WIETRZENIE SKAŁ I MINERAŁÓW
Wietrzenie skał i minerałów jest procesem bardzo złożonym. Ogólnie można je określić
jako rezultat działania niszczących sił przyrody, obejmujący zarówno fizyczny rozpad (rozdrobnienie) jak i chemiczny rozkład skał i minerałów. Równolegle z procesami dezintegracji następują procesy syntezy nowych minerałów i substancji amorficznych. Wszystkie zachodzące przemiany wzajemnie na siebie wpływają, dlatego końcowy produkt wietrzenia rozpatrywać należy jako rezultat ich synergicznego działania.
Na wpływy sił niszczących narażone są skały i minerały pozostające w stałym
kontakcie z czynnikami atmosferycznymi, tzn. występujące na powierzchni ziemi lub w jej pobliżu. W pierwszej fazie wietrzenia podlegają one rozkruszeniu na mniejsze fragmenty, a nawet na poszczególne ziarna mineralne. Tak rozkruszony materiał, posiada znacznie zwiększoną powierzchnię reakcji i charakteryzuje się mniejszą spoistością oraz obecnością szczelin, pęknięć i mikrootworów. Staje się on obiektem ataku wody, tlenu i dwutlenku węgla, inicjującym szereg reakcji chemicznych prowadzących do zmian w składzie chemicznym wietrzejącego materiału. Powstają nowe minerały, zwane minerałami wtórnymi oraz substancje nie wykazujące budowy uporządkowanej, tzn. substancje amorficzne.
Nowopowstałe produkty charakteryzują się odmienną niż minerały pierwotne budową
oraz odmiennymi właściwościami fizyko-chemicznymi. Cechuje je zdolność do pozostawania w stanie względnej równowagi z panującymi warunkami atmosferycznymi.
Wszystkim zachodzącym przemianom towarzyszy ciągłe zmniejszanie rozmiarów
cząstek oraz uwalnianie składników rozpuszczalnych, z których większość ulega wymywaniu. Schemat obrazujący kierunki wietrzenia w środowisku kwaśnym, charakterystycznym dla gleb klimatu umiarkowanego wilgotnego, przedstawić następująco:
Rozpatrując procesy wietrzenia należy zwrócić uwagę na następujące zagadnienia:
1. procesy wietrzenia fizycznego
2. procesy wietrzenia chemicznego
3. produkty procesu wietrzenia
4. czynniki wpływające na procesy wietrzenia
WIETRZENIE FIZYCZNE
Procesy wietrzenia fizycznego prowadzą do rozdrobnienia skał i minerałów, nie powodują natomiast zmian w ich składzie chemicznym. Przebieg procesów wietrzenia fizycznego warunkowany jest aktywnością takich sił niszczących jak woda, temperatura, działalność lodowców i wiatrów. Dezintegrująca działalność sił niszczących jest najczęściej synergiczna i przejawia się w następujących zjawiskach fizycznych:
1. Nagrzewanie i ochładzanie. Nagrzewanie skał prowadzi do ich rozszerzania się (zjawisko rozszerzalności cieplnej), zaś ochładzanie - do kurczenia się. Przeważająca większość skał zbudowana jest z wielu minerałów, różniących się między sobą współczynnikiem rozszerzalności cieplnej. W wyniku nagłych zmian temperatury dochodzi do powstania naprężeń, mogących powodować tworzenie się spękań i szczelin przyspieszających dalsze rozkruszanie skał. Dodatkowo, w efekcie słabego przewodnictwa cieplnego skał, temperatura na ich powierzchni jest często wyraźnie różna od temperatury panującej w częściach głębiej położonych. Takie zróżnicowanie temperatury indukuje powstawanie kierunkowych naprężeń , które z czasem prowadzą do odpryskiwania powierzchniowych warstw skały. Zjawisko to nazywane jest łuszczeniem się skał. Klasycznym przykładem produktów tego typu wietrzenia są granitowe "głowy cukru" w Rio de Janeiro.
