Wietrzenie - Weathering

Skalny wytwarzane przez erozję różnie zwietrzały skałę Jebel Kharaz ( Jordan ).

Wietrzenie to rozkład skał , gleby i minerałów, a także drewna i materiałów sztucznych poprzez kontakt z wodą, gazami atmosferycznymi i organizmami biologicznymi. Wietrzenie występuje in situ (na miejscu, przy niewielkim ruchu lub bez ruchu) i nie należy go mylić z erozją , która obejmuje transport skał i minerałów przez czynniki takie jak woda , lód , śnieg , wiatr , fale i grawitacja .

Procesy wietrzenia dzielimy na wietrzenie fizyczne i chemiczne . Fizyczne wietrzenie obejmuje rozkład skał i gleby na skutek mechanicznego oddziaływania ciepła, wody, lodu lub innych czynników. Chemiczne wietrzenie obejmuje reakcję chemiczną wody, gazów atmosferycznych i biologicznie wytworzonych chemikaliów ze skałami i glebą. Woda jest głównym czynnikiem odpowiedzialnym zarówno za fizyczne, jak i chemiczne wietrzenie, chociaż ważny jest również tlen atmosferyczny i dwutlenek węgla oraz aktywność organizmów biologicznych. Wietrzenie chemiczne w wyniku działania biologicznego jest również znane jako wietrzenie biologiczne.

Materiały pozostałe po rozpadzie skały łączą się z materiałem organicznym, tworząc glebę . Wiele form terenu i krajobrazów Ziemi jest wynikiem procesów wietrzenia połączonych z erozją i ponownym osadzaniem. Wietrzenie jest kluczową częścią cyklu skalnego , a skały osadowe , utworzone z produktów wietrzenia starszych skał, pokrywają 66% kontynentów Ziemi i znaczną część jej dna oceanicznego .

Fizyczne wietrzenie

Wietrzenie fizyczne , zwane też wietrzeniem mechanicznym lub dezagregacją , to klasa procesów, które powodują dezintegrację skał bez zmian chemicznych. Jest to zwykle znacznie mniej ważne niż wietrzenie chemiczne, ale może mieć znaczenie w środowiskach subarktycznych lub alpejskich. Ponadto wietrzenie chemiczne i fizyczne często idą w parze. Na przykład pęknięcia powiększone przez fizyczne wietrzenie zwiększą powierzchnię narażoną na działanie chemiczne, zwiększając w ten sposób tempo rozpadu.

Najważniejszą formą fizycznego wietrzenia jest wietrzenie mrozowe. Kolejne znaczenie ma klinowanie przez korzenie roślin, które czasami wnikają w szczeliny w skałach i rozrywają je. Zakopywanie się robaków lub innych zwierząt może również pomóc w dezintegracji skały, podobnie jak „skubanie” przez porosty.

wietrzenie mrozowe

Skała w Abisko w Szwecji pękła wzdłuż istniejących połączeń, prawdopodobnie w wyniku mrozu lub naprężeń termicznych.

Wietrzenie przymrozkowe to zbiorcza nazwa tych form wietrzenia fizycznego, które są spowodowane tworzeniem się lodu w wychodniach skalnych. Od dawna uważano, że najważniejszym z nich jest zaklinowanie się mrozu , które wynika z rozszerzania się wody porowej podczas jej zamarzania. Jednak coraz więcej prac teoretycznych i eksperymentalnych sugeruje, że ważniejszym mechanizmem jest segregacja lodu , w której przechłodzona woda migruje do soczewek lodu tworzącego się w skale.

