Meteorizzazione: tipi e processi
Gli agenti atmosferici sono la decomposizione delle rocce per decadimento meccanico e decomposizione chimica. Molti si formano ad alte temperature e pressioni profonde nella crosta terrestre; Se esposti a temperature e pressioni più basse sulla superficie e incontrando aria, acqua e organismi, si decompongono e si fratturano.
Gli esseri viventi hanno anche un ruolo influente nell'erosione, poiché influenzano rocce e minerali attraverso vari processi biofisici e biochimici, molti dei quali non sono noti in dettaglio.
Fondamentalmente ci sono tre tipi principali attraverso i quali avviene l'invecchiamento; Questo può essere fisico, chimico o biologico. Ognuna di queste varianti ha caratteristiche specifiche che influenzano le rocce in modi diversi; anche, in alcuni casi ci può essere una combinazione di diversi fenomeni.
Agenti atmosferici fisici o meccanici
I processi meccanici riducono le rocce in frammenti progressivamente più piccoli, che a loro volta aumentano la superficie esposta all'attacco chimico. I principali processi di alterazione meccanica sono i seguenti:
- Il download.
- L'azione del gelo.
- Stress termico causato da riscaldamento e raffreddamento.
- L'espansione.
- Il restringimento dovuto alla bagnatura con successiva essiccazione.
- Le pressioni esercitate dalla crescita dei cristalli di sale.
Un fattore importante negli agenti atmosferici meccanici è la fatica o la generazione di sollecitazioni ripetute, che riduce la tolleranza al danno. Il risultato della fatica è che la roccia si frattura a un livello di stress inferiore rispetto a un campione non affaticato.
scarico
Quando l'erosione rimuove il materiale dalla superficie, la pressione di confinamento sulle rocce sottostanti diminuisce. La pressione più bassa consente ai grani minerali di separarsi di più e creare vuoti; la roccia si espande o si espande e può fratturarsi.
Ad esempio, nelle miniere di granito o in altre rocce dense, il rilascio di pressione dovuto a tagli per l'estrazione può essere violento e persino causare esplosioni.
Frattura per congelamento o gelifrazione
L'acqua che occupa i pori all'interno di una roccia si espande del 9% durante il congelamento. Questa espansione genera una pressione interna che può causare la disintegrazione fisica o la frattura della roccia.
La gelificazione è un processo importante in ambienti freddi, dove si verificano costantemente cicli di congelamento e scongelamento.
Cicli di riscaldamento-raffreddamento (termoclast)
Le rocce hanno una bassa conduttività termica, il che significa che non sono in grado di allontanare il calore dalle loro superfici. Quando le rocce sono riscaldate, la superficie esterna aumenta la sua temperatura molto più della parte interna della roccia. Per questo motivo, la parte esterna subisce più dilatazione rispetto alla parte interna.
Inoltre, le rocce composte da diversi cristalli presentano un riscaldamento differenziale: i cristalli di colore più scuro scaldano più rapidamente e si raffreddano più lentamente rispetto ai cristalli più chiari.
fatica
Questi stress termici possono causare la disintegrazione della roccia e la formazione di enormi squame, conchiglie e fogli. Il riscaldamento e il raffreddamento ripetuti producono un effetto chiamato affaticamento che promuove l'invecchiamento termico, chiamato anche termoclastia.
In generale, la fatica può essere definita come l'effetto di diversi processi che riducono la tolleranza di un materiale da danneggiare.
Scale di roccia
L'esfoliazione o produzione di lastre per stress termico include anche la generazione di scaglie di roccia. Allo stesso modo, il calore intenso generato dagli incendi boschivi e dalle esplosioni nucleari può causare la rottura e la rottura della roccia.
Ad esempio, in India e in Egitto il fuoco è stato utilizzato per molti anni come strumento di estrazione nelle cave. Tuttavia, le fluttuazioni giornaliere della temperatura, rilevate anche nei deserti, sono ben al di sotto degli estremi raggiunti dagli incendi locali.
Umidificazione e asciugatura
I materiali contenenti argilla, come la pietra fangosa e lo scisto, si espandono considerevolmente durante la bagnatura, che può indurre la formazione di microfratture o microfratture ( microcracks in inglese) o l'allargamento delle crepe esistenti.
Oltre all'effetto della fatica, i cicli di espansione e restringimento - associati alla bagnatura e all'asciugatura - portano all'erosione della roccia.
Meteorizzazione per crescita di cristalli di sale o haloclastia
Nelle regioni costiere e aride i cristalli di sale possono crescere in soluzioni saline concentrate mediante evaporazione dell'acqua.
