Download Introducción a las Ciencias Terrestres

Meteorización
(“Weathering”)
GEOL 4017: Cap. 3
Prof. Lizzette Rodríguez
Introducción
• Meteorizacion es la desintegracion y
descomposicion de rocas y minerales en la
superficie de la Tierra como resultado de accion
fisica y quimica.
– Incluye todos los procesos que destruyen el “bedrock” y
lo convierten en fragmentos, iones en solucion o
coloides.
– Los cambios son mayormente in situ y los movimientos
de materiales meteorizados son locales o confinados al
afloramiento.
– La meteorizacion facilita la erosion, debilitando la roca y
haciendola mas susceptible a procesos gravitacionales y
remocion por otros agentes de erosion.
Cont. Introduccion
• Los procesos en o cerca de la superficie envuelven
los 3 estados de la materia: agua liquida y sus
solutos, minerales y solidos organicos, y gases
atmosfericos.
– Esta zona refleja las interacciones entre la litosfera,
atmosfera, hidrosfera y biosfera. Rocas creadas bajo
tierra son menos estables en la superficie, y por lo tanto
mas vulnerables a la meteorizacion.
• El destino geomorfico de un agregado de
minerales depende de sus propiedades fisicas y
quimicas (fuerza, permeabilidad, estructura,
reactividad quimica), que estan determinados por
la composicion, tamano, forma, estructura
intergranular e intragranular.
Cont. Introduccion
• La razon a la que ocurre la meteorizacion no
es constante si no que varia de acuerdo a las
diferencias en intensidad de los procesos en
un punto dado.
• El tipo de meteorizacion que predomina en
la superficie tambien varia de un lugar a
otro.
• Los procesos de meteorizacion varian en
climas humedos, aridos, polares y alpinos.
Tipos de meteorizacion
• Meteorizacion mecanica
• Meteorizacion quimica
Meteorizacion mecanica
• Desintegracion o rompimiento de roca por
procesos fisicos, sin cambios en la composicion
quimica o mineral.
• Ocurre debido a estreses que se originan en la
roca y por otros aplicados externamente.
Descompresion (“Unloading”)
• Las rocas expuestas en la superficie a menudo se formaron a
grandes profundidades, en ambientes de alta P. Estimados de
las profundidades de erosion llegan hasta 30 km en zonas
montanosas.
• La alta P de confinamiento causada por el peso de las rocas,
comprime las rocas elasticamente a un menor volumen, pero
sin deformacion permanente, porque el confinamiento
tambien aumenta la fuerza de las rocas. Con el levantamiento
ocurre expansion, pero en T mas frias a menor profundidad,
solo una porcion de la expansion causada por la liberacion de
la presion se muestra.
• Cuando la roca es elevada y expuesta por erosion, la alta P se
reduce, y ocurre expansion rapida (descompresion), incluso
para producir fracturas y hasta estallidos por P (“rock-burst).
Cont. Descompresion
• Formacion de diaclasas (“joints”) paralelos a la
superficie en la direccion de menor presion – se ha
visto que la distancia entre fracturas aumenta
exponencialmente con la profundidad. Estos se
conocen como diaclasas en capas (“sheeting joints”) o
fracturas de exfoliacion, porque no son de origen
tectonico. Rompen la roca en placas como capas o
lentes anchos uno encima del otro. Lajeamiento.
• Exfoliacion – proceso de meteorizacion en el que la
roca se fisura en capas que son gradualmente
removidas.
– Domos de exfoliacion – ej. Half Dome en Yosemite – se
cree se formaron por exfoliacion concentrica de granito.
Congelacion y deshielo
• H2O se congela y se expande ~9% congelacion del H2O en un espacio confinado
ejerce gran P hacia afuera sobre las paredes del
lugar donde se encuentra.
– Ej. de agua en un granito: la P que ejerce esta al
congelarse puede alcanzar su resistencia a
compresion (balance entre la resistencia
tensora y la resistencia a la compresion)
– Altas P no se alcanzan mucho en la naturaleza,
porque sistemas perfectamente cerrados son
raros y vulnerables a destruccion antes de que
se alcancen las P altas.