2. Zamarzanie i rozmarzanie. Woda ma zdolność wnikania we wszelkie szczeliny, spękania i mikrootwory, powstałe w wyniku działania różnych czynników wietrzenia. Zamarzając, wywiera ogromne ciśnienie, sięgające 1666 t/m2. Ciśnienie to powoduje powstawanie szerokich szczelin w skałach i rozpadanie się mniejszych odłamków skalnych na coraz drobniejsze frakcje. W ten sposób tworzą się np. cyrki lodowcowe.
3. Pęcznienie i kurczenie. W zwietrzelinie obecnych jest wiele substancji zdolnych do pęcznienia, związanego z uwodnieniem i kurczenia się w wyniku odwodnienia. Procesom tym towarzyszy zmiana objętości i związany z nią "ruch" cząstek. Wzajemne ścieranie się cząstek i powstające w ich obrębie naprężenia przyczyniają się do dezintegracji wietrzejącego materiału.
4. Obtaczanie i ścieranie. Transport materiałów macierzystych przez wodę, wiatr i lodowce silnie przyczynia się do ich rozpadu. Transportowane odłamki skalne, okruchy, czy nawet pojedyncze ziarna mineralne są narażone na nieustanne zderzanie i ocieranie się, zarówno o siebie nawzajem, jak i o napotkane przeszkody. W wyniku tych interakcji dochodzi do ścierania się ich powierzchni. Zjawisko to nazywane jest abrazją. Przykładem niszczącego działania mediów transportujących może być działanie wód płynących. Toczą one materiał skalny po dnie, czego efektem jest zdzieranie i obtaczanie powierzchni odłamków skalnych.. Czynnikiem transportującym i erodującym o wyjątkowej sile i zasięgu są również lodowce. Oddziałują one nie tylko na lite skały, na których zalegają, ale również na luźne materiały zbierane po drodze i przenoszone dalej. Ogromna masa przemieszczającego się lodowca miażdży wszelkie przeszkody znajdujące się na jej drodze, zdzierając i krusząc podłoże, po którym się posuwa. Działanie abrazyjne może być wywoływane również przez wiatr transportujący cząstki o małej średnicy. Znane są przykłady oddziaływania materiału niesionego przez wiatr na przeszkody w postaci skałek bądź głazów znajdujących się na jego drodze, w wyniku którego powstają formy zwane grzybami skalnymi.
5. Organizmy żywe. Działalność organizmów żywych również przyczynia się do rozpadu materiałów macierzystych, choć posiada znacznie mniejsze znaczenie od czynników wcześniej wymienionych. Dotyczy ono przede wszystkim niszczącego działania rozrastających się korzeni drzew i krzewów, choć pewną rolę przypisać należy także aktywności fauny drążącej różnego rodzaju kanaliki i tunele, wybitnie ułatwiające wnikanie wody. Rozluźniony w ten sposób materiał skalny odznacza się zwiększoną powierzchnią reakcji, co ma duże znaczenie przy wietrzeniu chemicznym.
WIETRZENIE CHEMICZNE
Wietrzeniem chemicznym nazywamy procesy chemicznego rozkładu, w trakcie których
dochodzi do rozpuszczania i uwalniania składników oraz syntezy nowych minerałów bądź pozostawiania trwałych produktów końcowych rozpadu. Zachodzące przemiany są skutkiem ekspozycji skał i minerałów na warunki atmosferyczne, często skrajnie różne od warunków ich powstawania. Działanie agresywnych czynników środowiskowych, takich jak woda, tlen i CO2, wyzwala spontaniczne reakcje chemiczne w obrębie wietrzejącego materiału.
