Khí tượng: các loại và quy trình
Phong hóa là sự phân hủy đá bằng phân rã cơ học và phân hủy hóa học. Nhiều người được hình thành ở nhiệt độ cao và áp lực sâu trong lớp vỏ trái đất; Khi tiếp xúc với nhiệt độ thấp hơn và áp suất trên bề mặt và gặp không khí, nước và sinh vật, chúng bị phân hủy và gãy xương.
Các sinh vật sống cũng có một vai trò có ảnh hưởng trong thời tiết, vì chúng ảnh hưởng đến đá và khoáng chất thông qua các quá trình sinh lý và sinh hóa khác nhau, hầu hết chúng không được biết chi tiết.
Về cơ bản có ba loại chính thông qua đó thời tiết diễn ra; Đây có thể là vật lý, hóa học hoặc sinh học. Mỗi biến thể này có các đặc điểm cụ thể ảnh hưởng đến đá theo những cách khác nhau; thậm chí, trong một số trường hợp có thể có sự kết hợp của một số hiện tượng.
Phong hóa vật lý hoặc cơ học
Các quá trình cơ học làm giảm các tảng đá thành các mảnh nhỏ dần dần, từ đó làm tăng bề mặt tiếp xúc với hóa chất. Các quá trình phong hóa cơ học chính là:
- Việc tải xuống.
- Hành động của sương giá.
- Ứng suất nhiệt gây ra bởi hệ thống sưởi và làm mát.
- Việc mở rộng.
- Sự co ngót do làm ướt với lần sấy tiếp theo.
- Áp lực gây ra bởi sự tăng trưởng của tinh thể muối.
Một yếu tố quan trọng trong phong hóa cơ học là sự mệt mỏi hoặc tạo ra căng thẳng lặp đi lặp lại, làm giảm khả năng chịu thiệt hại. Kết quả của sự mệt mỏi là đá sẽ bị gãy ở mức độ căng thẳng thấp hơn so với mẫu vật không mệt mỏi.
Tải xuống
Khi xói mòn loại bỏ vật liệu khỏi bề mặt, áp lực giới hạn trên các tảng đá bên dưới giảm. Áp suất thấp hơn cho phép các hạt khoáng chất tách ra nhiều hơn và tạo ra các lỗ rỗng; đá mở rộng hoặc mở rộng và có thể bị gãy.
Ví dụ, trong các mỏ đá granit hoặc các loại đá dày đặc khác, việc giải phóng áp lực do cắt để khai thác có thể là bạo lực và thậm chí gây ra vụ nổ.
Gãy bằng cách đóng băng hoặc gelifraction
Nước chiếm các lỗ chân lông bên trong một tảng đá mở rộng thêm 9% khi đóng băng. Sự giãn nở này tạo ra một áp lực bên trong có thể gây ra sự tan rã vật lý hoặc gãy xương.
Gel hóa là một quá trình quan trọng trong môi trường lạnh, nơi các chu kỳ đóng băng và tan băng xảy ra liên tục.
Chu trình làm nóng-làm mát (thermoclast)
Đá có độ dẫn nhiệt thấp, có nghĩa là chúng không tốt trong việc đẩy nhiệt ra khỏi bề mặt của chúng. Khi đá được nung nóng, bề mặt bên ngoài tăng nhiệt độ của nó nhiều hơn so với phần bên trong của đá. Bởi vì điều này, phần bên ngoài bị giãn nở nhiều hơn phần bên trong.
Ngoài ra, đá bao gồm các tinh thể khác nhau thể hiện sự gia nhiệt khác biệt: các tinh thể màu tối hơn làm nóng nhanh hơn và làm lạnh chậm hơn các tinh thể nhẹ hơn.
Mệt mỏi
Những ứng suất nhiệt này có thể gây ra sự tan rã của đá và hình thành các vảy, vỏ và tấm khổng lồ. Việc sưởi ấm và làm mát lặp đi lặp lại tạo ra một hiệu ứng gọi là sự mệt mỏi thúc đẩy sự phong hóa nhiệt, còn được gọi là thermoclastia.
