Degradare meteorică (meteorizare)

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Aspect tipic al rocilor degradate într-un mediu deșertic

Degradarea meteorică (sau meteorizarea ) este procesul de dezintegrare și alterare a rocilor și mineralelor care apar pe suprafața pământului, prin contact direct sau indirect cu agenții atmosferici. Reprezintă prima etapă a procesului sedimentar , la finalul căruia se formează o nouă rocă sedimentară . Termenul indică un fenomen care apare in situ sau „fără mișcare”, prin urmare nu trebuie confundat cu eroziunea , care se datorează în schimb mișcării și dezintegrării rocilor și mineralelor datorită mișcării apei , vântului , gheții și forței gravitația .

Cele două procese de degradare meteorică

Degradarea meteorică are loc cu două procese diferite care pot acționa împreună sau separat:

  • primul este mecanic sau fizic : este dezintegrarea . Rocile și solul sunt reduse la fragmente de diferite dimensiuni prin contact direct cu atmosfera, expansiunea termică, apă , gheață și variații de presiune ;
  • al doilea este de tip chimic : este alterare . Apare prin agresiunea chimică și / sau biologică a rocilor și a solului, care, pe de o parte, facilitează levigarea , adică îndepărtarea ionilor și moleculelor într-o soluție apoasă și, pe de altă parte, îmbogățirea în materiale insolubile.

Produsele generate de zdrobirea și modificarea chimică care rămân in situ, numite regolit , se combină cu materialul organic care dă naștere solului .

Defecțiune mecanică

Factorii care contribuie la dezintegrarea mecanică a rocilor sunt în esență fizici: temperatura, modificările stării apei și precipitarea solutelor conținute în ea. Rezultatul este dezarticularea rocilor în fragmente sau claste . Dezintegrarea mecanică alternează adesea în succesiune cu alterarea chimică, acest lucru se datorează faptului că zdrobirea crește suprafața expusă acțiunii chimice și, în același timp, acțiunea chimică asupra fragmentelor este capabilă să accelereze procesul de dezintegrare mecanică.

Termoclasticism

Termoclasticismul apare în zone cu un interval de temperatură ridicat, cum ar fi în deșerturi [1] . Temperatura rocilor în timpul zilei poate chiar să depășească 50 ° C, în timp ce scade la câteva grade peste zero în timpul nopții. În timpul zilei, roca se extinde pe măsură ce se încălzește, în timp ce noaptea se contractă. Cu toate acestea, stresul apare numai în straturile exterioare. Chiar dacă acest proces este controlat de temperatură, dezarticularea prin expansiune termică nu poate avea loc fără prezența unui grad suficient de umiditate , cu condensarea nocturnă a aburului pentru scăderea termică [2] . Conform experimentelor efectuate în laborator, alternanța ciclică a udării și uscării rocii datorită modificărilor de temperatură ar fi cauza dezintegrării acesteia. De fapt, presiunea de cristalizare a cantităților foarte mici de substanțe dizolvate și cea a apei care rămâne prinsă între granule în timpul uscării și expansiunea termică simultană a granulelor și cristalelor îndepărtează granulele unul de celălalt suficient pentru a le separa fizic una de alta . Termoclasticismul reduce rocile cu granulație grosieră sau neomogene sau rocile cu compoziție mineralogică eterogenă în fragmente mici și bolovani mari, mai mult sau mai puțin rotunjite. Datorită efectului termoclastic, rocile de granit înfloresc adesea , devenind un nisip arcosic . Rocile care au discontinuități plane ( foliație metamorfică, stratificare , laminare ) sau cu granulație fină și uniformă sau cu un mineral predominant pot dezvolta fenomenul de exfoliere sau descuamare , adică detașarea celor mai superficiale părți ale rocii sub formă de foi și fulgi (grosime de la câțiva milimetri la câțiva metri) de-a lungul planurilor aproximativ paralele cu suprafața. Atunci când acest fenomen afectează bolovani mari sau pietricele, foile se dezvoltă în structuri concentrice care seamănă cu solzi de ceapă, astfel încât termenul de ceapă peeling este folosit pentru ei [3] .

