Logowanie

Wyszukiwanie

Wietrzenie mechaniczne i chemiczne skał i minerałów

 

Marta Miedźwiedziew

 

Wietrzenie mechaniczne i chemiczne skał i minerałów

 

Wprowadzenie

Artykuł przeznaczony jest dla uczniów szkół ponadgimnazjalnych realizujących zajęcia z chemii zarówno na poziomie podstawowym jak i rozszerzonym. Zagadnienia przedstawione w artykule mogą być traktowane jako rozszerzenie wiadomości dotyczących materiałów pochodzenia naturalnego – skał i minerałów – oraz ich właściwości.

 

Wszystkie skały tworzące skorupę ziemską są poddawane zewnętrznemu oddziaływaniu Alabama Hillsatmosfery i hydrosfery. Całokształt zmian, jakim podlegają skały i ich składniki (minerały), narażone na działanie atmosfery, hydrosfery i biosfery nazywany jest wietrzeniem. Odbywa się ono na powierzchni skorupy ziemskiej, oraz w przypowierzchniowej strefie zwanej strefą wietrzenia. Zależnie od budowy geologicznej, klimatu, głębokości występowania wód gruntowych oraz obecności organizmów żywych, głębokość strefy wietrzenia wynosi od kilku do kilkunastu metrów.

Zmiany, jakim ulegają skały mogą mieć charakter procesów fizycznych (wietrzenie fizyczne lub mechaniczne), których efektem jest kruszenie i rozpad (dezintegracja) skał bez zmiany ich składu chemicznego lub procesów chemicznych (wietrzenie chemiczne), w wyniku których następuje rozkład skał, zmienia się skład chemiczny substancji mineralnych.

Biosfera odgrywa ważną rolę zarówno w wietrzeniu mechanicznym, poprzez rozsadzanie szczelin korzeniami i działalność zwierząt ryjących, jak i chemicznym, dzięki wydzielanym przez rośliny sokom oraz związkom powstającym w wyniku rozkładu martwej materii organicznej.

 

Wietrzenie mechaniczne

Najistotniejszym czynnikiem wietrzenia mechanicznego jest insolacja (nagrzewanie pod wpływem promieni słonecznych) i wahania temperatury, zwłaszcza te związane z cyklem dobowym, często dość gwałtowne. Zależnie od struktury skały i właściwości minerałów wietrzenie pod wpływem temperatury może przebiegać na różne sposoby.

W przypadku minerałów o jednorodnej budowie, ale słabo przewodzących ciepło, następuje Efekty eksfoliacjiszybkie nagrzanie warstwy powierzchniowej oraz, na skutek zróżnicowanego rozszerzania się części nasłonecznionej i części wewnętrznej skały, pękanie i złuszczanie (eksfoliacja) [fot. 2]. Jeśli skała zbudowana jest z różnorodnych minerałów (np. granity), o różnych właściwościach fizycznych, rozpad następuje na skutek nierównomiernego rozszerzania się i kurczenia sąsiadujących ze sobą ziaren (kryształów) i rozluźniania połączeń między nimi. Mówimy wówczas o rozpadzie ziarnistym skały.

Wskutek rozszerzania i kurczenia się skał mogą ujawniać się niewidoczne przedtem różnokierunkowe spękania, dzieląc bloki skalne na części (tzw. rozpad blokowy). Ważnym czynnikiem, zwłaszcza w górach i na obszarach polarnych, jest działanie mrozu, powodujące wzrost kryształów lodu w szczelinach i porach skalnych (podobne efekty daje też wzrost innych kryształów, np. soli). Rozsadzające działanie zamarzającej w skale wody nazywamy zamrozem.

Ważną rolę w wietrzeniu mechanicznym odgrywa biosfera. Korzenie roślin mogą wnikać w szczeliny skalne i w miarę wzrostu rozszerzać je, a nawet rozsadzać bryły skalne, tym samym ułatwiając dostęp wody i powietrza. Podobny wpływ mają zwierzęta ryjące (np. dżdżownice, krety), drążące kanały w przypowierzchniowych warstwach ziemi i odsłaniające głębiej leżące skały.

Pewien udział w procesach wietrzenia mechanicznego ma również zróżnicowane rozszerzanie się skały wywołane zmniejszeniem ciśnienia po odsłonięciu powierzchni.