Gdy woda zamarza, jej objętość wzrasta o 9,2%. Ta ekspansja może teoretycznie generować ciśnienie większe niż 200 megapaskali (29 000 psi), chociaż bardziej realistyczna górna granica to 14 megapaskali (2 000 psi). To wciąż znacznie więcej niż wytrzymałość granitu na rozciąganie, która wynosi około 4 megapaskali (580 psi). To sprawia, że ​​klinowanie mrozowe, w którym woda porowa zamarza, a jej rozszerzanie objętościowe powoduje pękanie otaczającej ją skały, wydaje się być prawdopodobnym mechanizmem wietrzenia przez mróz. Jednak lód po prostu rozszerzy się z prostego, otwartego pęknięcia, zanim będzie mógł wytworzyć znaczne ciśnienie. Tak więc klinowanie mrozowe może mieć miejsce tylko w małych, krętych pęknięciach. Skała musi być również prawie całkowicie nasycona wodą, w przeciwnym razie lód po prostu rozszerzy się w przestrzenie powietrzne w nienasyconej skale, nie wytwarzając dużego ciśnienia. Warunki te są na tyle niezwykłe, że klinowanie się pod wpływem mrozu prawdopodobnie nie będzie dominującym procesem starzenia się pod wpływem mrozu. Klinowanie mrozowe jest najbardziej skuteczne tam, gdzie występują codzienne cykle topnienia i zamrażania skał nasyconych wodą, więc jest mało prawdopodobne, aby miało znaczenie w tropikach, w regionach polarnych lub w suchym klimacie.

Segregacja lodu jest mniej dobrze scharakteryzowanym mechanizmem fizycznego wietrzenia. Dzieje się tak, ponieważ ziarna lodu zawsze mają warstwę powierzchniową, często o grubości zaledwie kilku molekuł, która bardziej przypomina wodę w stanie ciekłym niż lód, nawet w temperaturach znacznie poniżej punktu zamarzania. Ta wstępnie stopiona warstwa cieczy ma niezwykłe właściwości, w tym silną tendencję do wciągania wody przez działanie kapilarne z cieplejszych części skały. Powoduje to wzrost ziarna lodu, które wywiera znaczny nacisk na otaczającą skałę, nawet dziesięciokrotnie większy niż prawdopodobnie w przypadku klinowania się mrozu. Mechanizm ten jest najbardziej skuteczny w skale, której średnia temperatura jest tuż poniżej punktu zamarzania, -4 do -15 ° C (25 do 5 ° F). Segregacja lodu powoduje wzrost igieł lodowych i soczewek lodowych w szczelinach w skale i równolegle do powierzchni skały, które stopniowo rozrywają skałę.

Naprężenia termiczne

Wietrzenie pod wpływem naprężeń termicznych wynika z rozszerzania się i kurczenia skał na skutek zmian temperatury. Wietrzenie spowodowane stresem termicznym jest najskuteczniejsze, gdy nagrzana część skały jest podparta otaczającą skałą, dzięki czemu może swobodnie rozszerzać się tylko w jednym kierunku.

Zwietrzenie naprężenia termicznego obejmuje dwa główne typy: szok termiczny i zmęczenie cieplne . Szok termiczny ma miejsce, gdy naprężenia są tak duże, że skała natychmiast pęka, ale jest to rzadkie. Bardziej typowe jest zmęczenie cieplne, w którym naprężenia nie są wystarczająco duże, aby spowodować natychmiastową awarię skały, ale powtarzające się cykle naprężeń i uwalniania stopniowo osłabiają skałę.

Stres termiczny jest ważnym mechanizmem na pustyniach , gdzie dobowy zakres temperatur jest duży , gorący w dzień i zimny w nocy. W rezultacie wietrzenie naprężenia termicznego jest czasami nazywane wietrzeniem nasłonecznionym , ale jest to mylące. Stres termiczny może być spowodowany każdą dużą zmianą temperatury, a nie tylko intensywnym ogrzewaniem słonecznym. Jest to prawdopodobnie tak samo ważne w zimnym klimacie, jak w gorącym, suchym klimacie. Pożary mogą być również istotną przyczyną szybkiego wietrzenia spowodowanego stresem termicznym.

Znaczenie wietrzenia spowodowanego stresem termicznym od dawna jest pomijane przez geologów, opierając się na eksperymentach z początku XX wieku, które zdawały się wskazywać, że jego skutki są nieistotne. Eksperymenty te zostały od tego czasu skrytykowane jako nierealistyczne, ponieważ próbki skał były małe, wypolerowane (co zmniejsza zarodkowanie pęknięć) i nie były podparte. Te małe próbki mogły zatem swobodnie rozszerzać się we wszystkich kierunkach po podgrzaniu w piecach eksperymentalnych, które nie wytwarzały naprężeń prawdopodobnych w warunkach naturalnych. Eksperymenty były również bardziej wrażliwe na szok termiczny niż zmęczenie cieplne, ale zmęczenie cieplne jest prawdopodobnie ważniejszym mechanizmem w przyrodzie. Geomorfolodzy zaczęli ponownie podkreślać znaczenie wietrzenia spowodowanego stresem termicznym, szczególnie w zimnym klimacie.

