Zespół procesów niszczących skały pod wpływem czynników atmosferycznych.
Prowadzi do rozpadu skał, a to z kolei umożliwia rozwój procesów erozyjnych. Bez wietrzenia Ziemia nie posiadałaby gleb, czyli byłaby pozbawiona życia. Wiele złóż powstało w wyniku procesów wietrzeniowych (złota, żelaza, glinu, miedzi).
Wietrzenie jest zewnętrznym procesem niszczącym. Podobny efekt dają niektóre procesy wewnętrzne, których przykładem mogą być przeobrażenia hydrotermalne, czyli zmiana składu mineralnego skał pod wpływem roztworów hydrotermalnych. Wietrzeni możemy porównać z naszym ubiorem w zależności od pory roku. Chodzimy też na szagę zamiast ścieżkami. Chcemy zachować jak najwięcej energii. Minerały łączą się w taki sposób by zachować jak najwięcej energii. W wysokich temperaturach niektórym minerałom wygodnie jest być razem, ale gdy jest zimno wygodniej jest im być osobno. Minerały wykrystalizowane w najwyższych temperaturach są najbardziej podatne na rozpad, Większość skał magmowych i metamorficznych powstała w określonej temperaturze i ciśnieniu. I w tych warunkach były one w tzw. równowadze termodynamicznej. Zmiana jednego z parametrów (ciśnienia lub temperatury) wyzwala procesy, których celem jest powrót do równowagi. W efekcie powstają nowe formy związków chemicznych, czyli nowe minerały stabilne w nowych ciśnieniach i nowych temperaturach. Układ jest stabilny, gdy maksimum energii zostaje zachowana w tym układzie.
Wyróżniane są dwa podstawowe rodzaje wietrzenia: fizyczne i chemiczne
Podczas wietrzenia fizycznego następuje rozpad skał pod wpływem oddziałującego na nie ciśnienia, bez zmiany ich składu chemicznego. Podstawowe czynniki wietrzenia fizycznego to insolacja, zamróz, mechaniczne działanie krystalizujących soli mineralnych i mechaniczna działalność organizmów.
Wymogiem efektywności wietrzenia fizycznego, jest duża powtarzalność zjawiska. Proces musi odbywać się tysiące razy. Im szybciej tym szybsze jest zmęczenie materiału.
Insolacja ma szczególne znaczenie na obszarach pustynnych, podzwrotnikowych, gdyż tam obserwujemy największe amplitudy temperatur. Efektywność insolacji jest związana z tak zwaną anizotropią cech fizycznych minerałów. Większość cech fizycznych ma charakter wektorowy. Gdyby cecha we wszystkich kierunkach miała tą samą wartość mówilibyśmy o minerałach izotropowych (krystalizujące w układach regularnych- sześcian, bezpostaciowe). Większość minerałów krystalizuje w układach nieregularnych (heksagonalnym, trójskośnym, jednoskośnym itp.). Kiedy skała podlega nagrzaniu każdy minerał, rozszerza się o inną wartość w innym kierunku. Powoduje to wystąpienie tysięcy naprężeń, a każde ma inny wektor. Skała ulega dezintegracji, gdyż różnią się współczynniki rozszerzalności cieplnej. Skała przechodzi w gruz skalny. Drugim czynnikiem wpływającym na rozpad insolacyjny jest barwa minerałów. Minerały ciemne pochłaniają więcej światła, a więc więcej ciepła, bardziej się rozszerzają niż minerały jasne.
Przewodnictwo cieplne skały jest bardzo słabe. Z uwagi na to zakres zmian temperaturowych sięga zazwyczaj nie więcej niż kilkanaście milimetrów. W efekcie zewnętrzna powierzchnia skał ulega odspojeniu. Świadczy o tym głuchy oddźwięk przy uderzeniu młotkiem. Zewnętrzna powłoka odpada od wnętrza skał w pierwszej kolejności. Zjawisko skorupowego, czy też płytowego odpadania powierzchni skały nosi nazwę eksfoliacji.
