss. Wasser und Luft transportieren die bereits gelockerten oder gelösten Gesteinspartikelchen weg und schaffen dadurch die Möglichkeit, dass immer neue Gesteinspartien an die Oberfläche gelangen und den übrigen Agenzien ausgesetzt werden. Rinnen-des Wasser, das je nach Menge und Gefälle grössere oder kleinere Gesteinstrümmer mit sich führt, kann eine abreibende Wirkung ausüben, die aber nur in grösseren Gebirgsbächen von einiger Bedeutung ist. Ebenso kann durch die in bewegter Luft mitgeführten Sandkörner nach der Art des Sandstrahlgebläses ein Abrieb stattfinden, der an Bäumen und hölzernen Kunstbauten besonders deutlich ausgeprägt ist, während er in den Gesteinen selbst nur ein sehr geringes Ausmass erreicht.
Pflanzen: Ähnlich wie der Frost erzeugen auch die Pflanzen eine Sprengwirkung. Sie wird durch den Druck der in die Risse des Gesteins eingedrungenen Wurzeln und Würzelchen hervorgerufen. Auf diese Weise werden selbst mächtige Felsblöcke längs den Rissen auseinandergetrieben. Selbstverständlich findet der Vorgang nur da statt, wo überhaupt wurzeltreibende Pflanzen vorkommen.
Insolation: Die Insolation ist nur in Trockengebieten wichtig, während sie bei uns keine Bedeutung erreicht.
Etwas anderer Art sind die Wirkungen der chemischen Agenzien.
Wasser, Atmosphärilien: Wasser und Atmosphärilien haben auf die Gesteine, insbesondere auf die Karbonatgesteine, eine lösende Wirkung. Der Zutritt von Luft und Wasser fördert im Gestein auch die Oxydation, so dass darin vorhandene Erzteile ( vor allem Pyrit, Magnetit etc. ) oxydieren und zersetzen.
Einwirkung von Organismen: Die Organismen ( Pflanzen oder Tiere ) scheiden in lebendem Zustand Stoffe aus, die eine Zersetzung des Gesteins herbeiführen können. So lassen sich vielerorts ( besonders im Kalk ) unter Pflanzen oder festhaftenden Tieren Auslaugungen des Gesteins erkennen. In ähnlicher Weise haben auch die Fäulnisstoffe von Pflanzen und Tieren eine lösende Wirkung auf das Gestein.
Im Gebirge tritt aber die Wirkung von Wasser, Atmosphärilien und Organismen auf die Verwitterung stark zurück. An zahlreichen Orten der Alpen gibt es tadellos erhaltene Gletscherschliffe, an denen selbst kleine Riefen und Schrammen sauber erkennbar sind und die oft noch glatte Rutschspiegel aufweisen. Wäre die chemische Verwitterung von einiger Bedeutung, müssten alle diese Oberflächenformen längst zerstört sein.
So kommen wir also dazu, einzig dem Frost und der Sprengwirkung der Pflanzen einen wesentlichen Einfluss auf die Verwitterung in den Alpen zuzuschreiben.
Der allgemeine Charakter der Verwitterung ist vom ortsgebundenen Klima abhängig. Es erhebt sich nun die Frage, ob sich bei uns das Klima geändert hat und dadurch die Verwitterung intensiver geworden ist. Fest-steht, dass die Gletscher zurückgehen. Die Firngrenze liegt oft mehrere hundert Meter höher als früher, ebenso die Schneegrenze. Zahlreiche permanente Schneeflecken sind verschwunden. All das sind Folgen einer seit langem andauernden Klimaveränderung. Soviel sich aber feststellen lässt, hat diese in geschichtlicher Zeit nur ein ganz geringfügiges Ausmass erreicht, und aus den erst seit wenigen Jahrzenten gesammelten Messdaten lässt sich mit Sicherheit keine Änderung erkennen. Wohl folgten sich nasse und trockene Jahre, auch gab es ganze Perioden von nassen Jahren oder schneearmen Wintern und trockenen Sommern. Aber es geht nicht an, aus den gegenüber einem sog. langjährigen Mittel abweichenden Wetterverhältnissen einzelner oder auch mehrerer Jahre zusammen eine Klimaänderung herauszulesen. Dazu ist die Beobachtungsdauer viel zu kurz. Nichts weist darauf hin, dass infolge einer Klimaänderung die Verwitterung in den Alpen aktiviert worden sei. Viel eher beweist die gute Konservierung der Gletscherschliffe das Gegenteil.
Wir müssen also die Ursache für die sich mehrenden Bergstürze und Steinschläge anderswo suchen. Zwei Erscheinungen dürften dafür verantwortlich sein.
Die eine liegt in dem starken Rückgang der Schneebedeckung in den letzten Jahren begründet. Dadurch sind grosse Gebiete losgelöster Gesteinspartien abgedeckt und ihres schützenden, zusammenhaltenden Mantels beraubt worden. In der Zone der Schneegrenze ist ausserdem die Frostwirkung und demzufolge die Ablösung am stärksten. Hier allein könnte deshalb von einer intensiveren Verwitterung gesprochen werden. Dazu kommt, dass der Rückgang der Schneedecke mit einer ausgeprägten Vereisung der Schneehänge verbunden ist, was die Fallmöglichkeit des Gesteinsmaterials ausserordentlich erhöht. Gesteinsteile, die nach kurzem Fall im nassen Schnee steckenbleiben würden, stürzen über trockene Grashänge oder erhärtete Firn-und Eisfelder mit grosser Geschwindigkeit ab und gelangen so in tiefere Regionen. In diesen Gebieten fällt eine Schuttzufuhr stark auf, während sie in höheren, an sich schon schuttreichen Zonen kaum beachtet wird oder beachtet worden ist. Es ist also angezeigt, die Behauptung der Zunahme von Bergsturz und Steinschlag recht kritisch zu prüfen.
Die zweite Erscheinung ist das periodische Ausbrechen von Rüfen. Jahrelang lagert sich der Schutt in den Tobein ab, bis die Anhäufung schliesslich unstabil wird, durch irgendein Unwetter in Bewegung gerät und eine « Rüfi » von oft verheerendem Ausmass ausbricht. Dann folgt eine Zeit der Ruhe, wieder lagert sich Schutt ab, und das Spiel beginnt von neuem. Ähnlich verhält es sich mit den Bergstürzen. Solange Berge bestehen, werden sich Abbrüche in irgendeiner Form ereignen. Die sichtbare Zerstörung erfolgt aber nicht kontinuierlich. Irgendwo entsteht eine fortschreitende Zertrümmerung des Gesteins, schliesslich erfolgt ein Abbruch, das lose Material gleitet oder stürzt ab, und am stehengebliebenen Teil beginnt langsam die andauernde Zerstörung, bis auch er seinen Weg ins Tal nimmt.
So ist die Auffassung einer allgemein erhöhten Verwitterung abzulehnen. Zugenommen hat die Sturzmöglichkeit infolge Fehlens des Schneemantels und Vereisung zahlreicher Schneeflecken. An zahlreichen Stellen ist auch die Wirkung des Spaltenfrostes ausgedehnter geworden. Man muss sich aber hüten, aus einzelnen Erscheinungen, die uns zwar bei oberflächlicher Betrachtung grandios dünken, aber nach Ausmass und Dauer im ganzen Naturgeschehen verschwindend klein sind, Schlüsse zu ziehen, zu denen uns weder geschichtliche noch persönliche Erfahrungen berechtigen.