Cont. Congelacion y deshielo
– H2O en la naturaleza se abre camino a traves de grietas
de las rocas (Fracturacion hidraulica: el agua en grietas
pequenas puede permanecer liquida a muy bajas T, en
cuyo caso las altas P causan que esta entre a
microfracturas en las rocas) y, tras su congelacion,
expande y aumenta el tamano de las aberturas.
Despues de muchos ciclos de congelacion-deshielo, la
roca se rompe en fragmentos angulares. Este proceso
se llama rotura por cunas de hielo.
– P de crecimiento de cristales de hielo puede superar la
causada por expansion de agua congelada contra un
tapon de hielo (sistema cerrado).
Cont. Congelacion y deshielo
– H2O se congela mas rapido en aberturas grandes y
permanece liquida en poros pequenos por la P. Crecimiento
de hielo crea segregaciones en forma de lentes que causan el
alzamiento del suelo suprayacente.
• Crecimiento similar de cristales en rocas permeables puede desarrollar
grietas entrelazadas y causar desintegracion.
– Condiciones optimas para que ocurra acunamiento por
congelacion: H2O, muchos ciclos de congelacion-deshielo,
congelamiento sostenido a T bajo 0°C para que crezcan
masas de hielo y el congelamiento penetre en la tierra.
– Campos de bloques o felsenmeer – en latitudes y elevaciones
altas, donde ocurren a diario ciclos de congelacion-deshielo.
– Ejemplo: destruccion de carreteras
Crecimiento de cristales
• Efectos mecanicos de la cristalizacion de
minerales en la evaporacion del agua en el
suelo o cerca de la superficie.
• Precipitacion de sulfatos, cloruros y
carbonatos que contienen iones de K, Na y
Mg pueden causar el craqueo y laminacion
de fragmentos de rocas.
Cont. Crecimiento de cristales
• Aguas salinas saturadas y supersaturadas dentro de
rocas permeables – la evaporacion del H2O cerca de la
superficie causa la cristalizacion de ej. MgSO4,
anhidrita, CaCO3, etc. Esto puede causar
disagregacion de la superficie de la roca, sobre todo en
rocas sedimentarias permeables.
• Ciclos de hidratacion/deshidratacion en algunas sales
tambien causan disagregacion.
• Efectos de los cristales hidratados se pueden ver en
muchos monumentos de roca. Ej. piramides de Egipto
Expansion y contraccion termal
• Cambios en T extremos son suficientes para
causar fisuracion y fragmentacion de la roca.
• Las rocas no conducen calor eficientemente, asi
que una capa externa fina de roca se calienta mas
que la de abajo, causando fisuracion en capas
finas y fragmentos pequenos.
• Gradientes de T pueden causar deformacion
interna entre los cristales en una roca y llevar
tambien a desintegracion.
Mojamiento y secamiento
• Proceso responsible por la desintegracion del
shale (lutita) – algunos de sus minerales se
expanden al mojarse y se encojen al secarse.
• La efectividad de este mecanismo es causada
mayormente por cambios en volumen
producidos por el hinchamiento de minerales
de arcilla.
• Al mojarse una arcilla, la P del aire en los
poros de arcilla seca puede aumentar
suficiente para causar desintegracion.
Arranque coloidal
(“Colloidal plucking”)
• Pequenos fragmentos son extraidos de las
superficies de rocas por coloides (ej. arcilla)
en el suelo que esta en contacto con ellas.
• Los coloides al secarse se contraen y ejercen
un fuerte esfuerzo tensil (“tensile stress”) a
traves de la superficie a que estan adheridos.
Impacto gravitacional
• La fragmentacion de rocas causada por el
impacto de material en caida contribuye a
meteorizacion mecanica, pero movimientos
posteriores se consideran erosion.
• Ej. fragmentos formados por congelaciondeshielo
Actividad organica
• Ej. crecimiento de raices en fracturas o estratos
puede romper la roca
• Profundidad que pueden crecer raices se
extiende a 3-7 m bajo la superficie
• Meteorizacion causada por animales: ocurre por
la mezcla de materiales no consolidados
– Ej. organismos excavadores mezclan material
meteorizado y llevan material no meteorizado a
encontrarse con agentes de meteorizacion quimica
como el agua y el aire.