Zamróz polega na zwiększaniu objętości przez wodę podczas zamarzania. Przy spadku temperatury, w temperaturze 4°C, woda z zaczyna wytwarzać wiązania charakterystyczne dla lodu. Gęstość w temp. 4 wynosi 1, w 0 gęstość wynosi 0,917 g/cm3, a objętość jest równa 1,09 cm3/g. W przedziale 0- 4 °C objętość wody wzrasta o około 9%. Efektem zamrozu jest dezintegracja skał. Efektywność zamrozu zależy od porowatości skał. Jest ona mała w granitach i duża w piaskowcach, odpowiedniej wilgotności powietrza i częstości zmian temperatury w zakresie punktu zamarzania wody. Proces ten ma zastosowanie w określaniu trwałości budynków architektury użytkowej i kulturowej. Szczególnie częsta zmiana naprzemiennego zamarzania i odmarzania ma miejsce w obszarach na granicy wiecznego śniegu. W naszych szerokościach geograficznych proces zamarzania i rozmarzania jest także częsty od późnej jesieni do wczesnej wiosny w strefie przygruntowej. Głębokość zamarzania w Polsce to średnio do 1,5 m. W wyższych szerokościach geograficznych zakres zamarzania gruntu jest większy (7 m). Na przedpolach lądolodów (Syberia, Alaska) występuje zjawisko stale zamarzniętego gruntu, które nosi nazwę wiecznej marzłoci. Zjawisko wiecznej marzłoci występuje na północ od rocznej izotermy wynoszącej -2°C. Izoterma ta przesuwa się ostatnio coraz bardziej na północ. W obszarach tych latem odmarza tylko wewnętrzna część gruntu, natomiast głębiej grunt jest stale zamarznięty. Zjawisko to występuje tylko na przedpolu lądolodu, nie pod nim !!! Czapa lodowa jest bowiem izolatorem. Część globu gdzie występuje zjawisko wiecznej zmarzłoci jest nazywana strefą klimatu peryglacjalnego. Z klimatem peryglacjalnym spotykamy się na obszarach podbiegunowych i wysokogórskich. W efekcie oddziaływania klimatu peryglacjalnego w obszarach górskich powstały piargi i rumosze skalne czy też gołoborza (góry Świętokrzyskie). Zakres strefy peryglacjalnej jest zmienny. Za Uralem zjawisko wiecznej marzłoci sięgało głębokości 400 metrów. W okolicach Bajkału sięga do 200 metrów. Bardzo często zamarznięty grunt pojawia się na dużych głębokościach. Zjawisko wiecznej marzłoci jest związane prawdopodobnie z okresem, gdy klimat był znacznie chłodniejszy niż współcześnie (plejstoceńska epoka lodowa – 10.000 lat temu). Jest to relikt tej epoki. Syberia i Alaska to najstarsze części kontynentów. Stopień geotermiczny jest największy. Ilość zwietrzeliny, rumoszu jest duża. Nie ma tam zjawisk wulkanicznych. Z obszarem wiecznej zmarzłoci jest związany szereg zjawisk, które noszą nazwy krioturbacyjnych. Do zjawisk tych należy np. soliflukcja. Polega ona na spełzywaniu osadu po przemarzniętym podłożu nawet przy minimalnym jego nachyleniu. Zjawisko to jest związane z dwoma czynnikami. Pierwszym czynnikiem jest przesiąknięcie powierzchniowej warstwy gruntu dużą ilością wody, która nie może wsiąkać w głąb ze względu na obecność lodu w podłożu (drugi czynnik). Lód nie tylko jest nieprzepuszczalny dla wody, ale również zmniejsza tarcie. Tego typu kopalny osad można rozpoznać po naprzemianległym ułożeniu grubszego, ostrokrawędzistego osadu oraz mas gliny. Naprzemianległe warstwowanie jest równoległe do spadku terenu.
