Geomorphologie

• Pflanze gibt als Abfallprodukt der Zellatmung CO2 ab
• CO2 löst sich im Wasser, es entsteht Kohlensäure
• Kohlensäure löst Gestein (vgl. Karst)

Wesentlichse Form für Silikat-Verwitterung (Silikate sind saure Vulkanite und Orthogesteine)

• Gestein befindet sich in Wasser
• H2O zerfällt zu H+ und OH-
• Die H+ erstzen Kationen im Gestein und, das Gestein zerflällt
• Die Metallionen (K, Na, Ca, Mg, Fe, Mg) binden sich an die OH- Gruppen und bilden Säuren.
• Die Säuren reagieren weiter, bis die Metallionen irgendwann mit dem Wasser abgeführt werden können und es entstehen Tonminerale.

Einflussfaktoren:

• pH-Wert
• Temperatur
• Wassergehalt
• Zeit

chemische Verwitterung

•  Wir stellen uns ein anfangs stabiles Kristallgitter des Gesteins vor, indem Fe²⁺ (oder Mn²⁺) Kationen vorkommen.
• Nun oxidiert Fe²⁺ zu Fe³⁺ und es ensteht ein positiver Ladungsüberschuss, der auf 3 Möglichkeiten ausgeglichen werdne kann.
• Ladungsausgleich

1. Das Fe³⁺ wird ausgefällt --> rötliche Verfärbung (bei Mn schwarz bis schwarz-braun)
2. Abgabe von H+ Ionen --> pH Wert sinkt --> Hydrolyse möglich.
3. Abgabe von anderen Ionen zB K⁺ oder Mn²⁺

• Wollsackverwitterung
  Im Gestein kommt es zu Kluftsystemen (durch Erstarrungsprozess, Tektonik,...), dort versickert Wasser und hat (gerade in tropischen Gebieten) hydrolytische Wirkung. Danach Freilegung und Zurundung durch Errosion.
  Es entstehen:
  • Wackelstein
  • Felsburgen
     
• Desquamation (Abschuppung)
  Durch Insolationsv. und chemische V. lösen sich dünne Schichten (cm-mm) ab.
   
• Wabenverwitterung (honeycomb weathering)
  Wasser löst Metalle, Wasser tritt aus, restliche Metallausfällungen werden ausgewaschen
   
• Verwitterungsrinden, Wüstenlack
  Während starken Verdunstungsperioden werden Mg bzw. Fe in Lösung mit dem Wasser an die Oberfläche gezogen, und das Wass verdunstet, während Mg oder Fe zurückbleiben. Es bildet sich eine millimeterdicke Schicht aus Mg bzw. Fe.
   
• Tafoni (Schattenverwitterung)
  Überhang bietet Schatten, dort bleibt mehr Wasser --> dort mehr chem. Verwitterung --> Schatten wächst also positive Rückkoppelung. (v.A. in Tropen)
   
• Opferschalen (Oricangas)
  Ausgangssituation leichte Hohleform im Gestein --> Wasser sammelt sich --> Pflanzen wachsen --> Zellatmung --> Kohlensäure --> Eintiefung durch Hydrolyse
  Es entstehen Hohlformen mit 40-100cm Durchmesser, oft fälschlich als anthropogen angesehen.

HORTON-Abfluss
Der Boden ist noch nicht gesättigt, es wird jedoch schneller Wasser zugeführt, als er es aufnehmen kann => HORTON-Abfluss

Sättigungsabfluss
Der Boden ist gesättig und nimmt kein Wasser mehr auf, wird nun Wasser zugeführt, fließt es fast vollständig ab => Sättigungsabfluss

Folgen von Oberflächenabfluss: Denuduation

Denudation := flächenhafte Abtragung
findet v.A. in Hangbereichen statt, bzw. ist gestaltend an Hangbildung beteiligt.

Formen, die durch Denudation entsehen:

• schützende oberste Schicht abgetragen => Rillen => Gullis/ Runzen => Badlands
• Erdpyramiden und Erdpfeiler
  Es liegt ein schützender Stein auf dem Boden, rundherum wird abgeltragen und die Säule unter dem Stein bleibt über.

