Wanneer gesteente onbeschut aan het aardoppervlak komt te liggen, wordt het blootgesteld aan fysische, chemische en biologische processen die gezamenlijk ‘verwering’ worden genoemd. Doorgaans verkruimeld of verzwakt het gesteente als gevolg van verwering. Het verschil met erosie is dat bij verwering het gesteente niet verplaatst hoeft te worden.
Het gesteente, dat meestal is opgebouwd onder invloed van endogene processen, ondergaat bij verwering de eerste stap in de richting van afbraak. Daarmee is verwering één van de exogene processen. Er zijn twee vormen van verwering te onderscheiden, namelijk:
Mechanische (fysische) verwering
Mechanische verwering of fysische verwering is het proces waarbij gesteenten uiteenvallen tot gruis, zonder dat daarbij de chemische structuur verandert. Mechanische verwering wordt meestal veroorzaakt door verandering in druk of temperatuur.
Alle gesteenten hebben van nature zwakkere plekken waar barsten kunnen ontstaan. Wanneer gesteente aan het aardoppervlak komt, verdwijnt een groot deel van de warmte en de druk die het gesteente omringde toen het zich nog dieper in de aardkorst bevond. Hierdoor afkoelt het gesteente af en krimpt het, waardoor barsten ontstaan. Water dringt vervolgens deze barsten binnen. Wanneer water bevriest, zet het met bijna een tiende van zijn volume uit. Dit veroorzaakt enorme krachten op het omringende gesteente en verstrekt het proces van barstvorming. Is er eenmaal een cyclus van bevriezen en ontdooien tot stand gekomen, dan leidt dit ertoe dat het gesteente uiteindelijk uiteen valt.
Ook door sterke temperatuurschommelingen zullen gesteenten uitzetten en weer inkrimpen. In een woestijn, waar het verschil in temperatuur tussen dag en nacht groot is, is fysische verwering het meest voorkomende verweringsproces.
Ten slotte dragen ook de wortels van planten bij aan de mechanische verwering van gesteenten. Wortels en zaden kunnen namelijk in barsten in het gesteente binnendringen. Wanneer deze vervolgens gaan groeien worden grote krachten op het gesteente uitgeoefend, waardoor het kan splijten.
Chemische verwering
Chemische verwering kan leiden tot de afbraak van bepaalde mineralen in het gesteente en het ontstaan van nieuwe mineralen. Bij chemische verwering verandert de samenstelling van het gesteente dus wel.
In warme, natte klimaten vindt chemische verwering veel sneller plaats dan in droge omstandigheden. Dit komt omdat chemische processen sneller plaatsvinden in een omgeving met water en hoge temperaturen.
Chemische verwering van kalksteen
Het proces van chemische verwering wordt versterkt door de aanwezigheid van voldoende water (H2O), dat met koolstofdioxide (CO2) in de atmosfeer een zure oplossing vormt. Wanneer deze zure oplossing in de bodem wegzakt, worden bepaalde mineralen, met name calciumcarbonaat (CaCO3), via een omkeerbare chemische reactie opgelost. Kalksteen bestaat voor een groot gedeelte uit calciumcarbonaat, wat gemakkelijk oplost in zuur water. Daardoor kunnen in kalksteen gesteente grotten en tunnels ontstaan. In de grot verliest het water vervolgens koolstofdioxide aan de lucht. Daardoor kan minder calciumcarbonaat in opgeloste vorm in het water aanwezig blijven, waardoor het calciumcarbonaat neerslaat. De calciumcarbonaat die uit de oplossing neerslaat vormt zo gesteenteformaties (ook wel druipsteen genoemd), zoals stalactieten en stalagmieten. Dit is echter een langzaam verlopend proces. Deze druipstenen groeien namelijk met slechts enkele centimeters per honderd jaar.
Chemische verwering van kalksteen in formulevorm
Als CO2 in water wordt opgelost, wordt het water zuurder door het ontstaan van oxonium-ionen (H3O+). In de vorm van molecuulformules ziet de vorming van oxonium-ionen uit water en koolzuur er als volgt uit:
CO2 (aq) + 2 H2O (l) ↔ H3O+ (aq) + HCO3– (aq)
Water verkeert altijd in een evenwicht tussen H2O en OH–. Dit evenwicht ziet er in molecuulformule als volgt uit:
2 H2O ↔ H3O+ + OH–
Dit evenwicht ligt echter zeer ver naar links. Daarmee wordt bedoelt dat er maar zeer weinig moleculen H3O+ ionen en OH– ionen aanwezig zijn in een druppel water, en 99,999…% van de watermoleculen bevindt zich in de H2O vorm. Omdat hier sprake is van een evenwicht zijn er echter wel een aantal H3O+ ionen en OH– ionen aanwezig, en verloopt het afbraakproces van kalksteen ook zonder dat er CO2 aanwezig is. Dit proces verloopt echter zeer langzaam, door de zeer lage concentratie van H3O+ ionen en OH– ionen.
Zure regen bevat een hogere concentratie H3O+ ionen. Dit verklaart dat zure regen kalksteen veel sneller verweert dan in de natuurlijke situatie (met een veel lagere concentratie H3O+ ionen).
Kalksteen bestaat grotendeels uit calciumcarbonaat (CaCO3). De verweringsreactie van kalksteen is als volgt:
CaCO3 (s) + H3O+ (aq) → Ca2+ (aq) + HCO3– (aq) + H2O (l)
Hierbij wordt het gesteente effectief afgebroken. Het gesteente is nu opgelost in water en kan nu wegzakken in de grond. Later kan het opgeloste gesteente weer uit de oplossing neerslaan, waardoor nieuw gesteente wordt gevormd. Bij het neerslaan van opgelost gesteente vindt de omgekeerde reactie plaats van de verweringsreactie van kalksteen. De reactie van het neerslaan van opgelost gesteente:
Ca2+ (aq) + HCO3– (aq) + H2O (l) → CaCO3 (s) + H3O+ (aq)
Chemische verwering door micro-organismen
Ook organismen, en vooral micro-organismen, spelen een belangrijke rol bij de verwering van gesteenten. Zij breken het gesteente langs een biochemische weg af door middel van zuren. Zuren geproduceerd door korstmossen (waarschijnlijk de eerste organismen die het vastland koloniseerden) losten de mineralen in gesteenten op en bouwden deze vrijgekomen mineralen in hun cellen in. Wanneer deze korstmossen (zie figuur hieronder) dood gaan, komt hun organische materiaal in de bodem terecht. Na een lange tijd van ophoping van organisch materiaal werd de bodem hierdoor geschikt voor de groei van de eerste hogere planten.
Ook bomen spelen een rol bij de afbraak van gesteenten, omdat zij (net als korstmossen) organische zuren uitscheiden die gesteenten aantasten.
Oxidatie van ijzerrijk gesteente
Daarnaast bevatten vele gesteenten ijzerrijke mineralen, die blootgesteld aan zuurstof tot het roestbruine ijzeroxide verweren. Een bekent voorbeeld van verroest gesteente is de rode monoliet in het midden van de outback van Australië, Uluru genaamd (zie onderstaande figuur).
Omdat veel kleine brokken steen samen een groter oppervlak hebben dan een groot stuk, zal door mechanische (fysische) verwering de chemische verwering gemakkelijker verlopen. Meer oppervlak betekent namelijk meer contactvlakken waar chemische reacties plaats kunnen vinden. Op deze manier hebben mechanische (fysische) verwering en chemische verwering een elkaar versterkend effect.