Drugim zjawiskiem są kliny mrozowe- zwężające się ku dołowi szczeliny w gruncie, wypełnione grubiej ziarnistym materiałem. Takie kliny mrozowe możemy zobaczyć w glinach wielkopolskich, np. w Puszczykowie.
Trzecim zjawiskiem typowym dla obszarów peryglacjalnych są gleby poligonalne. Mają kształt wieloboków o średnicy kilku metrów, które przylegają do siebie na zasadzie plastrów miodu. Partie zewnętrzne wieloboków zawierają grubszą frakcję osadu. Geneza gleb poligonalnych, wiązana jest ze zmianą objętości gruntu przez zamarzający grunt. Z partii wybrzuszonych cięższe ziarna zsuwają się na zewnątrz. Gleby takie można zobaczyć także w Tatrach (schodząc z Kasprowego Wierchu w kierunku Hali Gąsienicowej).
Mechaniczne działanie soli związane jest ze strefą klimatu suchego. Wyługowywane okresowo substancje chemiczne w warunkach klimatu suchego, przy silnym parowaniu przemieszczają się ku powierzchni osadu na zasadzie podsiąkania kapilarnego, aby ostatecznie ulec wytrąceniu. Piaski na pustyni pokryte są skorupą węglanu wapnia. Skorupy mineralne powstałe na obszarach pustynnych to tak zwane caliche. Sole podczas krystalizacji wywierają ciśnienie. Zmianie anhydrytu (bezwodny) w gips (uwodniony) towarzyszy zwiększenie objętości o 60%, co wywołuje ciśnienie około 1 MPa na m2. Przejście siarczanu sodu w uwodniony siarczan sodu (x 10H2O) powoduje wzrost ciśnienia o 0,25 MPa.
Mechaniczna działalność organizmów polega na wywieranym przez nie ciśnieniu. Może być też to jedzenie skał przez małże.
Wietrzenie chemiczne powoduje rozpad skał w wyniku reakcji chemicznych, które w większości wypadków wymagają udziału wody. Duża łatwość rozpuszczania przez wodę większości substancji wynika z jej budowy wewnętrznej. Cząsteczka wody zbudowana jest z atomu tlenu oraz dwóch atomów wodoru. Przy czym kąt między wiązaniami wynosi 105 stopni i występuje tam ładunek dodatni. Z drugiej strony jest ujemny, woda przypomina więc magnes. W praktyce każdy materiał jest w jakiś sposób rozpuszczany przez wodę. Niektóre minerały mogą być całkowicie rozpuszczone. Najlepszym przykładem jest sól kamienna czyli halit. Większość substancji mineralnych łatwiej rozpuszcza się, gdy odczyn jest kwaśny lub zasadowy. Kalcyt słabo rozpuszcza się przy pH=7, a łatwo rozpuszczalny w odczynie kwaśnym. Za kwasowość wody odpowiada dwutlenek węgla, gdyż woda z dwutlenkiem węgla łączy się w H2CO3. Węglan wapnia i H2CO3 daje Ca 2+ + 2HCO3 -. Innym przykładem reakcji z zakwaszoną wodą, może być reakcja piroksenu:
MgSiO3 + H2O + H2CO3 Mg 2+ + 2HCO3 + MgSiO4.
Do najczęściej rozpuszczonych w wodzie substancji chemicznych należą poza dwutlenkiem węgla amoniak, kwas siarkowy (VI), kwasy humusowe i chlorki.
Istnieją dwa podstawowe typy reakcji chemicznych podczas wietrzenia chemicznego. Pierwszy to uwodnienie czyli hydratacja. Polega na reakcji minerału z jonami H+ lub OH- co prowadzi do powstania nowego minerału. Na przykład:
2 NaALSi3O8 + 2H2CO3 + 9H2O 2Na+ + 2HCO3- + 4H4SiO4 + Al2Si2O5(OH)4
Skaleń + zakwaszona woda sód + …………………………….+ kaolinit (minerał ilasty)
W tej reakcji następuje zastąpienie jonu sodu przez jon wodorowy. W przeciwieństwie do sodu, potas łatwo przyswajalny przez gleby i obecne w nich rośliny. Z kolei Ca bardzo łatwo ulega strąceniu, gdy woda przyjmie odczyn bardziej zasadowy. I dlatego do morza dostaje się głównie sód i woda jest słona.