Erosion

• Tiefenerosion = Tieferlegung der Flussbettsohle
• Seitenerosion = Rückverlegung des Ufers

 
Transport von Sedimenten  

• Sedimente durch Denudations- und Erosionsprozesseangeliefert  

 
Akkumulation

• Bei nachlassender Transportkapazität wird Material abgelagert

Geröllfracht
Feststoffe, z.B. Gesteinstrümmer rollen am Gerinne Bett entlang (=>Zurundung) 
 
Schwebfracht  
Feststoffe, mineralischer Natur (Mineralkörner: z.B. Schluff, Ton, Löß), die im Wasser schweben
 
Lösungsfracht  
chemisch gelöste Substanzen, z.B. Karbonate, Chloride, Sulfate, Phosphate, sowie gelöste org. Substanzen. Die Lösungsfracht nimmt meist den größten Anteil an der Gesamtfracht ein.

Man kann vom Hjulström Diagramm ablesen ab welcher Fließgeschwindigkeit Sedimente einer bestimmten Korngröße erodiert, transportiert bzw. abgelagert werden können.

Auffällig ist, dass nicht die kleinsten Korngrößen (Ton und Schluff) am leichtesten erodiert werden sondern Sand. Das liegt daran, weil bei feuchten Tonen und Schluffen starke Kohäsionskräfte auftreten.

Eine Ablagerung von Ton kann laut diesem Diagramm selbst bei niedrigsten Fließgeschwindigkeiten nicht empirisch nachgewiesen werden.

Flusskolke
Natürliche Hohlräume füllen sich mit Sedimenten und durch lokale Turbulenzen werden kleine Hohlformen ausgeschliffen.

Schotter- und Kiesbänke
In Bereichen niedriger Flussgeschwindigkeit lagern sich Schotter oder Kies ab. Diese Bänke sind episodenweise bei Extremereignissen mobil und wandern daher auch.

Flussinsel
Wird eine Schotter-/ Kiesbank von einer Vegetationsschicht überzogen, so wird sie stationär und wird dann Flussinsel genannt.

Riffles-Pool-Sequenzen
Das sind regelmäßige Abfolgen von tiefen (Pools) und seichten (Riffles) Sequenzen. Als Grund dafür werden querverlaufende Walzen angenommen, es gibt aber verschiedene Theorien dazu.

gerade Flüsse
meist anthropogen durch Flussbegradigung. In der Natur selten in steilen Quellgebieten.
 
verzweigte oder verwilderte Flüsse
Flussbett gliedert sich in zwei oder mehr Einzelläufe, durch Schotterbänke oder Inseln getrennt ;  
 
mäandrierende Flüsse
durch ausgeprägte Schwingungen gekennzeichnet = Flussmäander
 

Erosionsverzweigung
Das Flussbett ist bei diesem Typ i.A. Erosionsresistent. Gibt es nun einen erosionsanfälligen Bereich im Flussbett, so kommt es dort zur Tieferlegung => höhere Flussgeschwindigkeit => positive Rückkoppelung. Passiert das an mehreren Stellen parallel, so kann eine Verzweigung entstehen.

Breitenverzweigung
Leicht erodierbare Ufer werden abgetragen und aufgrund geringer Fließgeschwindigkeit bald wieder abgelagert. Wo sie abgelagert werden, wird Wasser seichter => Fließgeschw. sinkt weiter => positive Rückkoppelung => Schotter/ Kiesbank entsteht. So kann es zu Verzweigung kommen.

Dammverzweigung
Natürlich entstandene Uferdämme werden bei Extremereignis erodiert. Passiert das mehrmals, so kann der Damm an jener Stelle später auch bei Normalpegel erodiert werden und der so entstandene Nebenzweig vereint sich flussabwärts wieder mit dem Hauptfluss.

Mäander besteht aus:

• Prallufer: hohe Fließgeschwindigkeit => Erosion
• Gleitufer: niedrige Fließgeschwindigkeit => Akkumulation
• Amplitude
• Wellenlänge

Halsabschnürung
Durch intensive Seitenerosion wird die Amplitude immer größer. Mit fortschreitender  Entwicklung wird der Mäandersporn schmäler und schmäler, bis das obere Prallufer durchbricht. Der Flusslauf ändert sich, das Wasser nimmt den kürzeren Weg, der Altarm wird abgetrennt und verlandet oder versumpft eventuell.

