WIETRZENIE

Zwietrzały granit

Wietrzenie - rozpad mechaniczny i rozkład chemiczny skał wskutek działania energii słonecznej, powietrza, wody i organizmów. Zachodzi na powierzchni Ziemi i w jej powierzchniowej strefie zwanej strefą wietrzenia (głębokość od kilku do kilkudziesięciu metrów). Produktem wietrzenia są między innymi zwietrzelina, rumowisko, glina zboczowa, arkoza.

Podział:

• wietrzenie fizyczne (mechaniczne)

• insolacyjne - zachodzi na skutek nasłonecznienia

• mrozowe - rozsadzanie skał przez zamarzający lód, powstają gołoborza, (Góry Swiętokrzyskie)

• salinarne - wysychanie roztworów i wytrącanie z nich kryształków soli

• odciążeniowe -zwietrzelina jest usuwana przez ruchy masowe spowodowane grawitacją (Góry Stołowe)

• wietrzenie chemiczne

• rozpuszczanie

• uwodnianie

• hydroliza

• utlenianie

• uwęglanowienie

• wietrzenie biologiczne

• rozsadzanie przez korzenie roślin

• kwasy z rozkładu materii organicznej

Proces rozsadzania skały przez lód to tzw. zamróz.

Produktem wietrzenia (zarówno fizycznego jak i chemicznego) jest zwietrzelina.

Intensywność i charakter wietrzenia zależą od rodzaju skały oraz od warunków klimatycznych (głównie od ilości wody oraz temperatury). W klimacie suchym (pustynnym) przeważa wietrzenie fizyczne. W klimacie gorącym i wilgotnym - wietrzenie chemiczne.

W wyniku wietrzenia fizycznego tworzą się skały okruchowe, wskutek wietrzenia chemicznego niektóre skały chemiczne jak na przykład boksyty, lateryty, terra rossa.

Procesy wietrzenia ułatwiają erozję. Powodują powstanie gleby i tworzenie swoistych form skalnych.

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.

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.

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.

Wietrzenie - proces przygotowawczy do ewolucji rzeźby.

• Wietrzeniem nazywamy proces przekształcania skał pod wpływem warunków fizycznych i chemicznych w przypowierzchniowej warstwie litosfery.

• Głównymi czynnikami sprawczymi procesów wietrzeniowych jest woda, temperatura, tlen, dwutlenek węgla, działalność organizmów żywych.

• Wietrzenie skał polega na ich rozdrabnianiu, rozkruszaniu, rozpuszczaniu i i następnie łączeniu w nowe związki chemiczne.

Zwietrzelina. Jej grubość zależy od rzeźby terenu, budowy geologicznej, klimatu, czasu trwania wietrzenia, aktywności tektonicznej, szaty roślinnej.

Procesy wietrzeniowe. Same nie tworzą form rzeźby, ułatwiają natomiast rozwój procesów rzeźbotwórczych takich jak procesy fluwialne, eoliczne, stokowe, glacjalne itp.

Podział wietrzenia skał ze względu na czynniki i procesy, które je powodują:

• wietrzenie fizyczne,

• chemiczne,

• biologiczne.

Wietrzenie fizyczne:

Wietrzenie insolacyjne (termiczne) powodujące rozpad skał na skutek (na przemian) ogrzewania i ochładzania. W lecie na skutek ogrzewania w dzień powierzchni skalnych ich temperatura dochodzi do 80^oC, w nocy spada do 20-30^oC, czyli dobowa amplituda przekracza 50^oC.

Złuszczanie skał (eksfoliacja).

Dezintegracja ziarnista.

Wietrzenie solne, zachodzi tam gdzie parowanie przekracza wielokrotnie opad.

Powoduje:

• osadzanie soli i wzrost ich kryształów w porach i szczelinach,

• wzrost kryształów soli na skutek hydratacji (uwadniania),

• wzrost objętości kryształów soli na skutek ogrzewania. Termiczna rozszerzalność halitu (sól kamienna) i granitu.

Lakier pustynny.

Wietrzenie mrozowe.

• Przy przechodzeniu wody w lód wzrost objętości (o 9%).

Pęcznienia osadów (szczególnie drobnoziarnistych),

• Przy gwałtownych spadkach temperatur poniżej -20^oC następuje wzrost o 4% gęstości lodu, lód pęka i gdy proces powtarza się wielokrotnie tworzy się sieć poligonalnych szczelin.

Wietrzenie skał ilastych poprzez na przemian uwadnianie i wysychanie.

Wietrzenie relaksacyjne.

Wietrzenie chemiczne:

Polega na łączeniu składników skalnych przy udziale powietrza i wody w nowe związki chemiczne oraz rozpuszczaniu i tworzeniu nowych związków.

Pojęcia:

• saprolit - skała zmieniona przez procesy wietrzeniowe, ale pozostająca

na miejscu, „in situ”.

• regolit - pokrywy wietrzeniowe przekształcone przez procesy stokowe.

• front wietrzeniowy - granica między skałami niezwietrzałymi, a

pokrywą wietrzeniową.

• kwaśne deszcze - dwutlenek siarki (SO₂) ulega w atmosferze utlenieniu

do SO₃ i po połączeniu z parą wodną (H₂O) powstaje kwas siarkowy

(H₂SO₄), który wraz z deszczem spada na ziemię. Niszczy powierzchnie

skalne i różne konstrukcje budowlane.

Znaczenie aplikacyjne produktów wietrzeniowych

• Znaczenie iłów wietrzeniowych dla produkcji ceramiki (porcelany, wyrobów sanitarnych, glinianych).

• Minerały ilaste o właściwościach ogniotrwałych(gibbsyt, diaspor), absorbujących tłuszcz („ziemia folusznicza”), absorbujących wodę (bentonit), czy wybielających.

• Znaczenie produktów wietrzeniowych w górnictwie.

Wpływ produktów wietrzeniowych na organizmy ludzi, zwierząt i roślin

• Brak fluoru wpływa na psucie się zębów, zaś jego nadmiar powoduje plamistość zębów.

• Brak litu powoduje zaburzenia psychiczne.

• Brak magnezu wpływa na wzrost chorób krążenia i serca.

• Brak manganu powoduje łamliwość kości.

• Ważna jest właściwa proporcja w glebie (i w pożywieniu) między mikroelementami, np. zawartość w pożywieniu lub w wodzie pitnej trującego kadmu lub ołowiu może być neutralizowane obecnością wapnia i magnezu.

---