Meteorizacja: typy i procesy
Wietrzenie polega na rozkładzie skał przez rozpad mechaniczny i rozkład chemiczny. Wiele powstaje w wysokich temperaturach i ciśnieniach głęboko w skorupie ziemskiej; Wystawione na niższe temperatury i ciśnienia na powierzchni i napotykające powietrze, wodę i organizmy, rozkładają się i pękają.
Istoty żywe mają również wpływ na wietrzenie, ponieważ wpływają na skały i minerały poprzez różne procesy biofizyczne i biochemiczne, z których większość nie jest znana szczegółowo.
Zasadniczo istnieją trzy główne typy, przez które zachodzi wietrzenie; To może być fizyczne, chemiczne lub biologiczne. Każdy z tych wariantów ma specyficzne cechy, które wpływają na skały w różny sposób; nawet w niektórych przypadkach może występować kombinacja kilku zjawisk.
Fizyczne lub mechaniczne wietrzenie
Procesy mechaniczne redukują skały w coraz mniejsze fragmenty, co z kolei zwiększa powierzchnię narażoną na atak chemiczny. Główne mechaniczne procesy wietrzenia są następujące:
- Pobieranie.
- Działanie mrozu.
- Naprężenia termiczne spowodowane ogrzewaniem i chłodzeniem.
- Rozszerzenie.
- Kurczenie się z powodu zwilżania z późniejszym suszeniem.
- Ciśnienia wywierane przez wzrost kryształów soli.
Ważnym czynnikiem w mechanicznym wietrzeniu jest zmęczenie lub powtarzające się generowanie naprężeń, które zmniejszają tolerancję na uszkodzenia. Rezultatem zmęczenia jest to, że skała pęknie przy niższym poziomie naprężenia niż próbka bez zmęczenia.
Pobierz
Gdy erozja usuwa materiał z powierzchni, zmniejsza się ciśnienie ograniczające leżące pod nim skały. Niższe ciśnienie pozwala na większe oddzielenie ziaren mineralnych i tworzenie pustych przestrzeni; skała rozszerza się lub rozszerza i może pękać.
Na przykład w kopalniach granitu lub innych gęstych skałach uwolnienie ciśnienia z powodu cięć w celu wydobycia może być gwałtowne, a nawet spowodować wybuchy.
Złamanie przez zamrożenie lub żelowanie
Woda, która zajmuje pory wewnątrz skały rozszerza się o 9% podczas zamrażania. To rozszerzenie wytwarza wewnętrzne ciśnienie, które może spowodować fizyczny rozpad lub pęknięcie skały.
Żelowanie jest ważnym procesem w zimnych środowiskach, gdzie cykle zamrażania i rozmrażania zachodzą stale.
Cykle grzania-chłodzenia (termoklast)
Skały mają niską przewodność cieplną, co oznacza, że nie są dobre w odprowadzaniu ciepła z powierzchni. Gdy skały są ogrzewane, zewnętrzna powierzchnia zwiększa swoją temperaturę znacznie bardziej niż wewnętrzna część skały. Z tego powodu część zewnętrzna jest bardziej rozszerzona niż część wewnętrzna.
Ponadto skały złożone z różnych kryształów charakteryzują się zróżnicowanym ogrzewaniem: ciemniejsze kryształy nagrzewają się szybciej i chłodzą wolniej niż lżejsze kryształy.
Zmęczenie
Te naprężenia termiczne mogą powodować rozpad skały i powstawanie ogromnych łusek, skorup i arkuszy. Powtarzające się ogrzewanie i chłodzenie powodują efekt zwany zmęczeniem, który sprzyja wietrzeniu termicznemu, zwanemu również termoklastią.
Ogólnie rzecz biorąc, zmęczenie można zdefiniować jako efekt kilku procesów, które zmniejszają tolerancję materiału na uszkodzenie.
Łuski skalne
Złuszczanie lub wytwarzanie arkuszy przez naprężenia termiczne obejmuje również generowanie łusek skalnych. Podobnie intensywne ciepło wytwarzane przez pożary lasów i eksplozje jądrowe mogą spowodować rozpad skały i jej pęknięcie.
Na przykład w Indiach i Egipcie przez wiele lat stosowano ogień jako narzędzie wydobywcze w kamieniołomach. Jednak codzienne wahania temperatury, występujące nawet na pustyniach, są znacznie poniżej skrajności osiąganych przez lokalne pożary.
Nawilżanie i suszenie
Materiały zawierające glinę, takie jak muł i łupek, znacznie się rozszerzają po zwilżeniu, co może powodować powstawanie mikropęknięć lub mikrozłamań ( mikropęknięcia w języku angielskim) lub poszerzenie istniejących pęknięć.
Oprócz efektu zmęczenia, cykle rozszerzania i kurczenia - związane z zwilżaniem i suszeniem - prowadzą do wietrzenia skały.