Wir unterscheiden

• freie Mäander
  Bilden sich in der Ebene mit wenig Tiefenerosion und können damit ohne Hindernisse ihren Flusslauf schnell ändern.
• Talmäander
  Viel Tiefenerosion => Es bildet sich ein Tal, der Fluss ist somit vordefiniert und kann nicht aus dem Tal ausbrechen. Änderung des Flusslaufes langsam, weil nicht nur das Ufer sondern auch der darüberliegende Hang erodiert werden muss.

siehe Abb

absolute Erosionsbasis := Höhendifferenz von Quelle bis Mündung

lokale Erosionsbasis := Höhendifferenz bis zu einem natürlichen oder anthropogenen (Stausee) Hinderniss vom darüberliegenden Flussabschnitt.

Tieferlegung der Erosionsbasis

• größeres Gefälle
• Fluss hat größere kinetische Energie  
• beginnt mit verstärkter Tiefenerosion im oberhalb liegenden Flussabschnitt

Entsteht ein „Erosionsimpuls“  

• rückschreitende Erosion  
• an Hängen rückschreitende Denudation

Erhöhung der Erosionsbasis

• vermindert sich Gefälle
• kommt zur Sedimentation
• diese wirkt sich flussaufwärts aus
• rückschreitende Sedimentation

Niagaratyp
annähernd horizontale, widerstandfähige Gesteinsschicht von schwächeren unterlagert. Am Fuß bildet sich Fallkolk => Rückschreitende Erosion

Kaskadentyp
mehrere, kleinere Stufen
 
Hängetaltyp
Durch glaziale Überprägung Haupttäler stärker eingetieft als Nebentäler. Es entstehen steile Hänge mit Hangschultern bis zu denen galziale Ausschürfung aktiv. Gletscher weg, Wasserfälle entstehen an den Hangschultern.

Langgestreckte Hohlform, die durch Fluss oder Gletscher geschaffen wurde.

mit überwiegender Tiefenerosion und ohne Talsohle

• Klamm: Enthält überhängende Abschnitte
• Schlucht: Enthält keine Überhänge mehr.
• Kerbtal: typische V-Form
• Cañon: Stufenformen durch unterschiedliche Erosion der verschiedenen Gesteinsschichten.

Mit starker Seitenerosion

• Muldental (Abb A)
• Sohlental (Abb C): Fluss fließt nicht in einer Kerbe, sondern einem annähernd horizontalen Talboden. Dieser Entwickelt sich entweder
  • weil Fluss nicht mehr tiefenerodieren kann, aber noch kräftig seitenerodiert,
  • oder weil Fluss stark akkumuliert und so sein Tal mit Sedimenten ausfüllt.
• Trogtal: ehemals vergletschertesTal entwickelt aus Kerbtal, mittels Auffüllung mit Sedimenten.

Talasymmetrie := unterschiedliche Böschungswinkel beider Talflanken  
 
Ursachen

• Unterschiedliche Petrographie (Gestein) der Uferhänge: Wenn ein Fluss entlang einer Verwerfungslinie zwischen zwei Gesteinszonen entsteht, so sind die Ufer oft unterschiedlich widerstandsfähig.
• Schichteinfall: Durch die schräge Schichtung ist ein Uferhang leichter erodierbar und damit flacher als der andere.
• Tektonische Schrägstellung: Tektonische Hebung bewirkt dass der Fluss zum tektonisch weniger gehobenen Ufer gedrängt wird.
• Abdrängen durch einmündende Nebenflüsse
• Mäanderbildung: Gleithang vs Prallhang
• Pleistozäne Solifluktion: Durch verschiedene Exponiertheit von Uferhängen, kam es zu unterschiedlich intensiver Solifluktion der Uferhänge.

