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.

PRODUKTY WIETRZENIA

Powstawanie różnych produktów wietrzenia determinowane jest przez szereg czynników

działających podczas tego procesu. Ogólne warunki powstawania różnych produktów rozpadu ilustruje poniższy schemat:

Produkty wietrzenia ogólnie dzieli się na :

1. minerały ilaste,

2. tlenki i wodorotlenki glinu, żelaza, tytanu i krzemu (tzw. trwałe produkty końcowe rozpadu),

3. uwolnione jony.Minerały ilaste oraz tlenki żelaza i glinu (najczęściej uwodnione) stanowią najbardziej rozdrobnioną koloidalną fazę gleby. Są one najaktywniejszymi składnikami mineralnej frakcji gleby i posiadają ogromne znaczenie w kształtowaniu szeregu jej właściwości. Zagadnienia związane z mineralogią tych związków stanowią oddzielną, skomplikowaną gałąź wiedzy, wciąż jeszcze nie do końca poznaną. Na stronach poświęconych minerałom ilastym oraz tlenkom żelaza, glinu i tytanu podano wiadomości dotyczące ich budowy, cech makroskopowych oraz występowania. Poniżej przybliżone zostaną zagadnienia związane z ich genezą i specyficznymi właściwościami.

I. Geneza minerałów ilastych. Wtórne minerały glinokrzemianowe powstały w większości

z takich minerałów pierwotnych jak skalenie, miki, amfibole i pirokseny. Istnieją dwie drogi powstawania minerałów wtórnych:

• stosunkowo niewielkie przekształcenie fizyczne minerałów pierwotnych,

• całkowity rozpad minerałów pierwotnych i rekrystalizacja minerałów wtórnych z niektórych produktów tego rozpadu.

Przekształcanie minerałów może być inicjowana przez reakcje chemiczne, w wyniku których następuje usuwanie pewnych rozpuszczalnych składników z sieci krystalicznej i zastępowanie ich przez inne. Przykładem tego typu przekształcenia może być proces przeobrażania muskowitu w uwodnioną mikę. Muskowit posiada bardzo sztywną sieć krystaliczną o stosunku warstw tetraedrycznych do oktaedrycznych 2:1. W trakcie procesu wietrzenia następuje uwolnienie pewnej ilości potasu z sieci krystalicznej i wnikanie na jego miejsce cząsteczek wody. Sieć krystaliczna rozluźnia się i traci sztywność. Jednocześnie w pakietach strukturalnych następuje wzrost ilości krzemu w stosunku do glinu. W ten sposób dochodzi do powstania illitu, co w uproszczony sposób można przedstawić następująco:

K₂Al₄(Al₂Si₆)O₂₀(OH)₄ + Si⁴⁺  K_0,2(K_0,8)Al₄(AlSi₇)O₂₀(OH)₄ + K⁺ + Al³⁺

muskowit + krzem  illit + glin

K_0,2 reprezentuje potas wymienny, natomiast K_0,8 - potas związany półsztywno pomiędzy pakietami krzemianowymi. W powyższej reakcji zachodzi uwalnianie potasu i glinu przy niewielkich zmianach chemicznych, powodujących jednak rozluźnienie sieci krystalicznej i zapoczątkowanie właściwości wymiennych przy niewielkich zmianach struktury krystalicznej minerałów pierwotnych. W wyniku tych przekształceń podstawowa jednostka kryształu zachowuje trójwarstwowy typ budowy (stosunek 2:1). Dalsze uwalnianie potasu i podstawianie niektórych atomów glinu przez magnez prowadzi do powstawania montmorillonitu. Przykłady te ukazują strukturalne podobieństwo różnych minerałów ilastych. W wyniku stopniowego przechodzenia od jednego minerału do drugiego może dochodzić do powstawania minerałów przejściowych, nazywanych mieszanopakietowymi (tzw. minerały interstratyfikowane). Posiadają one właściwości pośrednie pomiędzy dwoma grupami minerałów, od których pochodzą ich nazwy, np. "illito-montmorillonit", "chloryto-illit" itp.