Ciclul de îngheț-dezgheț sau crioclastism

O stâncă din sudul Islandei s-a fragmentat din cauza ciclului de îngheț și dezgheț

Ciclul de îngheț-dezgheț , care poate apărea și cu un ritm diurn-nocturn, cunoscut și sub numele de creștere a cristalelor de gheață sau a gheții încastrate , are loc atunci când apa se strecoară în crăpăturile deschise din roci, apoi îngheață, extinzându-și volumul. Extinderea poate exercita presiune până la 21 MPa . Această presiune este adesea mai mare decât rezistența multor roci care le determină să se rupă. Acest ciclu are loc mai ales în prezența unei umidități ridicate și a unor excursii termice frecvente peste și sub zero. Când apa îngheață într-o fisură, gheața se extinde deformează punctul de joncțiune, mărind efectiv dimensiunea fracturii, până când devine definitivă, cu ruptură completă. [4] Acest proces are loc deoarece volumul de apă înghețată este cu 9% mai mare decât volumul de apă la temperatura camerei. Pe măsură ce gheața se topește, apa poate pătrunde în continuare în rocă. Apoi, când temperatura scade din nou sub îngheț, apa îngheață din nou, provocând o lărgire suplimentară a fracturii. Ciclurile repetate de îngheț-dezgheț slăbesc roca, până la fragmentarea ei în diferite fragmente numite claste care se acumulează pe versanți sau ocupă pante întregi sub formă de resturi acvifere . Fragmentele acestor roci se dezintegrează tot mai mult în funcție de structura lor internă. Cristalele de gheață se pot forma și în roci poroase . Aceste cristale cresc prin extragerea apei din porii din jur. Gheața în creștere slăbește stânca, care în cele din urmă se sparg. Gipsul , de exemplu, este o rocă poroasă susceptibilă la acțiunea crioclastismului.

Congelarea-dezghețul acționează și asupra solurilor afectate de permafrost , cu formarea așa-numitelor pene de gheață : sunt foi de gheață groase de 1-2 m care pătrund în sol până la 10 m. La originea a totul se află contracția de volum pe care o suferă straturile de suprafață din cauza scăderii temperaturilor de iarnă. Crăpăturile se deschid în sol unde pătrunde apa lichidă în perioade scurte de decongelare. Congelarea sa ulterioară, datorită creșterii volumului de gheață, lărgește fisura; aceasta, în sezonul estival următor, se va umple din nou cu apă care, înghețând din nou, o va mări și mai mult. Pe parcursul mai multor ani, se vor forma pene. Probabil legate de formarea penei de gheață sunt solurile poligonale , foarte frecvente în câmpiile canadiană și siberiană. Fisurile din aceste soluri tind să traseze o rețea de poligoane mai mult sau mai puțin regulate, variind de la câțiva decimetri la multe zeci de metri. Caracteristica acestor soluri este prezența resturilor fine în centrul poligoanelor și a resturilor mai grosiere la marginile lor [3] .

Eliberarea presiunii

Eliberarea presiunii în granit

O altă posibilă cauză de dezintegrare este eliberarea de presiune : atunci când masa materialului (nu neapărat stâncos) care depășește o rocă este foarte grea, aceasta este supusă unei presiuni ridicate, ca în cazul rocilor de sub ghețarii mari. Când eroziunea sau retragerea ghețarului îndepărtează această acoperire, eliberarea de presiune tinde să provoace umflarea și dezarticularea stâncii și poate provoca și acțiuni de exfoliere . Roci ignee intruzive , cum ar fi granitul , se formează adânc în interiorul scoarței . Acestea sunt supuse unei presiuni litostatice foarte puternice datorită greutății materialului de deasupra. Pe măsură ce eroziunea îndepărtează acest material, presiunea scade și rocile pot ieși la lumină. Ca urmare a scăderii presiunii, partea exterioară a acestor roci tinde, prin urmare, să se extindă. Expansiunea provoacă o tensiune care generează fracturi paralele cu suprafața expusă a rocii. De-a lungul timpului, „foi” reale de rocă se desprind de-a lungul acestor fracturi [3] .

Acțiune hidraulică

Apare atunci când apa (de obicei din cauza valurilor violente) se infiltrează rapid în fisurile din stâncă , prinzând un strat de aer în partea de jos, comprimându-l și slăbind stânca. Când apa se retrage, aerul blocat este eliberat brusc cu forță explozivă. Această acțiune slăbește roca prin lărgirea fracturii în sine, procesul crește din ce în ce mai mult, permițând să pătrundă mai mult aer în timpul următorului val. Este unul dintre mecanismele care acționează asupra dezintegrării recifelor marine.