 

Wietrzenie chemiczne

W procesie wietrzenia chemicznego najważniejszą rolę odgrywa woda. Niezależnie od tego, czy skała ma kontakt z wodami powierzchniowymi, wilgocią w atmosferze, czy wodą glebową (roztworem glebowym), to właśnie w wodzie i przy udziale rozpuszczonych w niej substancji organicznych i nieorganicznych, zachodzą reakcje chemiczne.

Działanie wody i zawartych w niej jonów polega przede wszystkim na rozpuszczaniu, utlenianiu i redukcji.

 

Utlenianie (oksydacja) sięga w skorupie ziemskiej tak głęboko, jak głęboko może dostać się tlen, a więc aż do zwierciadła wód gruntowych. Dlatego też strefa ponad zwierciadłem wód gruntowych nazywana jest strefą oksydacji.

Podczas oksydacji krzemianów zawierających tlenki żelaza dwuwartościowego (FeO) powstają tlenki żelaza trójwartościowego (Fe2O3), zwykle uwodnione, wskutek czego barwa tych minerałów zmienia się z zielonej lub czarnej na czerwoną lub żółtobrunatną. Jako przykład można tu wymienić magnetyt (Fe2O3 · FeO) o czarnej metalicznej barwie, który przechodzi w czerwony hematyt (Fe2O3). Sole żelaza utleniają się bardzo wolno w roztworach kwaśnych, natomiast bardzo szybko w roztworach słabo kwaśnych lub alkalicznych.

Utlenianiu łatwo ulegają również siarczki, np. piryt (FeS2) w procesie utleniania przechodzi w siarczan żelaza:

FeS2 + H2O + 7/2 O2 à FeSO4 + H2SO4

a galena (PbS) w anglezyt (PbSO4).

 

Uwodnienie (hydratyzacja) polega na przyłączaniu cząsteczek wody. Przykładem prostej hydratyzacji jest przeobrażenie się anhydrytu (CaSO4) w gips (CaSO4 · 2H2O)

CaSO4 + 2 H2O Û CaSO4 · 2 H2O

hematytu (Fe2O3) w żółtobrunatny limonit (2Fe2O3 · 3H2O) albo braunitu (Mn2O3) w manganit (Mn2O3 · H2O).

Uwodnienie zwykle łączy się z hydrolizą oraz działaniem tlenu i kwasu węglowego. Na przykład z syderytu poprzez hydrolizę i utlenianie powstaje limonit:

FeCO3 + H2O = Fe(OH)2 + CO2 4Fe(OH)2 + O2 = 2Fe2O3 · 3H2O + H2O

Innym przykładem procesów towarzyszących hydratyzacji jest przeobrażanie krzemianów pod wpływem działania wody (rozpad hydrolityczny) i dwutlenku węgla. Powstają wówczas minerały ilaste, wśród nich kaolinit (H2Al2Si5O8); proces jego powstawania nazywamy kaolinizacją. Kaolinizacji podlegają przede wszystkim skalenie, np. ortoklaz:

K2Al2Si6O16 + 2 H2O + CO2 = H2Al2Si5O8 · H2O + K2CO3 + 4 SiO2

 

Procesy redukcyjne są wywołane głównie dwoma czynnikami: rozkładem materii organicznej i działalnością bakterii. Rozkładająca się materia organiczna łączy się nie tylko z wolnym tlenem, lecz także z tlenem zawartym w związkach chemicznych. Niektóre bakterie z kolei mają zdolność odszczepiania tlenu potrzebnego im do procesów życiowych z połączeń organicznych i nieorganicznych.