Durchbruchstäler  
Fluss durchbricht ein Gebirge quer, um vom Tiefland auf einer Seite zum Tiefland anderer Seite zu fließen. Dafür gibt es zwei Möglichkeiten:

• Antezedenz (Abb links oben) = Flusslauf ist älter als die Struktur, die durchschneidet
  Fluss fließt, ein Gebirge entsteht, Fluss schneidet sich parallel zur Hebung des jungen Gebirges darin ein.
• Epigenese (Abb rechts oben) = Flusseintiefung ist jünger Gebirgsstruktur
  Altes Gebirge liegt unter Sedimenten verschütett. Zuerst trägt Fluss flächenhafte Abtragung der Sedimente, bis er auf das Gibirgsmassiv stößt, dann schneidet er sich ein und es kommt vorrangig nur mehr zur Tiefenerosion. Eine typische Folge entlang des Flusses von flachen Ufern (in ursprünglichen Tallandschaften) und tief eingeschnittenen Schluchten (in ursprünglichen Gebirgslandschaften) ergibt sich.
• Regressionsdurchbruch: (Abb mitte-unten)
  Durch rückschreitende Erosion arbeitet sich der Fluss flussaufwärts "nach hinten" durch das Gebirge. Häufig kommt es beim Durchbrechen zu einer Flussanzapfung. Das passiert v.A. an Antiklinalen (härtere über weicherer Gesteinsschicht)
• Überlaufdurchbruch: (Abb unten)
  Fluss wird aufgestaut, irgendwann bricht er überwindet er niedrigste Schwelle des Damms => Tiefenerosion. Kommt vor allem an Zungenbecken und Endmoränen, Karriegeln, Bergsturzlandschaften vor.

Anzapfender Fluss arbeitet sich durch rückschreitende Erosion durch ein Gebirge bis zu einem anderen angezapften Fluss. Wird dann der Fluss angezapft, so ändert sich die Erosionsbasis des Angezapften und es kommt zu rückschreitender Erosion im Angezapften. Voraussetzung dafür ist ein wesentlich höheres Gefälle im Anzapfer als im Angezapften. Der Anzapfer übernimmt das Wasser des Angezapften (wegen höherem Gefälle) und das alte Flussbett des Angezapften bleibt als Trockental übrig.

Ursachen für Terassenbildung

• Krustenbewegung, vor allem tektonische u. isostatische Hebung => Veränderung der Erosionsbasis
• eustatische Veränderung des Meeresspiegels: Damit ändert sich auch Erosionsbasis
• Klimaschwankungen: Gletscherschmelzen => viel Wasser => viel Energie
• Anzapfung: Veränderung der Erosionsbasis

Erosionsterassen (=Felstterassen)

• Tiefenerosion bis zum anstehenden Gestein
• Verbreiterung des Tals durch Seitenerosion.
• weitere Tiefenerosion
• usw.

Sohlenterassen (= gemischte Terassen)

• Tiefenerosion bis zum anstehenden Gestein
• Verbreiterung des Tals durch Seitenerosion.
• Akkumulation von Schotterdecken.
• weitere Tiefenerosion
• usw.

Akkumulationsterassen (=Schotterterassen)

• Tiefenerosion schafft ein Tal
• Akkumulation: Ausbildung eines breiten Aufschüttungstalbodens.
• Tiefenerosion schneidet sich wieder in den Aufschüttungstalboden ein.
• Akkumulation: Es bildet sich eine neue Schotter Terasse in der alten.
• usw.

Die gravitativen Massenbewegungen sind unter dem Einfluss der Schwerkraft hangabwärts gerichtete Sturz-, Fließ-, Kipp-, Gleit- oder kombinierte Prozesse die Festmaterial wie Boden, Schutt oder Fels aus einem Quellgebiet über eine bestimmte Strecke bis zur Ablagerung transportieren.

• Scherkraft (T = m∙g∙sin(α) ) und Druckspannung ( D = m∙g∙cos(α) ) hängen ab von
  • Gravitation
  • Hangneigung
  • Masse
• Grenzspannung ( Coulombsches Gesetz: S = D*tan(phi)+c )hängt ab von
  • Kohäsion c
  • Reibungswinkel phi
  • Druckspannung D

Scherspannung > Druckspannung => Bewegung
Scherspannung < Druckspannung => Stillstand

Grundsätzlich nimmt der Reibungswinkel mit steigender Korngröße zu.