Meteorizacion quimica
• Descomposicion de las rocas por procesos
superficiales que cambian la composicion quimica
del material original.
• Envuelve reacciones entre elementos en minerales
de la roca con la atmosfera y/o agua subterranea.
• Relacion entre los tipos de meteorizacion: la
mecanica facilita la quimica
• Rocas comunmente estan fuera de equilibrio con
las condiciones ambientales y reaccionan quimicamente para formar compuestos mas estables.
Rol del agua
• Agente de meteorizacion disolvente mas
importante. Actua como medio de intercambio de
elementos entre rocas y la atmosfera, y ademas
toma parte directa en reacciones quimicas.
• Meteorizacion quimica-mas activa en climas
humedos.
• La mayoria de las propiedades del H2O se pueden
explicar en terminos de la estructura de su
molecula, la cual es dipolar y capaz de enlaces con
iones positivos y negativos.
Procesos de meteorizacion quimica
• Disolucion
• Oxidacion-reduccion
• Intercambio ionico
• Hidrolisis
• Carbonacion
• Hidratacion
• Quelacion (“chelation”)
Disolucion
• Rompimiento de un mineral en sus iones o moleculas,
en el agua. Proceso fundamental de meteorizacion.
• Le da mobilidad a los iones y los hace accesibles a
otros procesos the meteorizacion quimica.
• Aumento en solubilidad de materiales cristalinos con
el aumento en T resulta del aumento en velocidad
molecular por el calentamiento.
• La circulacion acelera la disolucion, removiendo iones
disueltos de las cercanias de la superficie mineral y
sustituyendolos con agua fresca.
Cont. Disolucion
• En algunas reacciones de disolucion todos los iones
liberados permanecen en solucion (congruente) y en
otras algunos de los iones se recombina para
precipitar un nuevo compuesto (incongruente).
– Disolucion de calcita (congruente) es importante
porque el CO2(g) se disuelve facilmente en la lluvia,
formando un acido debil (acido carbonico), que es muy
importante para la meteorizacion quimica,
especialmente en zonas de carso.
– Disolucion de feldespatos en minerales arcillosos
(incongruente)
Disolucion de halita
Oxidacion/Reduccion
• Ox ocurre cuando un ion en una estructura
mineral pierde un e- a un ion de oxigeno.
– En minerales formadores de roca que son ricos en
Fe: reacciones de ox envuelven la conversion de
Fe++ a Fe +++, por la combinacion con O2 en
presencia de H2O.
– Reacciones rapidas y dejan una cubierta amarilla,
marron o rojiza en las superficies de las rocas.
– Ej. silicatos ferrosos (oliv, px, amph, biot) forman
hematita (casi insoluble) y oxidos de Fe acuosos
Cont. Oxidacion/Reduccion
• Ox ocurre en rocas recien expuestas y forma
cortezas de meteorizacion (“weathering rinds”)
que aumentan de tamano con el tiempo.
• Remocion de Fe de los minerales tambien
contribuye a hacerlos mas susceptibles a otros
procesos.
• Reduccion es el proceso opuesto, pero esta
restringido a zonas bajo el nivel freatico.
Reacciones de intercambio de iones
• Envuelven la sustitucion de iones en minerales por
iones en solucion sin rearreglar la estructura mineral.
– Cationes que mas se intercambian: H+, K+, Na+, Ca++, Mg++,
Fe+++, Si++++, Al+++
– Mobilidad de cationes se expresa por el
Potencial Ionico (IP) = Z/r
• IP<3: pueden permanecer en solucion
• IP>3: se precipitan en hidroxidos
– Los cationes intercambiables estan aguantados por
absorpcion en la superficie de coloides.
– La poblacion cationica de minerales arcillosos refleja la
concentracion de cationes en las aguas que los rodean. Cada
mineral arcilloso tiene una capacidad de intercambio de
cationes diferente.
Hidrolisis
• Adicion quimica de iones de H+ y OH- en agua a
la estructura interna de un mineral para producir
un nuevo mineral.
• Iones de H+ son los que atacan y sustituyen a
otros cationes.
• Proceso favorecido por el abastecimiento de H+ y
la remocion de los productos de reemplazo.
