Meteorización (“Weathering”)

1. Meteorización(“Weathering”) GEOL 4017: Cap. 3 Prof. Lizzette Rodríguez

2. 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.

3. 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.

4. 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.

5. Tipos de meteorizacion • Meteorizacion mecanica • Meteorizacion quimica

6. 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.

7. 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).

8. 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.

11. 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.

12. 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).

13. 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

15. 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.

16. 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

17. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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 congelacion-deshielo

22. 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.

24. 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 quimica- mente para formar compuestos mas estables.

26. 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.

27. Procesos de meteorizacion quimica • Disolucion • Oxidacion-reduccion • Intercambio ionico • Hidrolisis • Carbonacion • Hidratacion • Quelacion (“chelation”)

28. 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.

29. 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)

30. Disolucion de halita

31. 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

32. 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.

33. 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.

34. 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.

35. 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

36. Hidrolisis por plantas • Iones de H+ liberados en el metabolismo de plantas son concentrados en sus raices, donde son intercambiados por cationes metalicos.

37. 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.

38. 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).

39. 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.

40. 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

41. Controles de velocidad ycaracter de la meteorizacion • Roca madre • Estabilidad mineral • Clima • Vegetacion • Topografia • Tiempo • Rapidez de meteorizacion (rates)

42. 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)

43. 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

44. 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)

45. Estructuras tetraedrales - silicatos

46. Meteorizacion de silicatos comunes

47. 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

48. 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

50. 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.