Utlenienie to proces połączenia tlenu zawartego w powietrzu lub rozpuszczonego w wodzie z minerałem, w wyniku czego powstaje nowy minerał lub reakcja w wyniku której następuje podwyższenie wartości jednego z uczestniczących w tej reakcji pierwiastków . Szczególną rolę w tych procesach odgrywa żelazo który dąży do podwyższenia swojej wartości z +II na +III. Stąd też reakcje utlenienia zawierają dużą ilość Fe na plus dwa: oliwiny, pirokseny, amfibole, biotyt. Przykładem jest:
2Fe2SiO4 + H2O + O2 Fe2O3 + 2H2SO4
Na przykład zwietrzały biotyt przybiera złocisty kolor, jest nazywany kocim złotem i ma blaszkowy pokrój.
Skały podlegające zwietrzeniu zmieniają barwę. Mówimy o przebarwieniach. Niekiedy ulegają odbarwieniu. Koncentryczne przebarwienia nazywają się pierścieniami Liseganga. Takie obserwujemy w agatach.
Odporność minerałów na wietrzenia jest zróżnicowana. Najmniej odporne są sól, gips, piryt, kalcyt, dolomit. Potem zaczyna się sekwencja przypominająca szereg Bowena: oliwiny, plagioklazy wapniowe, pirokseny, amfibole, biotyty, plagioklazy sodowe, skalenie potasowe, muskowit, kwarc. Bardziej odporne są minerały ilaste, tlenki glinu i tlenki żelaza.
Najmniej odporne są minerały krystalizujące w najwyższej temperaturze. Minerały krystalizujące w najniższej temperaturze są najlepiej przystosowane do temperatury normalnej i w związku z tym najbardziej odporne na wietrzenie.
Do roztworów przechodzą przede wszystkim magnez, żelazo, wapń, potas i sód. Z oliwinów, piroksenów i amfiboli powstają tlenki żelaza. Ze skaleni i łyszczyków powstają minerały ilaste. Sól, kalcyt i dolomit ulegają rozpuszczeniu.
Większość alkaliów (sód, potas) oraz pierwiastków ziem alkalicznych (wapń, magnez) przechodzi do roztworów wzbogacając wody rzek, jezior i mórz. Pozostałe substancje mineralne, tworzące residuum ulegają względnemu wzbogaceniu w krzem i glin, tworząc minerały ilaste oraz wzbogaceniu w żelazo, tworząc tlenki i wodorotlenki żelaza.
Według przeprowadzonych kalkulacji wszystkie osady stanowiące produkt wietrzenia tworzą pokrywę grubości trzech kilometrów na dnach oceanów, pięciu kilometrów na szelfie i półtora kilometra na kontynentach. Z tego jedną trzecią stanowią minerały ilaste, które mogłyby pokryć całą Ziemię grubością dwóch kilometrów.
Wietrzenie podstawowych typów skał:
Procesy wietrzenia zależą od wielu czynników, przede wszystkim: składu mineralnego, klimatu oraz cech strukturalnych i teksturalnych skał. Z tego względu trudno jest sformułować generalne zasady dla poszczególnych typów skał. Piaskowce są bardzo odporne, jeśli mają spoiwo kwarcytowe i mało odporne jeśli mają spoiwo ilaste lub węglanowe. Dużą rolę odgrywa porowatość, wraz z którą rośnie podatność skały na wietrzenie fizyczne i chemiczne. Zwietrzony skaleń jest podziurawiony i daje minerały ilaste- kaolinit lub illit, o budowie podobnej do łyszczyków, ale mniejsze. Im większa jest porowatość tym większa powierzchnia skały podlega reakcji.