Zwolnienie ciśnienia

Uwolnienie ciśnienia mogło spowodować, że złuszczone płyty granitowe pokazane na zdjęciu.

Uwolnienie lub rozładowanie ciśnienia jest formą fizycznego wietrzenia obserwowanego podczas ekshumacji głęboko zakopanych skał . Intruzyjne skały magmowe, takie jak granit , powstają głęboko pod powierzchnią Ziemi. Znajdują się pod ogromną presją z powodu pokrywającego się materiału skalnego. Kiedy erozja usunie przykrywający materiał skalny, te natrętne skały zostają odsłonięte, a nacisk na nie zostaje uwolniony. Zewnętrzne części skał mają wtedy tendencję do rozszerzania się. Ekspansja wywołuje naprężenia, które powodują powstawanie pęknięć równoległych do powierzchni skały. Z biegiem czasu arkusze skał odrywają się od odsłoniętych skał wzdłuż pęknięć w procesie znanym jako eksfoliacja . Złuszczanie na skutek uwolnienia nacisku jest również znane jako „foliowanie”.

Podobnie jak w przypadku wietrzenia termicznego, uwalnianie ciśnienia jest najskuteczniejsze w skałach przyporowych. Tutaj naprężenie różnicowe skierowane na niepodpartą powierzchnię może sięgać nawet 35 megapaskali (5100 psi), wystarczająco łatwo, aby rozbić skałę. Mechanizm ten jest również odpowiedzialny za odpryski w kopalniach i kamieniołomach oraz za powstawanie połączeń w wychodniach skalnych.

Cofanie się położonego wyżej lodowca może również prowadzić do złuszczania naskórka z powodu obniżenia ciśnienia. Można to wzmocnić innymi fizycznymi mechanizmami noszenia.

Wzrost kryształów soli

Krystalizacja soli (znane również jako atmosferycznych soli , soli zaklinowanie lub haloclasty ) powoduje rozpadu skał, gdy roztwór soli rozwiązania przedostaje się pęknięć i szczelin w skałach i odparowuje, pozostawiając sól kryształy tyłu. Podobnie jak w przypadku segregacji lodu, powierzchnie ziaren soli wciągają dodatkowe rozpuszczone sole poprzez działanie kapilarne, powodując wzrost soczewek soli, które wywierają duży nacisk na otaczającą skałę. Sole sodu i magnezu są najbardziej skuteczne w wietrzeniu soli. Wietrzenie soli może również mieć miejsce, gdy piryt w skale osadowej jest chemicznie wietrzony do siarczanu żelaza(II) i gipsu , które następnie krystalizują jako soczewki solne.

Krystalizacja soli może mieć miejsce wszędzie tam, gdzie sole są zagęszczane przez odparowanie. Jest to zatem najbardziej powszechne w suchym klimacie, gdzie silne ogrzewanie powoduje silne parowanie i wzdłuż wybrzeży. Wietrzenie soli jest prawdopodobnie ważne w tworzeniu tafoni , klasy jamistych struktur wietrzenia skał.

Biologiczny wpływ na wietrzenie mechaniczne

Żywe organizmy mogą przyczyniać się do wietrzenia mechanicznego, a także chemicznego (patrz § Biologiczne wietrzenie poniżej). Porosty i mchy rosną na zasadniczo nagich powierzchniach skalnych i tworzą bardziej wilgotne mikrośrodowisko chemiczne. Przyczepienie się tych organizmów do powierzchni skały sprzyja fizycznemu i chemicznemu rozkładowi mikrowarstwy powierzchniowej skały. Zaobserwowano, że porosty podważają ziarna minerałów luźne z nagich łupków za pomocą ich strzępek (struktur przyłączeniowych przypominających korzenie), w procesie opisanym jako wyrywanie i wciągają fragmenty do swojego ciała, gdzie następnie fragmenty przechodzą proces chemicznego wietrzenia, podobnie jak trawienie. Na większą skalę sadzonki kiełkujące w szczelinie i korzeniach roślin wywierają nacisk fizyczny, a także zapewniają drogę do infiltracji wody i chemikaliów.

wietrzenie chemiczne

Porównanie niewietrzonego (po lewej) i zwietrzałego (po prawej) wapienia.