Cristalizarea sării sau a aloclasmei

Cristalizarea produce dezintegrarea rocilor atunci când o soluție salină se infiltrează în fracturi și se evaporă , lăsând în interior cristale de sare . Pe măsură ce temperatura crește, acestea exercită presiune asupra rocii vecine. Cristalizarea sării poate avea loc atunci când o soluție descompune roci, de exemplu, calcar și gips , pentru a forma o soluție de sulfat de sodiu sau carbonat de sodiu , care ulterior se evaporă dând naștere la formarea cristalelor respective. Sărurile care au un efect eficient în dezintegrare roci sunt: sodiu sulfat, sulfat de magneziu și clorură de calciu . Unele dintre acestea își pot extinde volumul de până la trei ori. Aloclasmul este un proces care acționează mai ales pe coastele stâncoase datorită pulverizării valurilor și în zonele aride atunci când acviferul de lângă suprafață sau corpurile de apă formate în timpul ploilor rare se evaporă [3] .

Acțiune din organismele vii

Acțiunea biologică a lichenilor asupra lavei. Palma

Organismele vii pot contribui, de asemenea, la descompunerea mecanică a rocilor. Lichenii și mușchii cresc în esență la suprafața rocilor, creând un microambient chimic mai umed. Aderența acestor organisme la roci intensifică atât acțiunea fizică, cât și cea chimică, creând microfisuri în structura lor și accelerând rata de degradare în comparație cu roca care nu este acoperită de licheni. [5] La scară largă, încolțirea semințelor și creșterea microfracturilor de rădăcini mici exercită presiune fizică și creează o cale de curgere pentru infiltrările ulterioare de soluții chimice și apă. Găurile săpate de animale (în special nevertebratele) deranjează stratul de pământ adiacent suprafeței rocii, crescând acțiunea apei și a acizilor și expunându-l la un proces de oxidare . Un alt exemplu binecunoscut de dezintegrare cauzată de acțiunea animalelor se datorează foladelor , o specie de moluște bivalve . Aceste animale sunt capabile să „străpungă” rocile carbonatate , așa cum se întâmplă în stâncile de calcar din Cape Flamborough , Yorkshire ; aceste găuri reprezintă o amenințare suplimentară pentru integritatea recifelor [6] .

Modificare chimică

Rocile magne și metamorfice sunt formate din minerale formate prin reacții stabile chimic în anumite intervale de temperatură, presiune și compoziția chimică a fluidelor asociate; aceleași considerații se aplică mineralelor care precipită pentru a forma cimentul rocilor sedimentare solidificate. Apariția acestor roci pe suprafața pământului le supune în consecință unei condiții de dezechilibru chimico-fizic, în care mineralele prezente reacționează cu transformări definite în mod obișnuit ca alterări ale rocii.

Dizolvare

Efectul dizolvării chimice asupra unui afloriment de calcar, accentuat de prezența fracturilor care au ghidat dezvoltarea tridimensională a fenomenului

Dizolvarea este trecerea mineralelor dintr-o rocă sau sol în soluție. Numai apa este capabilă să dizolve foarte puține minerale foarte solubile, cum ar fi cele care constituie evaporite ( gips , anhidriți , sare de rocă etc.). Există trei gaze prezente în atmosferă care pot contribui la procesul de dizolvare. Dioxidul de sulf , SO 2 , produs de erupții vulcanice sau provenit din combustibili fosili , este capabil să se transforme în acid sulfuric și, căzând la sol dizolvat în ploaie, provoacă dizolvarea rocilor. Atacă, de exemplu, carbonatul de calciu al calcarelor insolubile, transformându-l în sulfat de calciu dihidrat, adică gips , care este solubil și este levigat. Chiar și azotul atmosferic, transformându-se în acid azotic, poate dizolva rocile. Cu toate acestea, unul dintre principalele procese de dizolvare se referă la rocile carbonatice . Dioxidul de carbon , conținut în aer sau provenit din procesele de descompunere a substanțelor organice, se dizolvă ușor în apă formând acid carbonic (cum ar fi cel conținut în băuturile carbogazoase), ceea ce face ca apa să fie „agresivă” din punct de vedere chimic și crește puterea sa de solvent. Acidul carbonic poate reacționa cu carbonații insolubili ai calcarului și dolomitei , transformându-i în bicarbonați, solubili în apă și transportați de aceasta sub formă de ioni sau contribuind la hidroliza silicaților (vezi mai jos) [7] . Acidul carbonic este un acid slab care reacționează cu carbonatul de calciu pentru a forma un ion Ca 2+ și doi ioni HCO - 3 în soluție. Ele nu se leagă stabil pentru a precipita bicarbonatul de calciu, cu excepția cazului în care există evaporarea solventului.