Nói chung, sự mệt mỏi có thể được định nghĩa là ảnh hưởng của một số quá trình làm giảm khả năng chịu đựng của vật liệu đối với thiệt hại.
Vảy đá
Việc tẩy da chết hoặc sản xuất các tấm bằng ứng suất nhiệt cũng bao gồm việc tạo ra các vảy đá. Tương tự như vậy, sức nóng dữ dội được tạo ra bởi các vụ cháy rừng và do các vụ nổ hạt nhân có thể khiến đá bị vỡ và cuối cùng bị vỡ.
Ví dụ, ở Ấn Độ và Ai Cập, lửa đã được sử dụng trong nhiều năm như một công cụ khai thác trong các mỏ đá. Tuy nhiên, sự dao động nhiệt độ hàng ngày, được tìm thấy ngay cả trong các sa mạc, cũng nằm dưới mức cực đoan của các đám cháy địa phương.
Làm ẩm và sấy khô
Các vật liệu chứa đất sét, như đá bùn và đá phiến, mở rộng đáng kể khi làm ướt, có thể gây ra sự hình thành các vết nứt nhỏ hoặc vi sóng ( microcracks trong tiếng Anh) hoặc mở rộng các vết nứt hiện có.
Ngoài ảnh hưởng của sự mệt mỏi, chu kỳ giãn nở và co ngót - liên quan đến việc làm ướt và làm khô - dẫn đến sự phong hóa của đá.
Khí tượng hóa bằng sự tăng trưởng của tinh thể muối hoặc haloclastia
Ở vùng ven biển và khô cằn, tinh thể muối có thể phát triển trong dung dịch muối tập trung do bay hơi nước.
Sự kết tinh của muối trong các kẽ hoặc lỗ chân lông của đá tạo ra những căng thẳng làm chúng mở rộng, và điều này dẫn đến sự tan rã của hạt đá. Quá trình này được gọi là phong hóa mặn hoặc haloclastia.
Khi các tinh thể muối hình thành bên trong lỗ chân lông của đá được làm nóng hoặc bão hòa với nước, chúng sẽ nở ra và gây áp lực lên thành của các lỗ chân lông gần đó; điều này tạo ra ứng suất nhiệt hoặc ứng suất hydrat hóa (tương ứng), góp phần vào sự phong hóa đá.
Khí tượng hóa học
Kiểu phong hóa này bao gồm rất nhiều phản ứng hóa học, hoạt động cùng nhau trên nhiều loại đá khác nhau trong toàn bộ phạm vi điều kiện thời tiết.
Sự đa dạng tuyệt vời này có thể được nhóm lại trong sáu loại phản ứng hóa học chính (tất cả đều liên quan đến sự phân hủy của đá), cụ thể là:
- Việc giải thể.
- Hydrat hóa.
- Oxy hóa và khử.
- Cacbonat.
- Thủy phân.
Giải thể
Các muối khoáng có thể được hòa tan trong nước. Quá trình này liên quan đến sự phân ly của các phân tử trong các anion và cation của chúng, và sự hydrat hóa của mỗi ion; đó là các ion được bao quanh bởi các phân tử nước.
Nói chung, việc hòa tan được coi là một quá trình hóa học, mặc dù nó không liên quan đến các biến đổi hóa học thích hợp. Vì sự hòa tan xảy ra như một bước khởi đầu cho các quá trình hóa học khác của thời tiết, nó được bao gồm trong thể loại này.
Dung dịch đảo ngược dễ dàng: khi dung dịch quá bão hòa, một phần của vật liệu hòa tan kết tủa dưới dạng chất rắn. Một dung dịch bão hòa không có khả năng hòa tan rắn hơn.
Các khoáng chất khác nhau về độ hòa tan của chúng và trong số các chất hòa tan nhất trong nước là clorua của các kim loại kiềm, như muối đá hoặc halit (NaCl) và muối kali (KCl). Những khoáng chất này chỉ được tìm thấy ở vùng khí hậu rất khô cằn.