Większość form skalnych występuje w podwyższonej temperaturze i ciśnieniu, a minerały tworzące skałę są często chemicznie niestabilne w stosunkowo chłodnych, wilgotnych i utleniających warunkach typowych dla powierzchni Ziemi. Chemiczne wietrzenie ma miejsce, gdy woda, tlen, dwutlenek węgla i inne substancje chemiczne reagują ze skałą, zmieniając jej skład. Reakcje te przekształcają niektóre pierwotne minerały pierwotne w skale w minerały wtórne , usuwają inne substancje jako substancje rozpuszczone i pozostawiają najbardziej stabilne minerały jako chemicznie niezmieniony opornik . W efekcie wietrzenie chemiczne zmienia pierwotny zestaw minerałów w skale w nowy zestaw minerałów, który jest w bliższej równowadze z warunkami powierzchniowymi. Jednak prawdziwa równowaga jest rzadko osiągana, ponieważ wietrzenie jest procesem powolnym, a ługowanie zabiera substancje rozpuszczone powstałe w wyniku reakcji wietrzenia, zanim zdołają akumulować się do poziomów równowagi. Dotyczy to szczególnie środowisk tropikalnych.

Woda jest głównym czynnikiem wietrzenia chemicznego, przekształcającym wiele pierwotnych minerałów w minerały ilaste lub uwodnione tlenki w reakcjach określanych zbiorczo jako hydroliza . Ważny jest również tlen, który utlenia wiele minerałów, podobnie jak dwutlenek węgla, którego reakcje wietrzenia określa się jako karbonatyzację .

Proces wypiętrzania się bloków górskich jest ważny w wystawianiu nowych warstw skalnych na działanie atmosfery i wilgoci, umożliwiając wystąpienie ważnych czynników wietrzenia chemicznego; następuje znaczące uwolnienie Ca 2+ i innych jonów do wód powierzchniowych.

Rozpuszczenie

Próbki rdzenia wapiennego na różnych etapach wietrzenia chemicznego (ze względu na deszcze tropikalne i wody gruntowe ), od bardzo wysokich na płytkich głębokościach (na dole) do bardzo niskich na większych głębokościach (na górze). Lekko zwietrzały wapień wykazuje brązowawe plamy, podczas gdy silnie zwietrzały wapień traci większość zawartości minerałów węglanowych, pozostawiając glinę. Podziemny wapień z węglanu depozytu Zachód Congolian w Kimpese , Demokratycznej Republice Konga .

Rozpuszczanie (zwane także prostym rozwiązaniem lub kongruentnym rozpuszczaniem ) to proces, w którym minerał rozpuszcza się całkowicie bez wytwarzania nowej substancji stałej. Deszczówka z łatwością rozpuszcza rozpuszczalne minerały, takie jak halit czy gips , ale może również rozpuszczać wysoce odporne minerały, takie jak kwarc , po odpowiednim czasie. Woda zrywa wiązania między atomami w krysztale:

Hydroliza minerału krzemionkowego

Ogólna reakcja na rozpuszczenie kwarcu wynosi

SiO
2
+ 2 godz
2
O → H
4
SiO
4

Rozpuszczony kwarc przyjmuje postać kwasu krzemowego .

Szczególnie ważną formą rozpuszczania jest rozpuszczanie węglanu, w którym atmosferyczny dwutlenek węgla wzmaga wietrzenie roztworu. Rozpuszczanie węglanów wpływa na skały zawierające węglan wapnia , takie jak wapień i kreda . Ma to miejsce, gdy woda deszczowa łączy się z dwutlenkiem węgla, tworząc kwas węglowy , słaby kwas , który rozpuszcza węglan wapnia (wapień) i tworzy rozpuszczalny wodorowęglan wapnia . Pomimo wolniejszej kinetyki reakcji , proces ten jest termodynamicznie faworyzowany w niskiej temperaturze, ponieważ zimniejsza woda zawiera więcej rozpuszczonego gazowego dwutlenku węgla (ze względu na wsteczną rozpuszczalność gazów). Rozpuszczanie węglanów jest zatem ważną cechą wietrzenia lodowcowego.