Cont. Hidrolisis
• Condiciones que favorecen la hidrolisis:
– Lixivacion (leaching) repetida por H2O fresca
– Introduccion de H+, que se combinan con iones
OH-, removiendolos del H2O, y desplazan cationes
de sus estructuras.
– Precipitacion de iones como compuestos
relativamente insolubles
– Remocion de iones en complejos organicos
– Absorpcion y asimilacion de los productos por
plantas y animales
– Absorpcion de los productos por sustancias
coloidales
Hidrolisis por plantas
• Iones de H+ liberados en el metabolismo de
plantas son concentrados en sus raices,
donde son intercambiados por cationes
metalicos.
Carbonacion
• Minerales que contienen Ca, Mg, Na o K son cambiados a
carbonatos por la accion del acido carbonico (H2CO3).
• Atmosfera - 0.03% CO2 - se disuelve en H2O para formar
H2CO3 debil que puede disolver muchos compuestos mas que
el agua pura.
• CO2 tambien es anadido al agua subterranea por actividad
biologica en el suelo.
• CO2 es mas soluble en agua fria y en P altas.
• [CO2] aumenta hasta que CaCO3 sea precipitado en el suelo,
desarrollando horizontes ricos en carbonato.
• El proceso facilita la hidrolisis intensificada en presencia de
H2CO3.
Hidratacion
• Combinacion con H2O. Ej. cambio de anhidrita
(CaSO4) a yeso (CaSO4 . 2H2O).
– Causa una expansion estructural
– Afecta la desintegracion granular de rocas igneas y
metamorficas de grano grueso
• Otra forma de hidratacion es la absorpcion de
moleculas de H2O a la superficie de coloides por
cargas debiles y residuales. Ej. montmorillonite.
• Hidratacion a veces sucede junto con la carbonacion
durante la descomposicion. Ej. meteorizacion de
feldespato an arcilla (caolinita).
Quelacion (Chelation)
• Reaccion de equilibrio entre un ion metalico y un
agente complejo, caracterizado por formacion de mas
de un enlace entre el metal y la molecula del agente
complejo, y resultando en la formacion de una
estructura en forma de anillo incorporando el ion
metalico.
• En este, metales ionicos (Fe, Al) que normalmente
son inmobiles durante meteorizacion, se envuelven en
las reacciones bajo condiciones que normalmente no
resultarian en su mobilizacion.
Cont. Quelacion
• La mayoria de los agentes de quelacion son
sustancias organicas producidas por procesos
biologicos en el suelo y por liquenes creciendo
en las rocas.
• Los liquenes secretan agentes de quelacion
que afectan las rocas en las cuales crecen y
aumentan la meteorizacion.
– Ej. se ha encontrado mas meteorizacion en
basaltos cubiertos por liquenes que en los que no
Controles de velocidad y
caracter de la meteorizacion
(1) Roca madre
(2) Estabilidad mineral
(3) Clima
(4) Vegetacion
(5) Topografia
(6) Tiempo
(7) Rapidez de meteorizacion (rates)
Roca madre (“parent material”)
• Prop. fisicas + quimicas del bedrock que esta siendo
meteorizado
• Diferencias en resistencia de roca madre - controladas
por resistencia de sus minerales, ej. qtz en arenisca y
cuarcita
• Resistencia al ambiente local, ej. calizas y marmol
(mayormente calcita)-solubles en climas humedos (con
aguas carbonatadas), muy resistentes en aridos
• Rasgos (ej. estratificacion, diaclasamiento, porosidad)
afectan: permiten percolacion de H2O a traves de roca
• Importancia de roca madre disminuye a medida que el
residuo de meteorizacion cambia a un producto (suelo)
Estabilidad mineral
• Minerales muy solubles (halita, yeso, calcita,
aragonita, dolomita): los menos resitentes a met.
quim.