Meteorizacja przez wzrost kryształów soli lub haloclastii
W regionach przybrzeżnych i suchych kryształy soli mogą rosnąć w roztworach soli, które są zatężane przez odparowanie wody.
Krystalizacja soli w szczelinach lub porach skał powoduje napięcia, które je rozszerzają, a to prowadzi do ziarnistego rozpadu skały. Proces ten znany jest jako wietrzenie solne lub haloklastia.
Kiedy kryształy soli utworzone w porach skały są ogrzewane lub nasycane wodą, rozszerzają się i wywierają nacisk na ściany pobliskich porów; powoduje to stres termiczny lub stres hydratacji (odpowiednio), które przyczyniają się do wietrzenia skał.
Meteoryzacja chemiczna
Ten rodzaj wietrzenia obejmuje wiele różnych reakcji chemicznych, które działają razem na wiele różnych rodzajów skał w całym zakresie warunków pogodowych.
Ta wielka różnorodność może być zgrupowana w sześć typów głównych reakcji chemicznych (wszystkie zaangażowane w rozkład skały), a mianowicie:
- Rozwiązanie.
- Nawodnienie.
- Utlenianie i redukcja.
- Karbonizacja.
- Hydroliza.
Rozwiązanie
Sole mineralne można rozpuścić w wodzie. Proces ten obejmuje dysocjację cząsteczek w ich anionach i kationach oraz uwodnienie każdego jonu; to znaczy jony są otoczone cząsteczkami wody.
Zasadniczo rozpuszczanie jest uważane za proces chemiczny, chociaż nie wymaga odpowiednich przemian chemicznych. Ponieważ rozpuszczanie występuje jako pierwszy etap dla innych procesów chemicznych wietrzenia, jest ono zaliczane do tej kategorii.
Rozwiązanie łatwo się odwraca: gdy roztwór jest przesycony, część rozpuszczonego materiału wytrąca się jako ciało stałe. Nasycony roztwór nie ma zdolności rozpuszczania się w stanie stałym.
Minerały różnią się rozpuszczalnością i wśród najbardziej rozpuszczalnych w wodzie są chlorki metali alkalicznych, takie jak sól kamienna lub halit (NaCl) i sól potasowa (KCl). Te minerały występują tylko w bardzo suchym klimacie.
Gips (CaSO 4 .2H 2 O) jest również dość rozpuszczalny, podczas gdy kwarc ma bardzo niską rozpuszczalność.
Rozpuszczalność wielu minerałów zależy od stężenia wolnych jonów wodorowych (H +) w wodzie. Jony H + są mierzone jako wartość pH, która wskazuje stopień kwasowości lub zasadowości roztworu wodnego.
Nawodnienie
Wietrzenie uwadniające jest procesem, który zachodzi, gdy minerały adsorbują cząsteczki wody na swojej powierzchni lub pochłaniają je, w tym również w sieci krystalicznej. Ta dodatkowa woda powoduje wzrost objętości, który może spowodować pęknięcie skały.
W wilgotnych klimatach o średnich szerokościach geograficznych obecne są kolory gleby / notoryczne wariacje: można ją zaobserwować od brązowawego koloru do żółtawego. Zabarwienia te są spowodowane hydratacją hematytu czerwonego tlenku żelaza, który przechodzi w getyt w kolorze tlenku (tlenowodorotlenek żelaza).
Pobieranie wody przez cząstki gliny jest również formą hydratacji, która prowadzi do jej rozszerzenia. Następnie, gdy glina wysycha, pęka kora.
Utlenianie i redukcja
Utlenianie występuje, gdy atom lub jon traci elektrony, zwiększając ich ładunek dodatni lub zmniejszając ładunek ujemny.
Jedna z istniejących reakcji utleniania obejmuje połączenie tlenu z substancją. Tlen rozpuszczony w wodzie jest powszechnym czynnikiem utleniającym w środowisku.
Zużycie na skutek utleniania wpływa głównie na minerały zawierające żelazo, chociaż elementy takie jak mangan, siarka i tytan mogą być również utleniane.
Reakcja na żelazo, która występuje, gdy rozpuszczony tlen w wodzie wchodzi w kontakt z minerałami zawierającymi żelazo, jest następująca:
4Fe2 + + 3O 2 → 2Fe 2 O 3 + 2e-
W tym wyrażeniu e- reprezentuje elektrony.
Żelazo żelazowe (Fe2 +) występujące w większości minerałów tworzących skały można przekształcić w jego postać żelazową (Fe3 +) przez zmianę ładunku neutralnego sieci krystalicznej. Ta zmiana czasami powoduje jej zapadnięcie się i sprawia, że minerał jest bardziej podatny na atak chemiczny.