Rozpuszczanie węglanu obejmuje następujące kroki:

CO 2 + H 2 O → H 2 CO 3
dwutlenek węgla + woda → kwas węglowy
H 2 CO 3 + CaCO 3 → Ca(HCO 3 ) 2
kwas węglowy + węglan wapnia → wodorowęglan wapnia

Rozpuszczanie węglanów na powierzchni dobrze połączonego wapienia daje rozciętą nawierzchnię z wapienia . Proces ten przebiega najskuteczniej wzdłuż stawów, poszerzając je i pogłębiając.

W niezanieczyszczonych środowiskach pH wody deszczowej z powodu rozpuszczonego dwutlenku węgla wynosi około 5,6. Kwaśne deszcze występują, gdy w atmosferze znajdują się gazy, takie jak dwutlenek siarki i tlenki azotu. Te tlenki reagują w wodzie deszczowej, wytwarzając silniejsze kwasy i mogą obniżyć pH do 4,5 lub nawet 3,0. Dwutlenek siarki , SO 2 , pochodzi z erupcji wulkanicznych lub z paliw kopalnych, może stać się kwasem siarkowym w wodzie deszczowej, co może powodować wietrzenie roztworu skał, na które spada.

Hydroliza i karbonatyzacja

Hydroliza (zwana także rozpuszczaniem niekongruentnym ) jest formą chemicznego wietrzenia, w której tylko część minerału jest wprowadzana do roztworu. Reszta minerału jest przekształcana w nowy materiał stały, taki jak minerał ilasty . Na przykład forsteryt ( oliwin magnezowy ) jest hydrolizowany do stałego brucytu i rozpuszczonego kwasu krzemowego:

Mg 2 SiO 4 + 4 H 2 O ⇌ 2 Mg(OH) 2 + H 4 SiO 4
forsteryt + woda ⇌ brucyt + kwas krzemowy

Większość hydrolizy podczas wietrzenia minerałów to hydroliza kwaśna , w której protony (jony wodorowe) obecne w kwaśnej wodzie atakują wiązania chemiczne w kryształach minerałów. Wiązania między różnymi kationami i jonami tlenu w minerałach różnią się siłą i najsłabsze zostaną zaatakowane jako pierwsze. W rezultacie minerały w skałach magmowych mają mniej więcej tę samą kolejność, w jakiej zostały pierwotnie utworzone ( seria reakcji Bowena ). Względną siłę wiązania przedstawiono w poniższej tabeli:

Obligacja Siła względna
Si–O 2,4
Ti–O 1,8
Al–O 1,65
Fe +3 –O 1,4
Mg–O 0,9
Fe +2 –O 0,85
Mn–O 0,8
Ca–O 0,7
Na–O 0,35
K–O 0,25

Ta tabela jest jedynie przybliżoną wskazówką kolejności wietrzenia. Niektóre minerały, takie jak illit , są niezwykle stabilne, podczas gdy krzemionka jest niezwykle niestabilna, biorąc pod uwagę siłę wiązania krzem-tlen.

Dwutlenek węgla, który rozpuszcza się w wodzie, tworząc kwas węglowy, jest najważniejszym źródłem protonów, ale kwasy organiczne są również ważnymi naturalnymi źródłami kwasowości. Hydroliza kwasowa z rozpuszczonego dwutlenku węgla jest czasami określana jako karbonatyzacja i może powodować wietrzenie pierwotnych minerałów w wtórne minerały węglanowe. Na przykład wietrzenie forsterytu może wytwarzać magnezyt zamiast brucytu w wyniku reakcji:

Mg 2 SiO 4 + 2 CO 2 + 2 H 2 O ⇌ 2 MgCO 3 + H 4 SiO 4
forsteryt + dwutlenek węgla + woda ⇌ magnezyt + kwas krzemowy w roztworze

Kwas węglowy jest zużywany przez wietrzenie krzemianów , co skutkuje bardziej alkalicznymi roztworami ze względu na wodorowęglany . Jest to ważna reakcja w kontrolowaniu ilości CO 2 w atmosferze i może wpływać na klimat.