Wpływ klimatu: Granitoidy krystalizujące w głębi ziemi, są mało odporne na wietrzenie w warunkach powierzchniowych, a jeszcze mniej odporne są związane z płaszczem Ziemi perydotyty. Wietrzeniu granitoidów sprzyja tworzenie się spękań, bo zwiększa się powierzchnia wietrzenia. Najszybsze wietrzenie jest na narożach i krawędziach. Kostki poddane wietrzeniu przyjmują z czasem kształ kulisty. W warunkach klimatu tropikalnego takie formy noszą nazwę głów cukru (takie są też końskie łby w Szklarskiej Porębie). Granitoidy równoziarniste są mniej podatne na wietrzenie od granitoidów porfirowa tych.
Wietrzeniu skał granitoidowych i gnejsów towarzyszy często powstanie złóż skał ilastych- zwłaszcza złóż kaolinitowych. Złoża kaolinitowe dają skałę nazywaną kaolinem! (złoża kaolinitowe koło Bolesławca, na przedpolu gór Kaczawskich i Izerskich).
Bazaltoidy w przeciwieństwie do granitoidów są pozbawione kwarcu. Głównym produktem ich wietrzenia są minerały ilaste. Podobnie jak bazaltoidy zachowuje się szkliwo wulkaniczne. W obu wypadkach minerały ilaste stanowiące produkt wietrzenia należą do grupy tak zwanych smektytów, których głównym przedstawicielem jest montmorylonit. Wietrzenie bazaltoidów i szkliwa wulkanicznego jest szczególnie intensywne, gdzie skały te mają kontakt z wodą morską, a więc na dnach oceanów. Proces wietrzenia skał pod wpływem wody morskiej nosi nazwę halmyroliza. Głównym produktem halmyrolizy są smektyty, z montmorylonitem. Obecność pałygorskitu wskazuje na klimat suchy, glaukonit na środowisko szelfowe.
Wapienie są poddawane rozpuszczaniu. Proces ten prowadzi do powstawania zjawisk krasowych. Wszystkie zjawiska krasowe są związane z balansem wody i dwutlenku węgla. Jeśli jest dużo dwutlenku węgla węglan wapnia jest rozpuszczany. Jeśli woda zawiera mało dwutlenku węgla wytrąca się węglan wapnia. Woda zimna zawiera więcej dwutlenku węgla, dlatego wytąca się węglan wapnia.
Skały, które zostały dotknięte procesami wietrzenia występujące w zakresie od powierzchni terenu do głębokości na której pojawi się niezmieniona skała macierzysta określane są jako regolit. Mówiąc najprościej całą zwietrzelina to regolit. Nierozpuszczone w procesach wietrzenia substancje mineralne pozostając na powierzchni ziemi, tworzą osad rezydualny czyli eluwium. Górnym poziomem regolitu jest zazwyczaj gleba.
Glebę stanowią produkty wietrzenia skały macierzystej wymieszane w różnym stopniu z przeobrażoną substancją organiczną. Typ gleby warunkuje skład chemiczny i mineralny skały macierzystej, połączony z warunkami klimatycznymi danego obszaru. Klimat suchy- parowanie. Wilgotny- ługowanie.
Gleby powstałe w warunkach klimatu umiarkowanego charakteryzuje zazwyczaj podobny profil glebowy
A- poziom wymycia:
A0 -poziom opadłych liści szeroko rozumianej ściółki
A1- warstwa humusowa
A2- poziom eluwialny (warstwa odbarwiona, bielicowa)
B- poziom iluwialny (akumulacji), który jest strefą strąceń koloidów, czyli strefa wytrącania substancji, które zostały rozpuszczone w obrębie poziomu A. Jest to strefa tak zwanego orsztynu. W tej strefie pojawia się zazwyczaj poziom wód gruntowych, ponieważ ona zapewnia odpowiednie do strącenia koloidów zasadowe pH.