Thạch cao (CaSO 4 .2H 2 O) cũng khá dễ hòa tan, trong khi thạch anh có độ hòa tan rất thấp.
Độ hòa tan của nhiều khoáng chất phụ thuộc vào nồng độ của các ion hydro tự do (H +) trong nước. Các ion H + được đo bằng giá trị pH, biểu thị mức độ axit hoặc độ kiềm của dung dịch nước.
Hydrat hóa
Phong hóa hydrat hóa là một quá trình xảy ra khi các khoáng chất hấp thụ các phân tử nước trên bề mặt của chúng hoặc hấp thụ nó, bao gồm cả chúng trong mạng tinh thể của chúng. Lượng nước bổ sung này tạo ra sự gia tăng về thể tích có thể gây ra sự nứt vỡ của đá.
Trong điều kiện khí hậu ẩm ướt của vĩ độ trung bình, màu sắc của đất hiện tại / hiển thị các biến thể khét tiếng: nó có thể được quan sát từ màu nâu cho đến khi màu vàng. Những màu này được gây ra bởi sự hydrat hóa của hematit sắt oxit đỏ, chuyển sang goethite màu oxit (sắt oxyhydroxide).
Sự hấp thu nước của các hạt đất sét cũng là một hình thức hydrat hóa dẫn đến sự mở rộng của nó. Sau đó, khi đất sét khô, vỏ cây nứt ra.
Oxy hóa và khử
Sự oxy hóa xảy ra khi một nguyên tử hoặc ion mất electron, làm tăng điện tích dương hoặc giảm điện tích âm của chúng.
Một trong những phản ứng oxy hóa hiện có liên quan đến sự kết hợp oxy với một chất. Oxy hòa tan trong nước là một tác nhân oxy hóa phổ biến trong môi trường.
Sự hao mòn do quá trình oxy hóa ảnh hưởng chủ yếu đến các khoáng chất có chứa sắt, mặc dù các nguyên tố như mangan, lưu huỳnh và titan cũng có thể bị oxy hóa.
Phản ứng với sắt - xảy ra khi oxy hòa tan trong nước tiếp xúc với các khoáng chất chứa sắt - như sau:
4Fe2 + + 3O 2 → 2Fe 2 O 3 + 2e-
Trong biểu thức này, e- đại diện cho các electron.
Sắt kim loại (Fe2 +) được tìm thấy trong hầu hết các khoáng vật tạo đá có thể được chuyển đổi thành dạng sắt (Fe3 +) bằng cách thay đổi điện tích trung tính của mạng tinh thể. Sự thay đổi này đôi khi gây ra sự sụp đổ của nó và làm cho khoáng chất dễ bị tấn công hóa học.
Cacbonat
Cacbonat là sự hình thành cacbonat, là muối của axit cacbonic (H 2 CO 3 ). Carbon dioxide hòa tan trong nước tự nhiên để tạo thành axit carbonic:
CO 2 + H 2 O → H 2 CO 3
Sau đó, axit carbonic phân ly thành ion hydro hydrat hóa (H 3 O +) và ion bicarbonate, theo phản ứng sau:
H 2 CO 3 + H 2 O → HCO 3 - + H 3 O +
Axit carbonic tấn công các khoáng chất tạo thành cacbonat. Cacbonat chi phối sự phong hóa của đá vôi (là đá vôi và đôlômit); trong đó khoáng chất chính là canxit hoặc canxi cacbonat (CaCO 3 ).
Canxit phản ứng với axit cacbonic tạo thành canxi cacbonat, Ca (HCO 3 ) 2, không giống như canxit, dễ dàng hòa tan trong nước. Đây là lý do tại sao một số đá vôi rất dễ bị giải thể.