Wietrzenie chemiczne jest naturalnym następstwem wietrzenia fizycznego. Skały, które
uległy mechanicznemu rozkruszeniu są łatwo penetrowane przez wodę. W jej obecności składniki najłatwiej rozpuszczalne ulegają rozpuszczeniu i wymyciu. W miarę intensyfikacji tego procesu środowisko wietrzenia ulega wzbogaceniu w składniki słabiej rozpuszczalne, tlen i grupy hydroksylowe.
Powstające produkty wietrzenia (minerały wtórne, substancje bezpostaciowe) są
znacznie bardziej stabilne od materiałów macierzystych i pozostają w stanie względnej równowagi z czynnikami atmosferycznymi.
Reakcje rozpadu minerałów charakteryzują się dużą dynamiką wymiany składników ze
środowiskiem wietrzenia, tzn. składniki te są ciągle usuwane bądź dostarczane. Powstawanie określonych minerałów możliwe jest jedynie wtedy, gdy wszystkie niezbędne w tym celu atomy i jony są obecne i względnie nieruchliwe. Na podstawie przemian skalenia potasowego prześledzić można powstawanie różnych produktów wietrzenia, w zależności od obecności potasu:
1. w wypadku, gdy cały potas został wymyty do roztworu, powstającym minerałem wtórnym jest kaolinit:
4K[AlSi3O8] + 6H2O ® Al4[(OH)8Si4O10] + 8SiO2 + 4KOH skaleń potasowy + woda ® kaolinit + krzemionka + potas
2. jeżeli pewna część potasu nie ulegnie wymyciu i pozostanie w obrębie sieci krystalicznej, powstającym minerałem wtórnym jest illit.
5K[AlSi3O8] + 4H2O ® KAl4[(OH)4AlSi7O20] + 8SiO2 + 4KOH skaleń potasowy + woda ® illit + krzemionka + potas
Wietrzenie minerałów jest procesem bardzo złożonym, odbywającym poprzez szereg
reakcji chemicznych, wzajemnie się uzupełniających, bądź indukujących. Najważniejszymi z nich są:
1. Hydroliza. Reakcje minerałów z wodą odgrywają zasadniczą rolę w procesach chemicznego rozkładu substancji. Rozkład i przebudowa z udziałem wody to główne procesy wietrzenia chemicznego. Powstające w ich wyniku formy wodorotlenkowe są zwykle łatwiej rozpuszczalne od minerału macierzystego. Przykładem hydrolitycznego rozkładu glinokrzemianów jest zamieszona powyżej reakcja rozpadu skalenia potasowego.
2. Hydratacja. Polega ona na wiązaniu powstałych w wyniku dysocjacji wody jonów H+ i OH- przez strukturę kryształu. Hydratacja łyszczyków prowadzi do wnikania części jonów H+ i OH- w przestrzenie miedzypakietowe. Skutkiem tego jest rozszerzenie sieci kryształu i zwiększenie jego porowatości, co z kolei przyspiesza inne procesy rozkładu. Reakcje hydratacji powodują przemianę minerału bezwodnego w uwodniony i słabo uwodnionego w silnie uwodniony. Dobrym przykładem tego procesu jest przekształcanie hematytu w limonit:
2Fe2O3 + 3H2O ® 2Fe2O3 . 3H2O hematyt + woda ® limonit
3. Karbonatyzacja. Kwas węglowy jest słabym kwasem powstającym w wyniku reakcji CO2 z wodą. Dwutlenek węgla w środowisku wietrzeniowym pochodzi częściowo z atmosfery, a częściowo z reakcji biologicznego oddychania i rozkładu materii organicznej. Roztwór kwasu węglowego działa na minerały silniej niż czysta woda. Powstające w wyniku karbonatyzacji produkty są znacznie łatwiej rozpuszczalne niż minerał macierzyste. Proces karbonatyzacji szczególnie silnie zaznacza się w przemianach kalcytu, w wyniku których dochodzi do powstawania rozpuszczalnego wodorowęglanu:
CaCO3 + H2CO3 ® Ca(HCO3)2
kalcyt + kwas węglowy ® rozpuszczalny wodorowęglan
· Utlenianie. Utlenianie w procesach wietrzenia rozumieć należy zarówno jako reakcje minerałów z tlenem jak i zmiany wartościowości występujących w ich sieci krystalicznej metali (tzn. zmiany związane z przyjmowaniem lub oddawaniem przez nie elektronów). Za doskonały przykład posłużyć tu mogą przemiany minerałów zawierających żelazo. Jeżeli w sieci krystalicznej występują jony żelaza dwuwartościowego i ulegną one utlenieniu do form trójwartościowych, to pozostałe składniki sieci muszą dostosować się do zaistniałej sytuacji. Prowadzi to do osłabienia struktury kryształu, który ulega rozkruszeniu i rozkładowi.
