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Mechanismus und Tiefgang der Verwitterung bei mesozoischen Ton- und Mergelsteinen

[Weathering of Mesozoic Mudrocks, Mechanism and Depth Range]

Einsele, Gerhard

Kurzfassung

Die bergfrischen,massigen und festen mesozoischen Ton- und Mergelsteine Süddeutschlands (Beispiel Opalinuston, Dogger alpha) haben durch ihre Belastungsgeschichte und Diagenese eine Porosität von ca. 20 % angenommen (Abb. 2). Diese und andere bodenphysikalische Eigenschaften ändern sich im oberflächennahen Verwitterungsprofil in charakteristischer Weise. Kontraktion durch Schrumpfung und Expansion durch Schwellvorgänge übertreffen die Volumenänderungen durch elastische Verformungen oder thermische Effekte um 2 bis 3 Größenordnungen (Abb. 3). Mechanische Entlastung durch Taleinschnitte kann allerdings tiefgreifende "horizontale Gleitflächen" auslösen (Abb. 4 und 8 A). Heutiger und eiszeitlicher Permafrost dürften sich weniger stark auf die Entfestigung und Plastizierung der Tonsteine auswirken als der Trocknungs-Befeuchtungs-Zerfall. Die für die Trocknung und Schrumpfung entscheidende Saugspannung bzw. der damit verbundene Kapillardruck steigt mit abnehmender relativer Luftfeuchte auf so hohe Werte (Abb. 5), daß die durch geologische Auflast bedingte frühere maximale Vertikalspannung überschritten und diagenetische Partikelkontakte zerstört werden. Häufigkeit und Intensität der Trocknungs-Befeuchtungs-Zyklen bestimmen weitgehend die verschiedenen Verwitterungsgrade im Verwitterungsprofil (Abb. 7). Hohe Saugspannungen an oberflächlich austrocknendem, freigelegtem Tonstein erzeugen einen starken hydraulischen Gradienten und sorgen damit für kräftigen Wassernachschub aus dem Grundwasserbereich durch das normalerweise schlecht durchlässige Gestein (Abb. 6). Daher kann nur eine dünne Schicht (ca. 15 cm) an der Oberfläche teilaustrocknen und zerfallen. In dieser Weise schreitet die laterale Verwitterung und Erosion an Prallhängen von Bächen oder Einschnittsböschungen in bergfrischem Tonstein voran (Abb. 8C und D). Unter dem Schutz einer ständigen Vegetationsdecke ist die physikalische Verwitterung der Tonsteine im mitteleuropäischen Klima weitgehend zum Abschluß gekommen. Ihr Tiefgang hängt vom Eindringen der sommerlichen Austrocknung und Schrumpfung und von der Obergrenze der Kapillarzone über dem Grund- oder Kluftwasserspiegel ab (Abb. 8 A). Reiner Lösungsabtrag führt zu einer sehr langsamen Erniedrigung der gegenwärtigen Landoberfläche (Abb. 8 B).

Abstract

Due to their stress history and diagenesis, the unweathered, massive and hard Mesozoic mudrocks of Southern Germany have preserved a porosity of approximately 20 % (Abb. 2). Near the present land surface, they show characteristic weathering profiles which can be explained mainly by physical-mechanical processes. Contraction by shrinkage and expansion by swelling surpasses elastic deformations by pressure release or thermal effects by 2 or 3 orders of magnitude (Abb. 3). Stress release on valley slopes may. however, trigger the frequently observed "horizontal slip faces" (Abb. 4 and 8 A). Frost action, even during periods of permafrost, appears to have had less influence on the disintegration and plastification of mudrocks than the dryingwetting-mechanism (slaking). Suction pressure or capillary forces during drying, dependent on the relative humidity of the air, can exceed the maximum geostatic stress and therefore destroy particle bonds (Abb. 5). Frequency and intensity of the drying-wetting cycles lead to the different grades of weathering in the weathering profile (Abb. 7). High suction pressure at fresh mudrock surfaces exposed to the air creates a strong hydraulic gradient and therefore enables substantial flow of groundwater through the semipermeable rock (Abb. 6). In this way comparatively high evaporation from the rock surface is maintained, and partial drying can affect only a thin layer (about 15 cm). Here disintegration of mudrocks starts and can proceed laterally as observed at stream banks and road cuts (Abb. 8C and D). Under the present climatic conditions of central Europe and permanent vegetation cover, physical weathering of mudrocks more or less has come to an end. Its depth is controlled by the penetration of seasonal (partial) drying and shrinkage and/or by the upper boundary of the capillary zone above the groundwater table (Abb. 8 A). Then only chemical denudation generates a very slow lowering of the land surface (Abb. 8B).

Keywords

MudrockmarlAalenian (Opalinus-Ton)diagenesisporosityphysical weatheringplastizationclimatic effectdrying-wetting mechanismsuction pressurecapillary forcesgroundwaterchemical weatheringvelocitytemperate environment Southwestern