Glinokrzemiany zawierające wysoce rozpuszczalne kationy, takie jak jony sodu lub potasu, uwalniają kationy jako rozpuszczone wodorowęglany podczas hydrolizy kwasowej:

2 KAlSi 3 O 8 + 2 H 2 CO 3 + 9 H 2 O ⇌ Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 + 4 H 4 SiO 4 + 2 K + + 2 HCO 3
ortoklaz ( kaleń glinokrzemianowy) + kwas węglowy + woda ⇌ kaolinit (minerał ilasty) + kwas krzemowy w roztworze + jony potasu i wodorowęglanu w roztworze

Utlenianie

Piryt kostki rozpuści się od skały macierzystej, pozostawiając złote cząstki tyłu.
Utlenione kostki pirytu .

W środowisku wietrzenia zachodzi chemiczne utlenianie różnych metali. Najczęściej obserwuje się utlenianie Fe 2+ ( żelazo ) tlenem i wodą z wytworzeniem tlenków i wodorotlenków Fe 3+ , takich jak getyt , limonit i hematyt . Nadaje to zaatakowanym skałom czerwonawo-brązowy kolor na powierzchni, który łatwo się kruszy i osłabia skałę. Wiele innych rud metali i minerałów utlenia się i uwadnia, tworząc kolorowe osady, podobnie jak siarka podczas wietrzenia minerałów siarczkowych, takich jak chalkopiryty lub CuFeS 2 utleniające się do wodorotlenku miedzi i tlenków żelaza .

Uwodnienie

Uwodnienie minerałów to forma wietrzenia chemicznego, która polega na sztywnym przyłączeniu cząsteczek wody lub jonów H+ i OH- do atomów i cząsteczek minerału. Nie następuje żadne znaczące rozwiązanie. Na przykład tlenki żelaza są przekształcane w wodorotlenki żelaza, a uwodnienie anhydrytu tworzy gips .

Masowe uwodnienie minerałów ma drugorzędne znaczenie dla rozpuszczania, hydrolizy i utleniania, ale uwodnienie powierzchni kryształów jest kluczowym pierwszym etapem hydrolizy. Świeża powierzchnia kryształu mineralnego odsłania jony, których ładunek elektryczny przyciąga cząsteczki wody. Niektóre z tych cząsteczek rozpadają się na H+, który wiąże się z odsłoniętymi anionami (zwykle tlen) i OH-, który łączy się z odsłoniętymi kationami. To dodatkowo niszczy powierzchnię, czyniąc ją podatną na różne reakcje hydrolizy. Dodatkowe protony zastępują kationy odsłonięte na powierzchni, uwalniając kationy jako substancje rozpuszczone. W miarę usuwania kationów wiązania krzem-tlen i krzem-aluminium stają się bardziej podatne na hydrolizę, uwalniając kwas krzemowy i wodorotlenki glinu, które są wymywane lub tworzą minerały ilaste. Doświadczenia laboratoryjne pokazują, że wietrzenie kryształów skalenia zaczyna się od dyslokacji lub innych defektów na powierzchni kryształu, a warstwa wietrzenia ma tylko kilka atomów grubości. Dyfuzja w ziarnie mineralnym nie wydaje się być znacząca.

Świeżo rozbita skała wykazuje zróżnicowane wietrzenie chemiczne (prawdopodobnie głównie utlenianie) postępujące do wewnątrz. Ten kawałek piaskowca został znaleziony w dryfie lodowcowym w pobliżu Angelica w stanie Nowy Jork .