Warum hat feuchter Sand größten Reibungswinkel? => Porendruck

• Sand ist wassergesättigt und zerfließt => positiver Porendruck => niedrigerer Reibungswinkel
• Sand ist nur feucht, d.h. es sind noch kleine Luftporen im Sand. Wasser hat Kohäsionskräfte und es entsteht ein Sog => negativer Porendruck => höherer Reibungswinkel

siehe Abb

Grunddisposition:
Grundsätzliche, über längere Zeit gleichbleibende Anlage oder Bereitschaft zu Prozessen.
zB Hanglage
 
Variable Disposition
Bei gegebener Grunddisposition zeitlich variable, in einem bestimmten Umfang schwankende oder sich entwickelnde Anlage oder Bereitschaft zu natürlichen Prozessen, quasi der aktuelle Systemzustand.
zB NS, Wassersättigung
 
Auslösendes Ereignis
Einzel-Ereignis, das im gefahrendisponierten Gebiet einen oder mehrere natürliche Prozesse auslöst.
zB Erdbeben, Blitz

:= "Schnellste Massenbewegung, bei der der größte Teil des Weges in der Luft zurückgelegt wird."

Klassifizierung nach bewegtem Volumen:

• Steinschlag (<50cm Durchmesser) und Blockschlag (>50cm Durchmesser)
  • Grunddisp.: Steilwände, Lockermaterial, Klüfte
  • var. Disp.: Frostverwitterung, Poren- / Kluftwasserdruck
  • Auslösende Disp.: Erschütterung, Temperaturunterschiede, Niederschläge
     
• Felststurz (<1Mio km3)
  Felsmassen stürzen werden beim Aufprall weiter fraktioniert.
  • Grunddisp.: Steilwände, starke Zerklüftung
  • var. Disp.: Poren- / Kluftwasserdruck
  • Auslösende Disp.: Erschütterung, Niederschläge, Schneeschmelze
     
• Bergsturz (>1Mio km3)
  Sturz von sehr großen zusammenhängenden Felsmassen.  Hier werden die höchsten Geschwindigkeiten erreicht, weil sich eine Gleitschicht (Interaktion zwischen den Komponenten) ausbildet. Der Transportweg ist lang.
  • Grunddisp.: tiefgründige Zerüttung (tektonische Störung)
  • var. Disp.: Kluftwasserdruck
  • Auslösende Disp.: Erschütterung (Erdbeben), Hangunterschneidung

Durch Stein- und Blockschlag und Felststurz  kommt es zur Ausbildung von

• Sturzkegeln
  charakteristische Sortierung von feineren Fragmenten im oberen und gröberen im unteren Bereich aufgrund der Energie beim Sturz. Eher steil 25-35°
• Stuzhalden
  Wenn mehrere Sturzkegel nebeneinander liegen können sie zusammenwachsen, d.h. Sturzhalde. Unterscheidung aktiv, wenn noch in Bewegung, inaktiv wenn stillstehend (erkennbar an Vegetationsdecke).

Rutschung := "Hangabwärts gerichtete, direkt wahrnehmbare, Massenbewegung an einer klar ausgeprägten Gleitfläche – meist als Folge eines Scherbruches an der Grenze bewegte / unbewegte Masse"

• Grunddisposition: Geologie und Tektonik
• Variable Disposition: Durchfeuchtung und Hangwasserhaushalt, Druckentlastung
• Auslösendes Ereignis: Erschütterung (z.B. Erdbeben), langandauernde Regenfälle, Schneeschmelze

Kennzeichen für Rutschungen: betrunkener Wald, Spannwurzeln

Wir unterscheiden

• Translationsrutschung
  Abgleiten von Schichten oder Schichtpaketen auf einer Gleitfläche entlang einer bestehenden Schwächezone (oft Schicht-, Schieferungs-, Kluft- oder Bruchflächen). eher kleinräumiger
• Rotationsrutschung
  Rutschung mit gekrümmter (kreisförmiger) Gleitfläche, die in der Ausbruchnische nahezu vertikal einfällt.

fließende Bewegung := "Im Unterschied zu Rutschungsbewegungen bruchlose Bewegungen von Flüssigkeiten bzw. plastischen Körpern. Fließbewegungen von plastischen Körpern können als Weiterentwicklung von Kriechbewegungen aufgefasst werden."

Mure

Ist eine schnelle bis extrem schnelle, reißende Bewegung einer breiartigen Suspension aus Wasser und Feststoffen (Feststoffanteil 30–60%) (auch Baumstämme möglich).