Reacția este următoarea:

CO 2 + H 2 O ⇌ H 2 CO 3
Dioxid de carbon + apă → acid carbonic
H 2 CO 3 + CaCO 3Ca 2+ + 2 HCO - 3
Acid carbonic + carbonat de calciu → ion de calciu + 2 ioni de acid carbonic

Hidratare

Unele roci sedimentare, precum argile și anhidriți , sunt formate din minerale care au capacitatea de a reține apa în rețeaua lor cristalină prin umflare. Creșterea volumului și stresul rezultat în rocă, ca în cazul ameliorării presiunii, facilitează dezintegrarea rocii. În cazul anhidritei, prin achiziționarea a două molecule de apă pentru fiecare unitate de formulă , se transformă în gips (CaSO 4 + 2H 2 O ⇌ CaSO 4 • 2H 2 O). Hidratarea este un proces reversibil: apa se poate evapora și mineralul revine astfel la condițiile sale inițiale. Așa se întâmplă continuu în argile: în sezonul ploios se umflă până devin plastice și capabili să curgă de-a lungul unei pante ca o alunecare de noroi. Cu toate acestea, în perioadele de secetă, acestea pierd apa prinsă în rețeaua minerală și se contractă, crapându-se la suprafață și întărindu-se considerabil [3] .

Hidroliză

Cea mai importantă acțiune a apei se efectuează asupra silicaților , care sunt principalii constituenți ai rocilor, prin hidroliză. Acesta este un proces chimic complex și care nu este încă pe deplin înțeles. Atacul chimic este efectuat de ioni de hidrogen (H + ) și hidroxil (OH - ), prezenți în apă în cantități foarte mici. Primii se leagă de tetraedrul de siliciu , înlocuind metalele alcaline (care au aceeași sarcină) de care sunt legate și formând astfel acid ortosilicic (H 4 SiO 4 ), solubil în apă unde se polimerizează ușor în silice coloidală și altele mai complexe molecule; metale se leaga de OH - ioni, care formează solubile și insolubile hidroxizi (KOH, NaOH, Ca (OH) 2, etc.). Ulterior, o parte a metalelor se recombină cu tot sau cu o parte din silice coloidală pentru a forma mineralele argilelor , în timp ce partea rămasă, reacționând cu dioxid de carbon CO 2 sau cu substanțe organice sau cu alte săruri prezente în apă, rămâne în soluție sub formă de ioni sau coloizi împreună cu orice silice coloidală reziduală. Cel mai cunoscut proces este cel al hidrolizei feldspatului de potasiu , care are loc în două faze [3] :

3KAlSi 3 O 8 + 2H + + 12H 2 O → KAl 3 Si 3 O 10 (OH) 2 + 6H 4 SiO 4 + 2K +
ortoclasă sericite / ilite silice solubilă
KAl 3 Si 3 O 10 (OH) 2 + 2H + + 3H 2 O → 3Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 + 2K +
sericite / ilite caolin

unde sericitul și ilitul sunt două minerale argiloase intermediare în procesul de transformare a feldspatului în caolin , un mineral argilos alb.