C- Poziom częściowo zmienionej skały macierzystej. Skała macierzysta to skała, która nie była poddawana procesom wietrzeniowym w miejscowym środowisku (a więc nie musi to być skała krystaliczna).
Poziom bielicy i orsztynu jest typowy dla wyższych szerokości geograficznych, a więc szeroko rozumianego klimatu umiarkowanego.
W warunkach klimatu tropikalnego, czyli bardzo wilgotnego, szybki rozkład roślinności uniemożliwia tworzenie się większych ilości humusu. Ponadto obfite opady powodują wymywanie humusu. Stąd gleby tych obszarów zawierają duże ilości minerałów ilastych, które z kolei podlegają tak zwanemu wietrzeniu laterytowemu. Po łacinie later oznacza cegłę. Produktem tegoż wietrzenia są tlenki i wodorotlenki glinu oraz żelaza. Wietrzenie laterytowe wymaga środowiska mocno zasadowego, gdyż tylko wówczas rozpuszczeniu podlega krzemionka, która musi być z minerałów ilastych odprowadzona. Szeroko rozumiane tlenki i wodorotlenki Fe i Al to lateryty. Odmianą zwietrzeliny laterytowej jest terra rossa, powstała jako eluwium skał wapiennych. Terra rossa zawiera w sobie różne ilości minerałów ilastych, tlenków i wodorotlenków żelaza oraz domieszkę pelitu kwarcowego oraz frakcji minerałów ciężkich. Pelit kwarcowy i minerały ciężkie są zazwyczaj pochodzenia eolicznego. Np. pył kwarcowy z Qumran pochodzi a Afryki. W kawernach kambryjskich wapieni w Wojcieszowie też są terra rosy.
W klimacie umiarkowanym suchym, stosunkowo mała ilość opadów uniemożliwia ługowanie humusu, co sprzyja powstawaniu czarnoziemów.
Z kolei klimat bardzo suchy, niezależnie od średnich temperatur, uniemożliwia rozwój roślinności, a tym samym gleb.
Klimat jest najważniejszym czynnikiem, kształtującym charakter regolitu. Rysunek pokazuje wpływ opadów i temperatury na wegetację. Wegetacja z kolei jest czynnikiem kształtującym głębokość gleb. Szerokości umiarkowane mają względnie dużo regolitu, ale jeszcze więcej mają szerokości równikowe. Bardzo mało regolitu jest w strefie zwrotnikowej i arktycznej.
10 – stopniowy wzrost temperatury dwukrotnie przyspiesza tempo aktywności biologicznej oraz wietrzenia chemicznego. Podstawowe reakcje chemiczne, czyli uwodnienie, rozpuszczenie i utlenianie wymagają obecności wody, a tym samym są związane z ilości opadów. Chodzi tu nie o całkowitą ilość opadów, lecz o ich intensywność, zmienność wraz ze zmianami pór roku, infiltrację podłoża, możliwość odpływu wody oraz tempo ewaporacji. Kolejnym istotnym czynnikiem jest pH roztworu. Na przykład żelazo przy odczynie pH równym 6 jest 100 tysięcy razy bardziej rozpuszczalne niż przy pH wynoszącym 8,5. Krzemionka może być rozpuszczalna tylko w warunkach pH silnie zasadowego. Rozpuszczalność glinu (minerałów ilastych) jest duża zarówno gdy środowisko jest mocno kwaśne, jak i mocno zasadowe, natomiast jest niewielka w zakresie pH równym 7.
Klimat ma wpływ na rodzaj wietrzenia. Przy niewielkich opadach wietrzenie jest słabe. W niskiej temperaturze dominuje wietrzenie fizyczne. W klimacie ciepłym dominuje wietrzenie chemiczne. W klimacie umiarkowanym wietrzenie chemiczne dominuje latem, a fizyczne zimą. Dominacja wietrzenia fizycznego rośnie wraz z szerokością geograficzną i wysokością.