La cristallizzazione del sale negli interstizi o nei pori delle rocce produce tensioni che li allargano, e questo porta alla disintegrazione granulare della roccia. Questo processo è noto come alterazione salina o haloclastia.
Quando i cristalli di sale formati all'interno dei pori della roccia vengono riscaldati o saturati con acqua, si espandono ed esercitano pressione contro le pareti dei pori vicini; questo produce stress termico o lo stress di idratazione (rispettivamente), che contribuiscono a resistere agli agenti atmosferici.
Meteorizzazione chimica
Questo tipo di invecchiamento comporta una grande varietà di reazioni chimiche, che agiscono insieme su molti diversi tipi di roccia su tutte le condizioni meteorologiche.
Questa grande varietà può essere raggruppata in sei tipi di reazioni chimiche principali (tutte coinvolte nella decomposizione della roccia), vale a dire:
- Lo scioglimento.
- Idratazione
- Ossidazione e riduzione.
- Carbonatazione.
- Idrolisi.
dissoluzione
I sali minerali possono essere sciolti in acqua. Questo processo comporta la dissociazione delle molecole nei loro anioni e cationi e l'idratazione di ogni ione; cioè, gli ioni sono circondati da molecole d'acqua.
Generalmente la dissoluzione è considerata un processo chimico, sebbene non comporti trasformazioni chimiche appropriate. Poiché la dissoluzione si verifica come un primo passo per altri processi chimici di alterazione causata dagli agenti atmosferici, è inclusa in questa categoria.
La soluzione si inverte facilmente: quando la soluzione è sovrasaturazione, parte del materiale disciolto precipita come un solido. Una soluzione satura non ha la capacità di dissolversi più solida.
I minerali variano nella loro solubilità e tra i più solubili in acqua ci sono i cloruri dei metalli alcalini, come il salgemma o l'alite (NaCl) e il sale di potassio (KCl). Questi minerali si trovano solo in climi molto aridi.
Anche il gesso (CaSO 4 .2H 2 O) è abbastanza solubile, mentre il quarzo ha una solubilità molto bassa.
La solubilità di molti minerali dipende dalla concentrazione di ioni di idrogeno liberi (H +) nell'acqua. Gli ioni H + sono misurati come il valore del pH, che indica il grado di acidità o alcalinità di una soluzione acquosa.
idratazione
L'idratazione è un processo che si verifica quando i minerali assorbono le molecole d'acqua sulla loro superficie o la assorbono, comprese quelle all'interno dei loro reticoli cristallini. Quest'acqua aggiuntiva genera un aumento di volume che può causare la frattura della roccia.
Nei climi umidi di medie latitudini i colori del suolo presentano / mostrano variazioni note: si può osservare dal colore brunastro fino a quello giallastro. Queste colorazioni sono causate dall'idratazione dell'ematite di ossido di ferro rosso, che passa alla goethite colorata di ossido (ossidrossido di ferro).
L'assorbimento di acqua da parte delle particelle di argilla è anche una forma di idratazione che porta alla sua espansione. Poi, mentre l'argilla si asciuga, la corteccia si spezza.
Ossidazione e riduzione
L'ossidazione si verifica quando un atomo o ione perde elettroni, aumentando la loro carica positiva o diminuendo la loro carica negativa.
Una delle reazioni di ossidazione esistenti comporta la combinazione di ossigeno con una sostanza. L'ossigeno disciolto nell'acqua è un comune agente ossidante nell'ambiente.
L'usura per ossidazione colpisce principalmente i minerali che contengono ferro, anche se elementi come manganese, zolfo e titanio possono anche essere ossidati.
La reazione al ferro - che si verifica quando l'ossigeno disciolto nell'acqua entra in contatto con minerali contenenti ferro - è la seguente:
4Fe2 + + 3O 2 → 2Fe 2 O 3 + 2e-
In questa espressione e- rappresenta gli elettroni.
Il ferro ferroso (Fe2 +) trovato nella maggior parte dei minerali che formano roccia può essere convertito nella sua forma ferrica (Fe3 +) alterando la carica neutra del reticolo cristallino. Questo cambiamento a volte provoca il suo collasso e rende il minerale più soggetto ad attacchi chimici.
carbonatazione
La carbonazione è la formazione di carbonati, che sono i sali dell'acido carbonico (H 2 CO 3 ). L'anidride carbonica si dissolve in acque naturali per formare l'acido carbonico:
CO 2 + H 2 O → H 2 CO 3
Successivamente, l'acido carbonico si dissocia in uno ione idrogeno idratato (H 3 O +) e uno ione bicarbonato, seguendo la seguente reazione:
H 2 CO 3 + H 2 O → HCO 3 - + H 3 O +
L'acido carbonico attacca i minerali che formano i carbonati. La carbonatazione domina gli agenti atmosferici delle rocce calcaree (che sono calcari e dolomiti); in questi il minerale principale è calcite o carbonato di calcio (CaCO 3 ).