Hidroliza este un proces deosebit de eficient în care există o abundență de apă și temperaturi ridicate, adică în zone cu climat cald-umed, în timp ce poate fi complet sau aproape complet blocat în zonele aride sau în climă rece. Procesul este accelerat de prezența vegetației, a substanțelor organice și a bacteriilor în descompunere. Mai ales primul are o mare importanță, deoarece, prin procesul de respirație celulară, rădăcinile plantelor eliberează cantități considerabile de dioxid de carbon în apa care circulă în sol. În regiunile ecuatoriale vegetația bogată și clima fierbinte-umedă împing procesul până la descompunerea mineralelor din argile, care sunt alumosilicați : se eliberează acid silicic, care este îndepărtat din apă și alumină (Al 2 O 3 ) care, fiind insolubilă, se concentrează pe suprafață formând o crustă groasă și întărită ( laterită ) împreună cu oxizi și hidroxizi de fier și mangan. Rezistența silicaților la atacurile chimice este inversă ordinii lor de cristalizare în rocile magmatice : de fapt, mineralele care se hidrolizează mai ușor sunt cele din partea superioară a seriei de reacții Bowen , și anume olivină , piroxeni , amfiboli și plagioclasi de calciu , în timp ce cuarț , ultimul din cristal care se cristalizează este aproape inatacabil din punct de vedere chimic. [3]

Diagrama simplificată a reacțiilor privind modificarea chimică a principalelor minerale ale rocilor. Cuarțul nu apare deoarece este chimic inalterabil [3] .
REACTIVI PRODUSE
Minerale Alți reactivi Filosilicatele sau
minerale argiloase
Alte produse
Feldspat de potasiu H 2 O, H + Illite, sericită (moscovită) silice dizolvată, ioni K +
Feldspat de sodiu H 2 O, H + Montmorillonit sodic silice dizolvată, ioni Na +
Feldspat de calciu H 2 O, H + Montmorillonit de calciu silice dizolvată, ioni Ca ++
Piroxeni , amfiboli ,
biotit
H 2 O, H + Montmorillonit de sodiu-calciu silice dizolvată, ioni Ca ++ , Na + ,
Mg ++ + hidroxid feric (precipitat)
Olivine H 2 O, H + serpentină ( antigorit + crizotil ) Ioni Mg ++ , hidroxid feric (precipitat)

Oxidare

Oxigenul , conținut în aer sau dizolvat în apă, determină oxidarea în roci, în special a silicaților bogați în fier , aluminiu și mangan . Oxigenul se leagă de aceste metale formând oxizi (de exemplu hematit Fe 2 O 3 și pirolusit MnO 2 ) sau, împreună cu vapori de apă, amestecuri mai mult sau mai puțin complexe de oxizi și hidroxizi (de exemplu limonit și goetită pentru fier și bauxită pentru aluminiu). Produsele de oxidare se formează pe sol și pe rocile patinelor sau cruste de alterare cu culori puternice (roșu, galben, maro, negru). Oxigenul îndepărtează electronii din metale și excesul de sarcini pozitive care se creează este contrabalansat de expulzarea cationilor din rocă. Din acest motiv, oxidarea favorizează procesul de levigare (îndepărtarea substanțelor dizolvate de către apa care circulă în rocă) [3] .

Biologic

Chelarea [8] a unui ion cupric de către două molecule de glicină (un aminoacid) cu pierderea unei molecule de hidrogen

Unele plante și animale sunt capabile să genereze descompunerea chimică prin producerea de compuși acizi .
Cea mai cunoscută formă a acestui proces apare prin producerea de către plante a compușilor chelatori [8] și a altor molecule acidifiante capabile să separe chimic compușii care conțin aluminiu , fier și alte metale în solul subiacent, facilitând spălarea lor în timpul ploilor. Chiar și produsele descompunerii bacteriene pe rămășițele plantelor moarte pot duce la formarea acizilor organici care, dizolvându-se în apă, favorizează apoi procesul de dizolvare. [9] Producțiile ridicate de elemente chelatoare pot ataca cu ușurință rocile și solul și pot duce la o podsolizare a solurilor. [10]

Asocierea simbiotică a ciupercilor cu sistemul radicular al copacilor ( micoriza ) eliberează, de asemenea, substanțe nutritive anorganice extrase din minerale precum apatitul sau biotitul și le transferă plantelor, contribuind la nutriția lor. [11]

Comunitățile bacteriene influențează, de asemenea, stabilitatea mineralelor, ducând la eliberarea de substanțe nutritive anorganice. [12] Multe specii bacteriene din diferite genuri sunt capabile să colonizeze suprafețele minerale și pentru unele dintre ele a fost demonstrat un efect de promovare a creșterii plantelor. [13] Mecanismele presupuse a fi utilizate de aceste bacterii includ reacții redox și dizolvare, alături de producerea de agenți meteorizanți, cum ar fi acizi organici și anorganici și molecule de chelare.