• Grunddisposition: Verwitterungsanfälligkeit des Gesteins, Vorkommen von ausreichend Lockermaterial, ausreichendes Gefälle
• Variable Disposition: ausreichende Akkumulation von Schutt mit hinreichend großem Anteil an Feinmaterial, Systemzustand – ev. Vorfeuchte (z.B. erhöhter Porenwasserdruck aufgrund von Schneeschmelze, etc.), Wasserangebot
• Auslösendes Ereignis: intensive Starkniederschläge, lange Regenperioden oder Schneeschmelzwasser, Wassertaschen- und Seeausbrüche

Hangmuren

• Entstehung als Kriechbereich mit Beschleunigung zum Fliessen
• Übergang zur Rutschung
• Entwicklung zur Hangmure

Gerinnemuren

Entstehung innerhalb eines Gerinnes durch

• aus Lockermaterialsverfüllung durch leicht erodierbares Festgestein
• Einstoß einer Hangmure in ein Gerinne:
• Zunahme des Gerinneabflusses
• Verklausung

Murenkegel = Murfächer

Ablagerung von (mehreren schichtweise abgelagerten) Muren, keine Sortierung.

Karstlandschaft := Landschaft, deren ober- bzw. unterirdischer Formenschatz in hohem Maße durch die Lösungsverwitterung (= Korrosion) geschaffen wurde.

Die Entwässerung findet zu einem hohen Anteil unterirdisch statt.

Verkarstung := Gewässer fallen trocken und es entstehen besondere unter- und oberirdische Formen.

Sintherbildung := Bildung von Formen, die durch Ausflällung von gelösten Mineralen aus gesättigten Lösungen entstehen.

• Klüftigkeit des Gesteins (das Gestein muss karsthydrogaphisch gängig sein)
• lösliches Gestein: Kalk, Dolomit, Mamor, Gips, Salze,...

beschleunigende Faktoren

• Desto reiner das Gestein vorliegt, desto löslicher ist es.
• hoher Kohlensäuregehalt im Wasser (CO2 im Wasser ist zum Großteil biogen, nicht aus Atmosphäre)
  • Lösungspotenzial H2O: 13mg/l
  • mit Kohlensäure: 100-400mg/l
• kaltes Wasser (weil es dann mehr Kohlensäure aufnehmen kann)

siehe Abb

• Vadose Zone: Poren luftgefüllt; Fließwirkung unterliegt der Schwerkraft; hier findet meiste Korrosion statt
• Phreatische Zone: Poren wassererfüllt, unter Karstwasserspiegel; Druckfließen; wenn Lösung eher gesättigt, wenig bis keine Korrosion  
• Karstwasserfläche: Oberfläche der phreatischen Zone

Seichter Karst

• Verkarstungsfähigen Gesteine liegen auf nicht verkarstungsfähigen Gesteinen;   
• Es gibt nur die vadose Zone, Weil der Vorfluter in dem das Karstwasser abfließt, den untersten Punkt des Karstsystems bildet und sich so keine phreatische Zone bilden kann. Ein Hochwasser des Vorfluters beeinflusst das Karstwasser also nicht.

Tiefer Karst

• Es gibt wasserstauende Schichten unterhalb des Vorfluters => Dass eine phreatische (also mit Wasser gefüllte) Zone gibt. 
• Es kommen sog. Quelltöpfe vor, bei denen das unter Druck stehende Wasser nach oben austritt = Druckfließen der phreatischen Zone

• kurze Durchlaufzeiten  
• kaum eine natürliche Filterwirkung lange Verweilzeiten in unterirdischen Speichern
• Große Schüttungsschwankungen bei Kalkkarstquellen
• Eintrittsstellen: Ponore, Schwinde
• Austrittsstellen: Quellen, Quelltöpfe = Quellsiphon, Schichtquellen, Kluftquellen
• Warum Karstforschung?
  wichtig für Verständnis und in weiterer Folge Schutz von Trinkwasserquellen

Typen der Entwässerung

• alpiner Typus
  Einer sehr großen Zahl an kleinen Schwindenstellen auf der Hochfläche steht eine kleine Zahl von großen Quellen gegenüber = “Karsthydrographischer Gegensatz”. Quellen werden von Niederschlagswasser genährt.
• dinarischer Typus
  Fluss fließt in Schwinde und tritt auf der anderen Seite des Gebirges wieder aus. Trinkwasserqualität nicht so gut, weil Quelle von Flusswasser genährt.