La calcite reagisce con l'acido carbonico per formare carbonato acido di calcio, Ca (HCO 3 ) 2 che, a differenza della calcite, si dissolve facilmente in acqua. Questo è il motivo per cui alcuni calcari sono così inclini alla dissoluzione.
Le reazioni reversibili tra l'anidride carbonica, l'acqua e il carbonato di calcio sono complesse. In sostanza, il processo può essere riassunto come segue:
CaCO 3 + H 2 O + CO 2 ⇔ Ca 2 + + 2HCO 3 -
idrolisi
In generale, l'idrolisi - la rottura chimica con l'azione dell'acqua - è il principale processo di alterazione chimica degli agenti atmosferici. L'acqua può decomporsi, dissolvere o modificare i minerali primari sensibili alle rocce.
In questo processo l'acqua dissociata nei cationi di idrogeno (H +) e gli anioni di idrossile (OH-) reagisce direttamente con i minerali di silicato nelle rocce e nei terreni.
Lo ione idrogeno viene scambiato con un catione metallico dei minerali di silicato, comunemente potassio (K +), sodio (Na +), calcio (Ca2 +) o magnesio (Mg2 +). Quindi, il catione rilasciato viene combinato con l'anione idrossile.
Ad esempio, la reazione per l'idrolisi del minerale chiamato ortoclasio, che ha la formula chimica KAlSi 3 O 8, è la seguente:
2KAlSi 3 O 8 + 2H + + 2OH- → 2HAlSi 3 O 8 + 2KOH
Quindi l'ortoclasio viene convertito in acido alluminosilicico, HAlSi 3 O 8 e idrossido di potassio (KOH).
Questo tipo di reazioni gioca un ruolo fondamentale nella formazione di alcuni rilievi caratteristici; per esempio, sono coinvolti nella formazione del sollievo carsico.
Meteorizzazione biologica
Alcuni organismi viventi attaccano le rocce meccanicamente, chimicamente o mediante una combinazione di processi meccanici e chimici.
piante
Le radici delle piante - specialmente quelle degli alberi che crescono su letti rocciosi piatti - possono esercitare un effetto biomeccanico.
Questo effetto biomeccanico si verifica quando la radice cresce, perché aumenta la pressione esercitata da esso nell'ambiente circostante. Questo può portare alla frattura delle rocce del letto di radici.
licheni
I licheni sono organismi costituiti da due simbionti: un fungo (mycobiont) e un'alga che è solitamente cianobatteri (ficobionte). Questi organismi sono stati segnalati come colonizzatori che aumentano l'invecchiamento delle rocce.
Ad esempio, è stato scoperto che Stereocaulon vesuvianum è installato su flussi di lava, riuscendo a incrementare fino a 16 volte il suo tasso di esposizione agli agenti atmosferici rispetto alle superfici non ricolonizzate. Queste tariffe possono raddoppiare in luoghi umidi, come nelle Hawaii.
È stato anche notato che, quando i licheni muoiono, lasciano una macchia scura sulle superfici della roccia. Queste macchie assorbono più radiazioni delle aree limitrofe circostanti della roccia, promuovendo in tal modo termoindurimento o termocoppie.
Organismi marini
Alcuni organismi marini raschiano la superficie delle rocce e le perforano, favorendo la crescita delle alghe. Questi organismi perforanti comprendono molluschi e spugne.
Esempi di questo tipo di organismi sono la cozza blu ( Mytilus edulis ) e il gasteropodo erbivoro Cittarium pica .
chelazione
La chelazione è un altro meccanismo di invecchiamento che comporta la rimozione di ioni metallici e, in particolare, di ioni di alluminio, ferro e manganese dalle rocce.
Ciò è ottenuto attraverso l'unione e il sequestro di acidi organici (come l'acido fulvico e l'acido umico), per formare complessi solubili di materia organica-metallica.
In questo caso, gli agenti chelanti provengono dai prodotti di decomposizione delle piante e dalle secrezioni delle radici. La chelazione promuove l'esposizione agli agenti chimici e il trasferimento di metalli nel terreno o nella roccia.