Biologiczne wietrzenie

Wietrzenie mineralne może być również inicjowane lub przyspieszane przez mikroorganizmy glebowe. Organizmów glebowych tworzą około 10 mg / cm 3 typowych gleb i eksperymenty laboratoryjne wykazały, że albit i muskowitu pogody dwa razy szybciej w porównaniu z żywymi sterylnej glebie. Porosty na skałach należą do najskuteczniejszych biologicznych czynników wietrzenia chemicznego. Na przykład eksperymentalne badanie granitu hornblende w New Jersey w USA wykazało 3–4 krotny wzrost tempa wietrzenia pod powierzchniami pokrytymi porostami w porównaniu do niedawno odsłoniętych odsłoniętych powierzchni skalnych.

Biologiczne wietrzenie bazaltu przez porosty , La Palma .

Najczęstsze formy wietrzenia biologicznego wynikają z uwalniania przez rośliny związków chelatujących (takich jak niektóre kwasy organiczne i siderofory ) oraz dwutlenku węgla i kwasów organicznych. Korzenie mogą zwiększać poziom dwutlenku węgla do 30% wszystkich gazów glebowych, wspomagany przez adsorpcję CO
2
na minerałach ilastych i bardzo powolnym tempie dyfuzji CO
2
z ziemi. CO
2
a kwasy organiczne pomagają rozkładać związki zawierające glin i żelazo w glebach pod nimi. Korzenie mają ujemny ładunek elektryczny równoważony przez protony w glebie obok korzeni, które można wymienić na niezbędne kationy odżywcze, takie jak potas. Gnijące resztki obumarłych roślin w glebie mogą tworzyć kwasy organiczne, które po rozpuszczeniu w wodzie powodują chemiczne wietrzenie. Związki chelatujące, głównie kwasy organiczne o małej masie cząsteczkowej, są zdolne do usuwania jonów metali z nagich powierzchni skalnych, przy czym szczególnie podatne są glin i krzem. Zdolność do rozbijania nagiej skały sprawia, że ​​porosty są jednymi z pierwszych kolonizatorów suchego lądu. Akumulacja związków chelatujących może łatwo wpływać na otaczające skały i gleby oraz prowadzić do bielicowania gleb.

Symbiotyczne grzyby mikoryzowe związane z systemami korzeniowymi drzew mogą uwalniać nieorganiczne składniki odżywcze z minerałów, takich jak apatyt lub biotyt, i przenosić je do drzew, przyczyniając się w ten sposób do odżywiania drzew. Niedawno udowodniono również, że zbiorowiska bakterii mogą wpływać na stabilność minerałów, prowadząc do uwalniania nieorganicznych składników odżywczych. Stwierdzono, że duży zakres szczepów lub społeczności bakteryjnych z różnych rodzajów jest zdolny do kolonizacji powierzchni mineralnych lub wietrzenia minerałów, a dla niektórych z nich wykazano działanie pobudzające wzrost roślin. Zademonstrowane lub hipotetyczne mechanizmy wykorzystywane przez bakterie do wietrzenia minerałów obejmują kilka reakcji oksydoredukcyjnych i rozpuszczania, a także wytwarzanie czynników wietrzenia, takich jak protony, kwasy organiczne i cząsteczki chelatujące.

Wietrzenie na dnie oceanu

Wietrzenie bazaltowej skorupy oceanicznej różni się pod istotnymi względami od wietrzenia w atmosferze. Wietrzenie jest stosunkowo powolne, bazalt staje się mniej gęsty, w tempie około 15% na 100 milionów lat. Bazalt ulega uwodnieniu i jest wzbogacony w żelazo całkowite i żelazowe, magnez i sód kosztem krzemionki, tytanu, glinu, żelaza żelazawego i wapnia.

Wietrzenie budynku

Beton zniszczony przez kwaśne deszcze .

Budynki wykonane z dowolnego kamienia, cegły lub betonu są podatne na te same czynniki atmosferyczne, co każda odsłonięta powierzchnia skalna. Również posągi , pomniki i ozdobne elementy kamieniarskie mogą zostać poważnie uszkodzone przez naturalne procesy wietrzenia. Jest to przyspieszone na obszarach silnie dotkniętych kwaśnymi deszczami .

Przyspieszone wietrzenie budynku może stanowić zagrożenie dla środowiska i bezpieczeństwa użytkowników. Strategie projektowe mogą łagodzić wpływ efektów środowiskowych, takich jak stosowanie ekranów przeciwdeszczowych moderowanych ciśnieniowo, zapewniając, że system HVAC jest w stanie skutecznie kontrolować gromadzenie się wilgoci i wybierając mieszanki betonowe o zmniejszonej zawartości wody, aby zminimalizować wpływ cykli zamrażania-rozmrażania.