Redukowanie związków żelaza przez materię organiczną można przedstawiać następującymi równaniami:

2Fe2O3 • 3H2O + C = 4FeO + CO2 + 3H2O

FeO + CO2 = FeCO3

Siarczany są redukowane materią organiczną lub bakteriami, a w pewnych przypadkach także węglowodorami. Przykładem rozkładu siarczanów jest rozkład gipsu prowadzący do powstania wapieni i siarki:

CaSO4 + 2C = CaS + 2CO2 2CaS + 2H2O = Ca(OH)2 + Ca(SH)2 Ca(OH)2 + Ca(SH)2 + 2CO2 =

= 2CaCO3 + 2H2S H2S + O = H2O + S

 

Kolejnym istotnym dla wietrzenia chemicznego procesem jest karbonatyzacja, czyli przemiany zachodzące pod wpływem rozpuszczonego w wodzie dwutlenku węgla. Wapienie, zbudowane głównie z węglanu wapnia, rozpuszczają się słabo w czystej wodzie, ich rozpuszczalność wzrasta jednak dziesięciokrotnie, jeśli woda jest nasycona dwutlenkiem węgla. Węglan wapnia przechodzi wówczas w łatwiej rozpuszczalny kwaśny węglan wapnia:

CaCO3 + H2O + CO2 Û Ca2+ + 2 HCO3

Reakcja ta jest odwracalna.

Wapienie rozpuszczają się też łatwo pod wpływem kwasów organicznych, np. octowego:

2CaCO3 + 2C2H4O2 = Ca(C2H3O2)2 + CaH2(CO3)2

 

Produkty wietrzenia i charakterystyczne formy wietrzeniowe

Produktem wietrzenia fizycznego i chemicznego jest tworząca się na skałach pokrywa zwietrzelinowa. Produkty wietrzenia mogą pozostawać w miejscu jeśli wietrzeniu ulega powierzchnia pozioma, lub też być transportowane grawitacyjnie po stoku albo transportowane przez wody płynące, wiatry lub lodowiec.

Gdy skała ulega wietrzeniu chemicznemu, wskutek którego część materiału zostaje rozpuszczona, a nierozpuszczalna część pozostaje na miejscu, powstaje na powierzchni pokrywa zwietrzelinowa nosząca nazwę eluwium (np. gliny zwietrzelinowe). Jeśli wietrzeniu ulega skała zawierająca nierozpuszczalne minerały użytecznie, te mogą gromadzić się na miejscu tworząc złoża eluwialne.

Tam, gdzie nie działają czynniki intensywnie usuwające produkty wietrzenia, gromadzi się pokrywa zwietrzelinowa pokrywająca skałę, wystawiona bezpośrednio na oddziaływanie czynników zewnętrznych i przeobrażana pod wpływem działania świata organicznego. Pokrywę taką nazywamy glebą, a procesy prowadzące do powstawania gleb – procesami glebotwórczymi.

 

W klimacie umiarkowanym – a więc również na terenie Polski – zachodzi zarówno wietrzenie mechaniczne, jak i chemiczne. Rozpad blokowy skał na skutek wietrzenia mechanicznego prowadzi do tworzenia rumowiska gruzu i ostrokrawędzistych bloków różnych rozmiarów nazywane gołoborzami [fot. 3]. Jeśli produkty wietrzenia staczają się w dół po stoku i gromadzą u jego podnóża, powstają stożki osypiskowe nazywane w górach piargami. W Polsce gołoborza i piargi występują w Górach Świętokrzyskich, Sudetach i Karpatach.

Innymi typowymi dla tej strefy produktami wietrzenia są rumosze i gliny zwietrzelinowe.

Na terenie Polski występują też formy, które powstały podczas wcześniejszych epok Gołoborza w Sudetachgeologicznych, kiedy panowały zupełnie inne warunki. Przykładem mogą tu być gołoborza z Gór Świętokrzyskich i Karkonoszy pochodzące z okresu zlodowaceń albo terra rosa (czerwona ziemia), produkt wietrzenia chemicznego skał wapiennych o charakterystycznej czerwonawej lub rdzawej barwie, pochodząca z trzeciorzędu lub triasu, kiedy klimat był znacznie cieplejszy i wilgotniejszy niż obecnie.

W zimnym, polarnym klimacie wietrzenie skał i gleb zachodzi nie tylko pod wpływem samej temperatury, ale też zamarzającej i rozmarzającej wody, obecnej w przypowierzchniowej warstwie gleb. Powstają dzięki temu deformacje zwane deformacjami krioturbacyjnymi, do których zalicza się inwolucje, gleby poligonalne i smugowe. Inwolucje to Gleby poligonalne nad Zatoką Hudson, Kanadadeformacje w przypowierzchniowej warstwie gruntu, będące skutkiem zgniatania i fałdowania materiału skalnego. Gleby poligonalne [fot. 4] to kamieniste struktury w kształcie wieloboków o średnicy 1-7m. Powstają one przez wypychanie ku górze gruntu w trakcie zamarzania, wskutek czego tworzą się nabrzmienia, z których wypchnięte na powierzchnię większe okruchy skalne staczają się na boki. Gleby smugowe rozwijają się z gleb poligonalnych podczas spełzywania gruntu po stokach.