Krystalizacja minerałów ilastych z rozpuszczalnych produktów wietrzenia innych minerałów wydaje się bardziej istotna dla ich genezy niż powstawanie na drodze fizycznych przekształceń. W takich warunkach dochodzi do formowania kaolinitu, krystalizującego z roztworów zawierających rozpuszczalne związki glinu i krzemu. Proces ten prowadzi do całkowitej przebudowy struktury minerałów pierwotnych i jest wynikiem znacznie bardziej intensywnego wietrzenia niż omówiony powyżej proces przekształcania. Rekrystalizacja umożliwia powstanie wielu różnych minerałów ilastych z danego minerału pierwotnego, w zależności od działających czynników wietrzenia oraz rodzaju jonów obecnych podczas krystalizacji w roztworze.
Poszczególne minerały ilaste różnią się miedzy sobą genezą. Uwodnione miki, których przedstawicielem jest illit mogą powstawać zarówno na drodze przeobrażenia mik (łyszczyków), jak i na drodze rekrystalizacji w środowiskach bogatych w potas z produktów rozpadu minerałów takich jak skalenie. Chloryty powstają w wyniku przeobrażenia zasobnego w magnez i żelazo biotytu - minerału należącego do grupy łyszczyków. Dalsze przeobrażanie i wietrzenie chlorytów prowadzić może do powstawania illitu lub wermikulitu, który w następnej kolejności przechodzić może w montmorillonit. Powstawanie montmorillonitu związane jest z warunkami niezbyt silnego wietrzenia, słabo kwaśnym lub alkalicznym odczynem środowiska i obecnością nadmiaru magnezu. Może on powstawać przez rekrystalizację z różnych minerałów pierwotnych, a także w wyniku przeobrażania innych minerałów ilastych, np. chlorytu, illitu i wermikulitu. Kaolinit reprezentuje najbardziej zaawansowane stadium wietrzenia. Powstaje on w wyniku rozkładu krzemianów w środowisku kwaśnym bądź silnie kwaśnym, ubogim w kationy zasadowe. Rozpuszczalne związki glinu i krzemu mogą w odpowiednich warunkach rekrystalizować, tworząc kaolinit. Rozkład kaolinitu prowadzi do powstania tlenków glinu i rozpuszczalnej krzemionki.

II. Źródło ujemnych ładunków w minerałach ilastych. Na stronie poświeconej minerałom

ilastym, jako jedną z charakterystycznych cech tych minerałów wymieniono ich elektroujemność. Istnieją dwie możliwości powstawania ładunków ujemnych towarzyszących cząstkom minerałów ilastych:

1. na krawędziach sieci krystalicznej minerałów ilastych znajdują się grupy hydroksylowe (-OH), związane z atomem krzemu lub glinu. Wchodzący w ich skład wodór związany jest z tlenem dość luźno (prawdopodobnie kowalentnie) i przy wysokich wartościach pH wykazuje tendencje do oddysocjowywania. Powierzchnia koloidu uzyskuje w ten sposób ładunek ujemny (niezrównoważony ładunek ujemny tlenu), który zrównoważony zostaje wskutek przyłączenia kationu zasadowego. Zjawisko to jest typowe dla minerałów ilastych o sieci dwuwarstwowej (typu 1:1). Również minerały o budowie trójwarstwowej wykazują podobne właściwości, zwłaszcza na narożach i krawędziach zniszczonych struktur krystalicznych. Powstałe w ten sposób ładunki ujemne są - przynajmniej częściowo - zależne od pH. W glebach średnio i silnie kwaśnych siła wiązania kowalencyjnego łączącego wodór z tlenem jest znaczna i ujemne ładunki na powierzchni sieci krystalicznej nie ujawniają się. Przy odczynie od pH 6 wzwyż siła wiązania kowalencyjnego słabnie i wodór może być łatwo zastępowany przez inne kationy.

2. W sieci krystalicznej minerałów ilastych może dochodzić do tzw. izomorficznych podstawień jonowych. Istotą tego procesu jest zastępowanie danego atomu sieci krystalicznej innym, posiadającym zbliżony promień jonowy. W warstwie tetraedrów atom Si⁴⁺ może być podstawiany przez atom Al³⁺, natomiast w warstwie oktaedrów atom Al³⁺ może być podstawiany przez atomy Mg²⁺ lub Fe²⁺. W obu wypadkach pojawia się jedna wolna wartościowość ujemna. W przeciwieństwie do ładunków występujących na krawędziach kryształów, ładunki powstałe wskutek izomorficznych podstawień nie zależą od pH i określane są jako ładunki trwałe. Zjawisko podstawiania jonów występuje prawdopodobnie we wszystkich minerałach ilastych typu glinokrzemianowego, jednak ilość powstających ładunków ujemnych jest największa w minerałach o budowie trójwarstwowej.
   Zdolność minerałów ilastych do wymiany kationów z roztworem glebowym decyduje o ich ogromnym znaczeniu w kształtowaniu właściwości sorpcyjnych gleby. Stanowią one, obok związków próchniczych, podstawowy składnik kompleksu sorpcyjnego gleby. Na zdolności sorpcyjne gleb wpływ ma nie tylko ilość minerałów ilastych, ale także ich jakość. Ilość kationów sorbowanych przez minerały ilaste zależy bowiem od ich powierzchni właściwej. Poszczególne minerały ilaste różnią się między sobą właściwościami, co ilustruje poniższa tabela:

Minerał	Odległość międzypakietowa (nm)	Rodzaj struktury - pakiety	Powierzchnia właściwa m^2 ^. g^-1	Pojemność wymienna kationów mmol /100g
Kaolinit	0,72	1:1 - nie rozszerzająca się	14 - 23	0 - 15
Haloizyt	0,72	1:1 - nie rozszerzająca się	102	5 - 15
Hydrohaloizyt	1,01 - 0,95	1:1 - kurczące się	430	5 - 50
Illit	1,00	2:1 - nie rozszerzająca się	67 - 100	5 - 40
Wermikulit	1,40 - 1,50	2:1 - częściowo rozszerzająca się	10 - 300	100 - 170
Montmorillonit	0,96 - 2,14	2:1 - rozszerzająca się	600 - 800	60 - 130
Allofany	--------	bezpostaciowe	260	50 - 200

III. Tlenki i wodorotlenki żelaza glinu i tytanu. Badanie tej grupy minerałów jest jeszcze

bardziej skomplikowane niż badanie minerałów ilastych. Prawdopodobnie wykazują one podobne do minerałów ilastych właściwości: posiadają budowę krystaliczną, są nośnikami ładunków ujemnych i mają zdolność do wymiany kationów z roztworem glebowym. Ilość ujemnych ładunków jest jednak mniejsza niż w przypadku minerałów ilastych, dlatego też zdolności sorpcyjne tych minerałów są mniejsze. Tlenki i wodorotlenki żelaza, glinu i tytanu występują w glebie w postaci koloidalnego filmu, swoistego "płaszcza" na powierzchni cząstek mineralnych. Są bardzo trudne zarówno do wyseparowania jak i do zidentyfikowania. Wszystkie są skrajnie słabo rozpuszczalne w normalnych roztworach glebowych (pH 4 - 9) - ich rozpuszczalność mierzy się w milimolach na litr roztworu. Najbardziej pospolitymi minerałami należącymi do tej grupy są:

• tlenki i wodorotlenki żelaza - hematyt, getyt, limonit

• tlenki i wodorotlenki tytanu - anataz, rutyl

• tlenki i wodorotlenki glinu - diaspor i gibbsyt

• tlenki i wodorotlenki krzemu - chalcedon i opal

IV. Uwolnione jony. W procesie wietrzenia dochodzi do uwolnienia ze zniszczonych struktur krystalicznych szeregu jonów: magnezu, potasu, wapnia, fosforu, żelaza i in. Jony te zostają włączone do biogeochemicznego obiegu pierwiastków. Część z nich ulega wymyciu, część zaś wykorzystywana jest jako składniki pokarmowe roślin oraz w tworzeniu struktur krystalicznych minerałów wtórnych.

CZYNNIKI WPŁYWAJĄCE NA PROCESY WIETRZENIA

Przebieg i dynamika procesów wietrzenia warunkowana jest oddziaływaniem szeregu

czynników. Czynniki te decydują o charakterze zachodzących przemian, rodzaju powstających produktów wtórnych oraz dominujących w danych warunkach procesach fizycznych bądź chemicznych. Najistotniejszy wpływ na procesy wietrzenia posiadają następujące czynniki:

1. Klimat. Klimat jest najistotniejszym czynnikiem wietrzenia. Opady atmosferyczne dostarczają wody niezbędnej do przebiegu reakcji chemicznych i odpowiedzialnej za wymywanie składników rozpuszczalnych. Temperatura natomiast, zgodnie z regułą van't Hoffa, wpływa na szybkość przebiegu reakcji. Wpływ klimatu można szczególnie jasno zobrazować na dwóch skrajnych przykładach: terenów pustynnych i obszarów tropikalnego lasu deszczowego. W warunkach klimatu pustynnego zaznacza się wyraźna przewaga parowania nad opadami. Pojawiająca się woda opadowa może w czasie przesiąkania penetrować skały, jednak następujący po opadach długotrwały okres suszy powoduję szybki powrotny podsiąk wody, a w rezultacie jej wyparowywanie. Zwierciadło wody gruntowej znajduje się zwykle na znacznej głębokości, dlatego pewna ilość niesionych przez wodę składników nie ulega wypłukaniu, lecz powraca z nią na powierzchnię. Wobec braku wody wszelkie reakcje chemiczne ulęgają zahamowaniu. Dominują procesy wietrzenia fizycznego, a powstająca zwietrzelina składa się głównie z nieprzekształconych (lub częściowo tylko przekształconych) minerałów pierwotnych. Odznacza się ona wysoką zawartością soli, takich jak gips i węglany oraz zasadowym odczynem (pH 7,5 - 9,5). W tak niekorzystnych warunkach rozwój roślin jest skrajnie utrudniony, jeśli nie niemożliwy, dlatego też obszary pustynne charakteryzują się dodatkowo ogólnym brakiem substancji organicznej. Warunki silnie oksydacyjne sprzyjają pozostawaniu żelaza w formie utlenionej, co nadaję powierzchni skał zabarwienie czerwonawe, brązowe lub żółtawe. Charakterystycznymi produktami wtórnymi są tu montmorillonit, illit i chloryt, a najczęściej formy mieszanopakietowe tych minerałów. Kaolinit pojawia się tylko tam, gdzie obecny był w skale macierzystej i pozostał w stanie nieprzekształconym. Zupełnie inaczej sytuacja przedstawia się na obszarach tropikalnego lasu deszczowego. Znaczna przewaga ruchu zstępującego wody i wysokie temperatury silnie stymulują przebieg reakcji chemicznych. Zachodzi tu intensywna hydroliza i przemieszczanie rozpuszczalnych składników wgłąb, do lustra wody gruntowej. Obfite i częste opady sprawiają, że lustro wody gruntowej znajduje się bardzo płytko, w związku z czym większa część strefy wietrzenia jest całkowicie nasiąknięta i pozostaje w stanie zredukowanym. Bujna wegetacja prowadzi do nagromadzenia się ogromnych ilości materii organicznej, co w połączeniu z wymywaniem kationów zasadowych obniża, pH środowiska do wartości 3,5 - 5,5. W takich warunkach wietrzenie chemiczne zachodzi bardzo gwałtownie. Strefa wietrzenia sukcesywnie zubażana jest w kationy zasadowe i krzemionkę. Dochodzi do nagromadzenia trwałych produktów końcowych rozpadu - minerałów o wysokiej zawartości glinu (kaolinit, gibbsyt i boehmit) oraz tytanu (rutyl i anataz).

2. Cechy fizyczne skał. Przebieg wietrzenia jest w znacznym stopniu determinowany przez cechy fizyczne skał, głównie zaś przez ich teksturę, rodzaj lepiszcza, oraz twardość i wielkość cząstek.

   • Tekstura. Z teksturą skał związana jest ich przepuszczalność. Cech ta określa łatwość, z jaką woda może przenikać do wnętrza skały. Przepuszczalność skał zależy od dwóch czynników: przestrzeni pomiędzy poszczególnymi minerałami oraz rodzaju minerałów budujących skałę. Istniejące pomiędzy ziarnami mineralnymi pory umożliwiają wnikanie wody i rozpuszczonych w niej kwasów, co inicjuje szereg reakcji chemicznego rozpadu minerałów. Skład mineralny skały ma również duże znaczenie. Niektóre minerały wietrzeją łatwo, inne znacznie trudniej. Rozpad skały może być powodowany właśnie obecnością minerału wietrzejącego znacznie szybciej od swoich "sąsiadów". Taka sytuacja ma miejsce podczas wietrzenia granitu. Jednym z budujących go minerałów jest mało odporny na wietrzenie biotyt. Rozpad biotytu powoduje miejscowe "rzeszotowienie" skały, a w rezultacie jej dezintegrację do poszczególnych ziarn mineralnych.

   • Lepiszcze skał okruchowych. Rodzaj lepiszcza może istotnie wpływać na odporność skał na wietrzenie. Na przykład piaskowiec o łatwo rozpuszczalnym lepiszczu węglanowym szybko ulega rozpadowi do piasku. Obecność lepiszcza krzemionkowego znacznie zwiększa odporność skał na wietrzenie.

   • Twardość. Twardość i spójność skał wpływają przede wszystkim na początkowy okres wietrzenia. Cechy te decydują o łatwości rozdrabniania materiału do takich rozmiarów, które umożliwiają rozpad chemiczny. Takie skały jak zbite kwarcyty czy piaskowce o wolno wietrzejącym spoiwie, są odporne na wietrzenie fizyczne i posiadają małą powierzchnię ogólną, poddaną działaniu chemicznemu. W przeciwieństwie do nich, skały porowate, takie jak popioły wulkaniczne (tufy) czy wapienie, łatwo ulęgają rozpadowi na drobne cząstki. Ich powierzchnia ogólna ulega szybkiemu przyrostowi, co sprzyja przebiegowi reakcji chemicznych i przyspiesza proces wietrzenia.