• Minerales productos de met. quim.: los mas
resitentes (ej. ilita, caolinita, montmorilonita,
hematita)
• Algunos minerales accesorios (ej. rutile, corundum)
son muy resitentes porque son bastante inertes y
tienen solubilidades bien bajas
Cont. Estabilidad mineral
• Silicatos (~84% de atomos en minerales
formadores de roca): resistencia controlada por
los enlaces, tetraedros formando cadenas
simples, dobles, laminas o redes
tridimensionales
• Orden de met quim de silicatos = orden de
cristalizacion (Bowen’s reaction series)
Estructuras tetraedrales - silicatos
Meteorizacion de silicatos comunes
Cont. Estabilidad mineral
• Tamano de granos
– Rocas de cristales gruesos a menudo
muestran caracteristicas de meteorizacion
mas desarrolladas que aquellas de cristales
pequenos
• Presencia de mineral debil causa
disminucion en resitencia
Clima
• Establece condiciones de T y humedad en
superficie – control principal de
meteorizacion a largo plazo
• Patron mundial de tipos de suelo refleja la
zonacion de climas
• Ambiente optimo: altas T + alta humedad
Vegetacion
• Depende mucho del clima
• Cantidad y tipo afecta la razon de la cantidad de H2O
que penetra la tierra a la cantidad que se derrama
(runs off) en la superficie. Mas vegetacion – inhibe
runoff, mas met. quim. y desarrollo de suelo
• Importante factor en formacion de suelo: retencion de
H2O promueve met. quim. en el suelo, accion de
raices promueve rompimiento mecanico del bedrock,
acidos organicos atacan la roca quimicamente,
material organico de la desintegracion de plantas es
anadida al suelo.
Topografia
• Elementos importantes: altura + pendiente
– Ej. (1) congelacion-deshielo en areas polares, (2) en
alturas menores: menos vegetacion, menos congelaciondeshielo, mas met. quim.
• Afecta el drenaje -- afecta cant. de H2O disponible
para meteorizacion
• Infiltracion inversamente propocional a pendiente
• Runoff directamente relacionado a pendiente
• Aspecto de la pendiente (hacia donde se dirige)
Relacion topografia-grosor suelo
Tiempo
• Afecta la cantidad de meteorizacion
• Equilibrio se alcanza: productos de
meteorizacion se remueven a la misma
razon que son formados
• 2 extremos:
– Un acantilado vertical con capa fina de granos
meteorizados
– Suelo residual grueso y bien formado en una
superficie de pendiente suave
Rapidez (rates) de meteorizacion
• Estimados de rates a corto plazo:
– Estudios experimentales (rapidez de muchos
procesos quimicos disminuyen con el tiempo)
– Estudios de meteorizacion de lapidas,
monumentos y construcciones datadas
– Estudios de elementos disueltos en corrientes
• Estimados de rates a largo plazo
– Estudios de muestras geologicas datadas
Lapidas: granito vs. marmol
Efectos de meteorizacion
•
•
•
•
•
•
•
Formacion de arcillas
Desintegracion granular
“Weathering pits”
Meteorizacion esferoidal
Formacion de picos de roca (“tor formation”)
Meteorizacion cavernosa
Formacion de suelos
Minerales arcillosos
• Silicatos hidratados de Al, Fe y Mg arreglados
en laminas de octaedros de Si y alumina
(filosilicatos o silicatos en capas)
• Estructura basica
• Filosilicatos de capa 1:1 – caolinita, haloisita
(estructura no expande en presencia de H2O,
baja capacidad de intercambio de cationes)
Cont. Minerales arcillosos
• Filosilicatos de capa 2:1 – esmectitas (ej.
montmorilonita, enlaces debiles, intercambio
de H2O y cationes, se expanden al mojarse);
micas (ej. ilita, enlaces + fuertes, capacidad de
intercambio de cationes y expansion al mojarse
intermedias)
• Filosilicatos de capa 2:1:1 – clorita (enlaces
fuertes, no hay expansion)
Desintegracion granular
• De rocas cristalinas de grano grueso -- forma
fragmentos esparcidos de granos
meteorizados: grus
• Ej. DG de rocas sedimentarias clasticas –
arenizca – a traves de meteorizacion y solucion
del cemento
“Weathering pits”
• Depresiones en forma de platillo
grabadas en la roca por la DG y la
fisuracion de laminas delgadas de roca
• Comun en terrenos graniticos
Meteorizacion esferoidal
• Produce formas redondeadas o esfericas: cuando
el H2O ataca fragmentos rocosos angulosos a
traves de las grietas. Las esquinas son afectadas
mas facilmente por su mayor area de superficie.