W strefach klimatu gorącego suchego, gdzie różnice temperatur w ciągu doby dochodzą czasemRóża pustyni do kilkudziesięciu stopni, a opady praktycznie nie występują, mamy do czynienia przede wszystkim z wietrzeniem mechanicznym pod wpływem temperatury. Formą charakterystyczną dla suchego i gorącego klimatu są również barwne pokrywy lub wykwity (np. tzw. róże pustyni [fot. 5]) na powierzchni gruntu, powstające na skutek podsiąkania wody ku górze oraz wytrącania i krystalizacji rozpuszczonych w niej związków (np. krzemionka, tlenki Fe i Mg).

W klimacie gorącym i wilgotnym główną rolę odgrywa wietrzenie chemiczne. Charakterystycznym produktem wietrzenia są tu lateryty [fot. 6], luźna zwietrzelina o barwie wiśniowej, czerwonej lub brązowej, złożona głównie z wodorotlenków glinu i żelaza, oraz boksyty, kopalne lateryty i cenny surowiec do produkcji aluminium. Gleby laterytowe

Głowa cukru, Rio de Janeiro (Brazylia)Innymi formami typowymi dla strefy gorącej są tzw. głowy cukru [fot. 7], zaokrąglone pagórki i wzgórza, zbudowane najczęściej z granitów, powstające w efekcie wietrzenia mechanicznego i chemicznego.

 

Podsumowanie

Wietrzeniem nazywamy całokształt zmian, jakim podlegają skały i ich składniki (minerały), narażone na działanie atmosfery, hydrosfery i biosfery. Odbywa się ono na powierzchni skorupy ziemskiej, oraz w przypowierzchniowej strefie zwanej strefą wietrzenia.

Zmiany, jakim ulegają skały mogą mieć charakter procesów fizycznych (wietrzenie fizyczne lub mechaniczne), których efektem jest kruszenie i rozpad (dezintegracja) skał bez zmiany ich składu chemicznego lub procesów chemicznych (wietrzenie chemiczne), w wyniku których następuje rozkład skał, zmienia się skład chemiczny substancji mineralnych. Wietrzenie mechaniczne zachodzi głównie na skutek nierównomiernego rozszerzania i kurczenia się minerałów pod wpływem temperatury oraz wzrostu kryształów w szczelinach i porach skał. Wietrzenie chemiczne zachodzi pod wpływem wody i rozpuszczonych w niej substancji i polega przede wszystkim na rozpuszczaniu, utlenianiu i redukcji.

W zależności od właściwości skał i warunków środowiska procesy wietrzenia mogą tworzyć różne formy morfologiczne. Na terenie Polski są to przede wszystkim gołoborza, stożki piargowe, rumosze i gliny zwietrzelinowe.

 

Doświadczenie

Zbierz po dwa nieduże kawałki wapieni, margli, łupków ilastych, granitów, piaskowców. W pięciu przezroczystych naczyniach (np. zlewkach) przygotuj wodę o dużej zawartości CO2, natomiast do pięciu pozostałych zlewek nalej wody destylowanej. Jeden fragment skały z każdej pary włóż do wody destylowanej, drugi do wody z CO2. Zaobserwuj, co dzieje się ze skałami oraz wodą w momencie rozpoczęcia eksperymentu, po 20 minutach i po 24 godzinach.

 

Bibliografia

  1. M. Książkiewicz, Geologia dynamiczna, Wydawnictwo Geologiczne, Warszawa 1979.
  2. W. Mizerski, Geologia dynamiczna dla geografów, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2002.
  3. http://www.physicalgeography.net/
  4. http://geologicalintroduction.baffl.co.uk/
  5. http://www.w3.salemstate.edu/
  6. http://www.geology.about.com/

 




Wersja angielska artykułu w formacie pdf (The English version in pdf)