   • Wielkość cząstek. Obecność w skale dużych kryształów różnych minerałów osłabia jej odporność na wietrzenie fizyczne. Dzieje się tak dlatego, że różne minerały wykazują różną zdolność do rozszerzania się i kurczenia pod wpływem zmian temperatury. Powstające wewnątrz skały naprężenia powodują tworzenie się pęknięć i szczelin, a następnie rozpad skał na minerały składowe. Wielkość cząstek wpływa również na chemiczne procesy rozkładu. Zazwyczaj rozdrobnienie fazy stałej przyspiesza wietrzenie chemiczne. Wynika to z faktu, iż materiał o wysokim stopniu dyspersji odznacza się dużą powierzchnią właściwą, a tym samym dużą powierzchnią chemicznej wymiany.

3. Właściwości chemiczne i budowa minerałów. Szybkość rozkładu minerału o danym uziarnieniu zależy od jego budowy chemicznej. Zależność tę przedstawić na przykładzie dwóch minerałów z grupy krzemianów: oliwinu i skalenia potasowego. Oliwin jest przedstawicielem krzemianów wyspowych, zbudowanych z oddzielnych tetraedrów, połączonych ze sobą za pośrednictwem jonów magnezu i żelaza. W obecności wody jony te są łatwo uwalniane i wymywane. Powierzchnia kryształu ulega zniszczeniu, a pozbawione kationowych mostków tetraedry zostają uwolnione. Wietrzenie postępuje dalej, aż do całkowitego rozkładu kryształu. Inaczej jest w wypadku skaleni alkalicznych, należących do grupy krzemianów szkieletowych. Pomimo iż głównymi składnikami tych minerałów są wysoce mobilne kationy K+ i Na+, wykazują one względną odporność na wietrzenie. Skomplikowana, szkieletowa struktura skaleni znacznie utrudnia uwalnianie kationów zasadowych. Aby doszło do ich uruchomienia, łańcuch tetraedrów musiałby ulec zerwaniu. Najsłabszymi ogniwami tego łańcuch są połączenia Si-O-Al. podatność skaleni zasadowych na wietrzenie wzrasta więc wraz ze wzrostem ilości izomorficznych podstawień krzemu przez glin w łańcuchu tetraedrycznym. Istotną rolę w kształtowaniu odporności minerałów na wietrzenie odgrywa też gęstość ułożenia jonów w sieci krystalicznej. Na przykład oliwin i biotyt, które stosunkowo łatwo wietrzeją, posiadają luźniejszą budowę krystaliczną niż minerały odporne na wietrzenia chemiczne, takie jak cyrkon, czy muskowit.

4. Warunki topograficzne. Wpływ warunków topograficznych na wietrzenie chemiczne ujawnia się poprzez zjawiska takie jak: spływ powierzchniowy i związany z nim stopień nawilżenia skał macierzystych, przesiąkanie wody w głąb i związane z nim wymywanie składników rozpuszczalnych oraz erozja produktów wietrzenia. Na stromych zboczach większość wody opadowej ulega odprowadzeniu ze spływem powierzchniowym. W tych warunkach jej oddziaływanie na skały jest znikome. Intensywnie zachodzą natomiast procesy erozji, wywoływanej przez płynącą wodę i wiatr oraz powierzchniowe ruchy masowe. W konsekwencji, procesy mechanicznej dezintegracji przebiegają znacznie gwałtowniej od procesów chemicznego rozkładu. Na terenach płaskich, nisko położonych, sytuacja wygląda inaczej. Spływ powierzchniowy jest znikomy, natomiast infiltracja osiąga maksimum. W takich warunkach swobodne przesiąkanie wody w głąb jest utrudnione. Rozpuszczalne składniki, uwolnione na drodze hydrolizy, pozostają w stagnującej wodzie, co działa hamująco na dalsze procesy rozkładu. Zwierciadło wody gruntowej znajduje się na niewielkiej głębokości, co prowadzić może do lokalnych wystąpień wody nad powierzchnię gruntu i tworzenia się bagien. Zainicjowany zostaje proces akumulacji substancji organicznej. Środowisko staje się bardzo silnie zredukowane. Wydaje się, że najbardziej sprzyjającymi terenami dla przebiegu procesów wietrzenia chemicznego są faliste lub lekko pochyłe wyżyny, gdzie spływ powierzchniowy nie jest zbyt duży, zaś swobodne przesiąkanie wody nie jest niczym hamowane. W takich warunkach strefa wietrzenia może sięgać do głębokości trzydziestu metrów, a nawet głębiej.