Karbonizacja
Karbonizacja to tworzenie węglanów, które są solami kwasu węglowego (H 2 CO 3 ). Dwutlenek węgla rozpuszcza się w naturalnych wodach, tworząc kwas węglowy:
CO2 + H2O → H2CO3
Następnie kwas węglowy dysocjuje na uwodniony jon wodorowy (H3O +) i jon wodorowęglanowy, zgodnie z następującą reakcją:
H 2 CO 3 + H 2 O → HCO 3 - + H 3 O +
Kwas węglowy atakuje minerały tworzące węglany. Karbonizacja dominuje w wietrzeniu skał wapiennych (które są wapieniami i dolomitami); w nich głównym minerałem jest kalcyt lub węglan wapnia (CaCO 3 ).
Kalcyt reaguje z kwasem węglowym, tworząc węglan kwasu wapniowego, Ca (HCO 3 ) 2, który w przeciwieństwie do kalcytu łatwo rozpuszcza się w wodzie. Dlatego niektóre wapienie są tak podatne na rozpuszczanie.
Odwracalne reakcje między dwutlenkiem węgla, wodą i węglanem wapnia są złożone. Zasadniczo proces można podsumować w następujący sposób:
CaCO 3 + H 2 O + CO 2 ⇔ Ca 2 + + 2 HCO 3 -
Hydroliza
Ogólnie, hydroliza - rozpad chemiczny przez działanie wody - jest głównym procesem wietrzenia chemicznego. Woda może rozkładać się, rozpuszczać lub modyfikować pierwotne minerały wrażliwe na skały.
W tym procesie zdysocjowana woda w kationach wodorowych (H +) i anionach hydroksylowych (OH-) reaguje bezpośrednio z krzemianowymi minerałami w skałach i glebach.
Jon wodorowy jest wymieniany z kationem metalicznym minerałów krzemianowych, zwykle potasu (K +), sodu (Na +), wapnia (Ca2 +) lub magnezu (Mg2 +). Następnie uwolniony kation łączy się z anionem hydroksylowym.
Na przykład reakcja hydrolizy minerału zwanego ortoklazem, który ma wzór chemiczny KAlSi 3 O 8, wygląda następująco:
2KAl3O8 + 2H + + 2OH- → 2HAlSi 3O 8 + 2KOH
Tak więc ortoklaz przekształca się w kwas glinokrzemowy, HAlSi 3 O 8 i wodorotlenek potasu (KOH).
Ten rodzaj reakcji odgrywa zasadniczą rolę w tworzeniu pewnych charakterystycznych reliefów; na przykład są zaangażowani w tworzenie reliefu krasowego.
Meteorizacja biologiczna
Niektóre żywe organizmy atakują skały mechanicznie, chemicznie lub przez połączenie procesów mechanicznych i chemicznych.
Rośliny
Korzenie roślin - zwłaszcza tych rosnących na płaskich skalistych złożach - mogą wywierać efekt biomechaniczny.
Ten efekt biomechaniczny występuje, gdy korzeń rośnie, ponieważ zwiększa on nacisk wywierany przez niego w otaczającym go środowisku. Może to prowadzić do złamania skał korzeniowych.
Porosty
Porosty to organizmy złożone z dwóch symbiontów: grzyba (mycobiont) i glonów, które zwykle są cyjanobakteriami (phycobiont). Organizmy te zostały zgłoszone jako kolonizatory, które zwiększają wietrzenie skał.
Stwierdzono na przykład, że Stereocaulon vesuvianum jest instalowany na wypływach lawy, zwiększając do 16 razy tempo jego wietrzenia w porównaniu do powierzchni nieskolonizowanych. Stawki te mogą się podwoić w wilgotnych miejscach, jak na Hawajach.
Zauważono również, że gdy porosty giną, pozostawiają ciemną plamę na powierzchni skały. Plamy te pochłaniają więcej promieniowania niż otaczające czyste obszary skały, promując wietrzenie termiczne lub termoplasty.
Organizmy morskie
Niektóre organizmy morskie szorują powierzchnię skał i perforują je, promując wzrost glonów. Te organizmy perforujące obejmują mięczaki i gąbki.
Przykładami tego typu organizmów są omułek niebieski ( Mytilus edulis ) i trawożerny ślimak Cittarium pica .
Chelatacja
Chelatacja to kolejny mechanizm wietrzenia polegający na usuwaniu jonów metali, a zwłaszcza jonów glinu, żelaza i manganu ze skał.
Osiąga się to poprzez połączenie i sekwestrację przez kwasy organiczne (takie jak kwas fulwowy i kwas humusowy), tworząc rozpuszczalne kompleksy materii organiczno-metalowej.
W tym przypadku środki chelatujące pochodzą z produktów rozkładu roślin i z wydzielin korzeni. Chelatacja sprzyja wietrzeniu chemicznemu i przenoszeniu metali do gleby lub skał.