Các phản ứng thuận nghịch giữa carbon dioxide, nước và canxi carbonate rất phức tạp. Về bản chất, quá trình có thể được tóm tắt như sau:
CaCO 3 + H 2 O + CO 2 ⇔ Ca 2 + + 2HCO 3 -
Thủy phân
Nói chung, thủy phân - phân hủy hóa học do tác động của nước - là quá trình chính của phong hóa hóa học. Nước có thể phân hủy, hòa tan hoặc biến đổi các khoáng chất chính dễ bị đá.
Trong quá trình này, nước phân ly trong các cation hydro (H +) và anion hydroxyl (OH-) phản ứng trực tiếp với các khoáng chất silicat trong đá và đất.
Các ion hydro được trao đổi với một cation kim loại của các khoáng chất silicat, thường là kali (K +), natri (Na +), canxi (Ca2 +) hoặc magiê (Mg2 +). Sau đó, cation được giải phóng được kết hợp với anion hydroxyl.
Ví dụ, phản ứng thủy phân khoáng chất gọi là orthoclase, có công thức hóa học KAlSi 3 O 8, như sau:
2KAlSi 3 O 8 + 2H + + 2OH- → 2HAlSi 3 O 8 + 2KOH
Vì vậy, orthoclase được chuyển đổi thành axit aluminosilicic, HAlSi 3 O 8 và kali hydroxit (KOH).
Loại phản ứng này đóng vai trò cơ bản trong việc hình thành một số phù điêu đặc trưng; ví dụ, họ tham gia vào việc hình thành phù điêu karstic.
Khí tượng sinh học
Một số sinh vật sống tấn công đá một cách cơ học, hóa học hoặc bằng sự kết hợp của các quá trình cơ học và hóa học.
Cây cảnh
Rễ cây - đặc biệt là những cây mọc trên những tảng đá bằng phẳng - có thể tạo ra hiệu ứng cơ học.
Hiệu ứng cơ sinh học này xảy ra khi rễ phát triển, vì nó làm tăng áp lực tác động của nó trong môi trường xung quanh. Điều này có thể dẫn đến gãy xương gốc đá.
Địa y
Địa y là những sinh vật cấu thành bởi hai loại cộng sinh: một loại nấm (mycobiont) và một loại tảo thường là vi khuẩn lam (phycobiont). Những sinh vật này đã được báo cáo là thuộc địa làm tăng sự phong hóa của đá.
Ví dụ, người ta đã phát hiện ra rằng Stereocaulon vesuvianum được cài đặt trên dòng dung nham, quản lý để tăng gấp 16 lần tốc độ phong hóa của nó khi so sánh với các bề mặt không màu. Những tỷ lệ này có thể tăng gấp đôi ở những nơi ẩm ướt, như ở Hawaii.
Nó cũng đã được lưu ý rằng, khi địa y chết, chúng để lại một điểm tối trên bề mặt của tảng đá. Những điểm này hấp thụ nhiều bức xạ hơn các khu vực rõ ràng xung quanh của đá, do đó thúc đẩy phong hóa nhiệt hoặc nhiệt.
Sinh vật biển
Một số sinh vật biển cạo bề mặt của các tảng đá và đục lỗ chúng, thúc đẩy sự phát triển của tảo. Những sinh vật đục lỗ này bao gồm động vật thân mềm và bọt biển.
Ví dụ về loại sinh vật này là vẹm xanh ( Mytilus edulis ) và loài dạ dày ăn cỏ Cittarium pica .
Chelation
Chelation là một cơ chế phong hóa khác liên quan đến việc loại bỏ các ion kim loại và đặc biệt là các ion nhôm, sắt và mangan khỏi đá.
Điều này đạt được thông qua sự kết hợp và cô lập bởi các axit hữu cơ (như axit fulvic và axit humic), để tạo thành các phức chất hòa tan của chất kim loại hữu cơ.
Trong trường hợp này, các tác nhân chelating đến từ các sản phẩm phân hủy của cây và từ các chất tiết của rễ. Chelation thúc đẩy phong hóa hóa học và chuyển kim loại vào đất hoặc đá.