· Rozpuszczanie. Zdolność minerałów do rozpuszczania się w wodzie i roztworach wodnych zależy od ich składu chemicznego. Sam proces rozpuszczania polega na rozpadzie danej substancji na poszczególne jony, np. NaCl rozpada się, a dokładniej dysocjuje na kation Na+ i anion Cl-. Rozpad substancji inicjuje szereg dalszych reakcji chemicznych, które wobec ułatwionego dostępu do substratu, charakteryzują się dużą dynamiką.
Jak już wcześniej wspomniano, przebiegające w trakcie procesu wietrzenia reakcje
chemiczne są ze sobą powiązane, dlatego też nie można ich rozpatrywać rozłącznie. Śledząc rozpad najważniejszych minerałów skałotwórczych, tzn. glinokrzemianów, zaobserwować można, iż kolejność następujących po sobie przemian jest nieprzypadkowa. Rozpad glinokrzemianów jest niezwykle skomplikowany, jednak ze względu na jego ogromne znaczenie w przekształcaniu skał macierzystych i powstawaniu gleb, należy podać chociaż uproszczony schemat tego procesu:
1. Uwodnienie powierzchni minerału (hydratacja). Aby zrozumieć istotę tego procesu, należy przypomnieć sobie, iż co prawda suma wszystkich ładunków dodatnich w sieci krystalicznej jest równa sumie wszystkich ładunków ujemnych (zgodnie z regułą Paulinga), jednak atomy znajdujące się na jej powierzchni posiadają niewysycone wiązania na powłokach walencyjnych. Naładowana powierzchnia kryształu przyciąga do siebie obecne w środowisku dipole wody. Siły przyciągające mogą powodować tak znaczną polaryzację dipoli wody, iż ulęgają one dysocjacji na proton H+ i anion OH-. Powstałe protony wodorowe łączą się z anionami tlenu sieci krystalicznej, zaś aniony hydroksylowe z jonami naładowanymi dodatnio. Jednocześnie kationy alkaliczne, bądź ziem alkalicznych mogą być podstawiane protonami wodorowymi. W wyniku zaistniałej hydrolizy wiązań Si-O-Al lub Si-O-Si struktura powierzchni kryształu zostaje zniszczona. Przebieg tego procesu przedstawia poniższy rysunek:
2. Wymywanie kationów, uwalnianie krzemionki. Uwolnione z sieci krystalicznej kationy zasadowe przechodzą do roztworu i ulegają wymyciu. Jednocześnie następuje uwalnianie krzemionki, która może ulec redukcji do form monomerycznych, tj. do poszczególnych tetraedrów, lub częściowo zachować swoją budowę łańcuchową.
3. Synteza minerałów wtórnych. W obrębie zwietrzałego materiału dochodzi do dalszych reakcji z czynnikami takimi jak woda, tlen i dwutlenek węgla, tzn. do reakcji hydrolizy, hydratacji, utleniania i karbonatyzacji. Zależnie od dominujących w danym środowisku czynników wietrzenia powstają zróżnicowane produkty procesu wietrzenia - minerały wtórne i substancje amorficzne.
...
madziula05