Właściwości gleb dobrze zwietrzonych

Skała granitowa, która jest najliczniejszą skałą krystaliczną odsłoniętą na powierzchni Ziemi, zaczyna wietrzenie wraz z destrukcją hornblendy . Biotyt wietrzeje do wermikulitu , a na koniec oligoklazy i mikrokliny ulegają zniszczeniu. Wszystkie są przekształcane w mieszaninę minerałów ilastych i tlenków żelaza. Powstała gleba jest zubożona w wapń, sód i żelazo w porównaniu z podłożem skalnym, a magnez o 40%, a krzem o 15%. Jednocześnie gleba jest wzbogacona w glin i potas o co najmniej 50%; przez tytan, którego liczebność potraja się; oraz żelazo żelazowe, którego obfitość wzrasta o rząd wielkości w porównaniu z podłożem skalnym.

Skała bazaltowa jest łatwiejsza do wietrzenia niż skała granitowa, ze względu na jej powstawanie w wyższych temperaturach i bardziej suchych warunkach. Drobny rozmiar ziarna i obecność szkła wulkanicznego również przyspieszają wietrzenie. W warunkach tropikalnych szybko ulega wietrzeniu do minerałów ilastych, wodorotlenków glinu i wzbogaconych tytanem tlenków żelaza. Ponieważ większość bazaltu jest stosunkowo uboga w potas, bazalt wietrze bezpośrednio do ubogiego w potas montmorylonitu , a następnie do kaolinitu . Tam, gdzie ługowanie jest ciągłe i intensywne, jak w lasach deszczowych, końcowym produktem wietrzenia jest boksyt , główna ruda aluminium. Tam, gdzie opady są intensywne, ale sezonowe, jak w klimacie monsunowym, końcowym produktem wietrzenia jest lateryt bogaty w żelazo i tytan . Konwersja kaolinitu do boksytu zachodzi tylko przy intensywnym ługowaniu, ponieważ zwykła woda rzeczna jest w równowadze z kaolinitem.

Powstawanie gleby wymaga od 100 do 1000 lat, co jest bardzo krótkim odstępem czasu geologicznego. W rezultacie w niektórych formacjach występują liczne złoża paleozolowe (gleba kopalna). Na przykład formacja Willwood w Wyoming zawiera ponad 1000 warstw paleosolu w sekcji 770 metrów (2530 stóp) reprezentującej 3,5 miliona lat czasu geologicznego. Paleosole zostały zidentyfikowane w formacjach tak starych jak Archean (w wieku ponad 2,5 miliarda lat). Jednak paleozole są trudne do rozpoznania w zapisie geologicznym. Wskazania, że ​​złoże osadowe jest paleosolem, obejmują gradacyjną dolną granicę i ostrą górną granicę, obecność dużej ilości gliny, słabe sortowanie z niewielką liczbą struktur sedymentacyjnych, rozerwanie klastów w leżących nad nimi złożach oraz pęknięcia związane z wysychaniem zawierające materiał z wyższych złóż.

Stopień zwietrzenia gleby można wyrazić jako wskaźnik chemiczny przeobrażeń , zdefiniowany jako 100 Al
2
O
3
/(Glin
2
O
3
+ CaO + Na
2
O + K
2
O)
. Waha się od 47 dla niezwietrzałych skał górnej skorupy do 100 dla całkowicie zwietrzałego materiału.

Wietrzenie materiałów niegeologicznych

Drewno może być fizycznie i chemicznie wietrzone przez hydrolizę i inne procesy związane z minerałami, ale dodatkowo drewno jest bardzo podatne na wietrzenie wywołane promieniowaniem ultrafioletowym światła słonecznego. Wywołuje to reakcje fotochemiczne, które degradują powierzchnię drewna. Reakcje fotochemiczne mają również znaczenie w wietrzeniu farb i tworzyw sztucznych.

Galeria

Zobacz też

Bibliografia

Inne linki