Notă

  1. ^ Paradis, TR, Petra revizuit: O examinare a cercetărilor de degradare a gresiei în Petra, Iordania , în lucrarea specială 390: Stone Decay in the Architectural Environment , vol. 390, 2005, p. 39, DOI : 10.1130 / 0-8137-2390-6.39 , ISBN 0-8137-2390-6 .
  2. ^ Hall, K. Rolul oboselii prin stres termic în descompunerea rocii în regiunile reci , Geomorfologie , 1999.
  3. ^ a b c d e f g h i Daniele Fornasero - The blue planet (2004) - Il Capitello Publishing Group, pp. 509-510
  4. ^ AS Goudie, Viles H., 5: Weathering Processes and Forms , în Burt TP, Chorley RJ, Brunsden D., Cox NJ & Goudie AS (ed.), Cuaternary and Recent Processes and Forms , Landforms or the Development of Gemorphology, vol. 4, Geological Society, 2008, pp. 129-164, ISBN 1-86239-249-8 .
  5. ^ CB Zambell, JM Adams, ML Gorring și DW Schwartzman, Efectul colonizării lichenilor asupra degradării chimice a granitului hornblendă, estimat de fluxul elementar apos , în Chemical Geology , vol. 291, 2012, p. 166, DOI : 10.1016 / j.chemgeo.2011.10.009 .
  6. ^ Un exemplu poate fi văzut pe site-ul Le Foladi din Capo Flamborough
  7. ^ Hogan, C. Michael (2010) „Calciul” , în A. Jorgenson și C. Cleveland (eds.) Enciclopedia Pământului , Consiliul Național pentru Știință și Mediu, Washington DC
  8. ^ a b Chelații sunt compuși complecși, în care moleculele organice inelare sunt coordonate de un cation metalic în așa fel încât acesta din urmă să fie reținut (chimic este numit „sechestrat”) prin mai multe legături și astfel îndepărtat prin contactul direct cu apa din sol. Apa, care nu „vede” chimic cationul, nu este saturată cu acesta și, prin urmare, continuă să o extragă din mineralele rocilor, favorizând procesul de levigare.
  9. ^ F. Stuart Chapin III, Pamela A. Matson, Harold A. Mooney, Principiile ecologiei ecosistemelor terestre , [Nachdr.], New York, Springer, 2002, pp. 54-55, ISBN 978-0-387-95443-1 .
  10. ^ David Waugh,Geografie: o abordare integrată , 3rd, Gloucester, Marea Britanie, Nelson Thornes, 2000, p. 272 , ISBN 978-0-17-444706-1 .
  11. ^ Landeweert, R. Hoffland, E., Finlay, RD, Kuyper, TW, van Breemen, N., Legarea plantelor de roci: ciupercile ectomicorizice mobilizează substanțele nutritive din minerale , în Tendințe în ecologie și evoluție , vol. 16, n. 5, 2001, pp. 248-254, DOI : 10.1016 / S0169-5347 (01) 02122-X , PMID 11301154 .
  12. ^ Calvaruso, C., Turpault, MP., Frey-Klett, P.,Root-Associated Bacteria Contribute to Mineral Weathering and to Mineral Nutrition in Trees: A Budgeting Analysis , in Applied and Environment Microbiology , vol. 72, nr. 2, 2006, pp. 1258-66, DOI :10.1128 / AEM.72.2.1258-1266.2006 , PMC 1392890 , PMID 16461674 .
  13. ^ Uroz, S., Calvaruso, C., Turpault, MP, Frey-Klett, P., Mineral weathering by bacteria: ecology, actors and mecanismes , în Trends Microbiol. , vol. 17, n. 8, 2009, pp. 378-87, DOI : 10.1016 / j.tim.2009.05.004 , PMID 19660952 .

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității LCCN (EN) sh85145861 · GND (DE) 4063385-8 · NDL (EN, JA) 00.563.603
Mineralogie Portal Mineralogie : accesați intrările Wikipedia care se ocupă de mineralogie