• Descamacion esferica: capas externas se
desprenden y la met. quim. penetra mas en roca
– PQ? Minerales se meteorizan a arcillas, aumentando
tamano (por adicion de H2O) y ejerciendo fuerza al
exterior debilitando la roca y causando el
desprendimiento de capas concentricas
Meteorizacion
esferoidal
de roca
diaclasada
“Tors” (pico de roca, “pinnacle”)
• Afloramientos que se levantan solos como
torres de rocas con alturas de metros a
decenas de metros
• Rasgos residuales – desarrollados por la
remocion de la roca que los rodea
(meteorizada y descompuesta)
Meteorizacion cavernosa
• Forma huecos (“tafoni”) poco separados,
parecido al queso suizo o celdas de un panal
– estructura llamada rejilla de piedra (“stone
lattice”)
• Meteorizacion alveolar o de panal – opuesto
a meteorizacion esferoidal
Desarrollo de suelos
• Residuo de met. que ha sido diferenciado en horizontes
con la profundidad
• Clima + tiempo: factores importantes
• Perfiles de suelos sobre roca madre – horizontes se
desarrollan por:
– Acumulacion de materia organica
– Lixivacion de roca madre al punto que grandes cantidades de
minerales y sus productos de met. se han removido
– Acumulacion de material organico (humus) en parte superior
– Acumulacion de productos de met. en profundidad
Principales componentes del suelo:
½ volumen – mezcla de roca desintegrada y descompuesta
(materia mineral) + humus; ½ volumen – espacios porosos
entre particulas solidas donde circula H2O y aire
Perfil del
suelo ideal
Horizontes
• Horizonte O (negro)
– acumulacion de mat. organica debajo de vegetacion
– caracterizado por material de plantas descompuesto
• Horizonte A (marron)
– compuesto por materia mineral
– actividad biologica: se encuentra humus, a veces
hasta 30%
– Zona de lixivacion: percolacion de H2O hacia abajo
remueve elementos del A y los lleva al B
Cont. Horizontes
• Horizonte B
– Zona de acumulacion: material acumulado por
percolacion hacia abajo de la capa de encima
– Horizonte Bt se desarrolla: acumulacion de
particulas arcillosas finas, color marron rojizo (por
oxidos de Fe)
– regiones aridas-semiaridas: evaporacion de H2O
puede precipitar CaCO3 (caliche) – horizonte Bk
Cont. Horizontes
• Horizonte C
– roca madre parcialmente alterada – no ha pasado
por la lixivacion y acumulacion al grado de otros
horizontes
– bloques o fragmentos angulares, grus, piedras
esferoidales – encima de roca madre (Horizonte R)
Madurez del suelo
• Estado estacionario de desarrollo,
independiente del tiempo, alcanzado a medida
que la formacion de suelo decelera
• Suelo maduro – uno en el que una serie de
horizontes con caracteristicas bien definidas
han sido producidos por meteorizacion
• Grosor del suelo – inversamente proporcional a
intensidad de erosion
Erosion del suelo:
(A) 1 mm de suelo perdido produce ~5 tons,
(B) erosion en surcos o hondonadas
Paleosuelos
• Suelos antiguos que han sido removidos de la zona de
formacion de suelo, usualmente por enterramiento
por sedimentos mas jovenes
• Preservacion depende: grado original de
diferenciacion entre horizontes + proteccion contra
danos por los procesos que llevaron al enterramiento
• Delinean disconformidades + representan una
superficie que ha sobrevivido lo suficiente para ser
meteorizada a un tipo de suelo distintivo
• Estudios de evolucion de terrenos, condiciones
ambientales (climas) y vegetacion
• Otras aplicaciones: pausas en actividad volcanica
(dataciones)
Clasificacion de suelos
• Agrupados por caracteristicas de sus perfiles
en “series de suelo”
• No hay un sistema reconocido mundialmente
• EU – usa el sistema SCS o 7th Approximation
– 10 ordenes de suelos, subdivididos en 47
subordenes, etc. etc. etc.