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Tipico aspetto di rocce alterate in ambiente desertico.

La meteorizzazione (o degradazione meteorica) è il processo di disintegrazione e alterazione delle rocce, affioranti sulla superficie terrestre e dei minerali, attraverso contatto diretto o indiretto con l'atmosfera. Il termine indica un fenomeno che avviene in situ o 'senza movimento', quindi da non confondere con l'erosione, che invece è dovuta a movimenti e disintegrazione di rocce e minerali per effetto dell'azione e del contatto con acqua, vento e forza di gravità.

ClassificazioneModifica

La meteorizzazione viene classificata a seconda del processo con cui avviene:

  • il primo è di tipo meccanico o fisico: le rocce e la terra vengono disintegrate attraverso il contatto diretto con l'atmosfera, la dilatazione termica, l'acqua, il ghiaccio e variazioni di pressione;
  • il secondo è di tipo chimico, e avviene attraverso l'aggressione chimica e/o biologica di elementi chimici/biologici che disgregano le rocce.

I prodotti dovuti alla frantumazione, dopo i processi di meteorizzazione chimica, della successiva sedimentazione minerale e della percolazione, si combinano con il materiale organico formando il suolo. I minerali ivi contenuti provengono da materiali originali, così il suolo derivato da un unico tipo di roccia, è spesso insufficiente per garantirne una buona fertilità, mentre un suolo derivante da una combinazione di diversi tipi di rocce meteorizzate, (sedimenti glaciali, eolici, o alluvionali) è fertile.[senza fonte]

Disgregazione fisica o meccanicaModifica

La meteorizzazione meccanica avviene a causa della disintegrazione delle rocce o del legno. Per la maggior parte del tempo questo meccanismo produce frammenti detti ghiaioni o falda detritica simile alla meteorizzazione chimica. Tuttavia questi processi, spesso si alternano in sequenza. Per esempio: la frantumazione dovuta alla meteorizzazione meccanica incrementa la superficie esposta all'azione chimica. Inoltre, l'azione chimica nel minerale frantumato è in grado di accelerare il processo di disintegrazione meccanica.

Espansione termica o termoclastismoModifica

In Geologia l'espansione termica è conosciuta come meteorizzazione a buccia di cipolla, avviene spesso in aree ad elevata temperatura, come nei deserti,[1] luoghi sottoposti a una grande escursione termica. Le temperature durante il giorno aumentano rapidamente, mentre si abbassano a pochi gradi sopra lo zero durante la notte. Durante il giorno la roccia viene sottoposta a riscaldamento con conseguenze dilatazione, mentre durante la notte si contrae. La sollecitazione si manifesta comunque spesso negli strati più esterni. Lo stress[2] causa il distacco degli strati più esterni delle rocce in fogli sottili. Anche se questo processo avviene a causa del cambiamento di temperatura, l'espansione termica non può avvenire senza la presenza di un sufficiente grado di umidità.

Il ciclo Disgelo - CongelamentoModifica

 
Una roccia nel sud dell'Islanda frammentata a causa del ciclo disgelo-congelamento

Il ciclo disgelo-congelamento, che può avvenire anche con una ritmicità diurna-notturna, conosciuto anche come crescita dei cristalli di ghiaccio o ghiaccio incuneato, avviene quando l'acqua si insinua nelle fessure aperte delle pietre, quindi congela espandendo il suo volume. L'espansione può esercitare una pressione fino a 21 MPa. Questa pressione è spesso maggiore della resistenza di molte rocce causandone la conseguente rottura. Questo ciclo avviene soprattutto in presenza di elevata umidità e frequenti escursioni termiche sopra e sotto zero. Quando l'acqua congela in una fessura, il ghiaccio dilatandosi deforma il punto di giunzione aumentando di fatto la dimensione della frattura, fino a renderla definitiva, con la completa rottura.[3] Questo processo avviene in quanto il volume dell'acqua ghiacciata è maggiore del 9% rispetto al volume dell'acqua a temperatura ambiente. Quando il ghiaccio si scioglie, l'acqua può ulteriormente penetrare nella roccia. Poi, quando la temperatura va nuovamente sottozero l'acqua congela di nuovo causando un ulteriore allargamento della frattura.

Cicli ripetuti di disgelo - congelamento indeboliscono la roccia, fino al punto di disgregarla in diversi frammenti chiamati falda detritica. I frammenti di queste rocce si disgregano sempre di più in funzione della loro struttura interna. Possono anche formarsi cristalli di ghiaccio in rocce porose. Questi cristalli aumentano sempre più attirando l'acqua dai pori circostanti. Il ghiaccio crescendo indebolisce la roccia, che finalmente si frantuma. Il gesso, per esempio è una roccia porosa suscettibile all'azione di congelamento.

Rilascio di pressioneModifica

 
Rilascio di pressione nel granito.

Nel rilascio di pressione, materiali sovrapposti (non necessariamente rocce) sono rimossi (dall'erosione, o da altri processi); quando il materiale sovrastante è piuttosto pesante, le rocce sottostanti sono sottoposte ad una pressione elevata come nel caso del movimento dei ghiacciai. Il rilascio di pressione può anche provocare azioni di esfoliazione.

Le rocce ignee intrusive, per esempio il granito, si formano nella profondità della terra. Sono sottoposte ad una tremenda pressione a causa del peso del materiale sovrastante. Quando l'erosione rimuove tali strati, la pressione diminuisce e tali rocce possono venire alla luce. In seguito alla diminuzione della pressione, la parte esterna di tali rocce tende quindi ad espandersi. L'espansione provoca una tensione che genera delle fratture parallele lungo la superficie della roccia. Con il tempo, veri e propri 'fogli' di roccia si staccano dalla roccia esposta lungo le fratture.

Azione idraulicaModifica

Avviene nel momento in cui l'acqua (generalmente a causa di potenti onde) si infiltra rapidamente nelle crepe della roccia, intrappolando uno strato d'aria nella parte inferiore, comprimendola e indebolendo la roccia. Quando l'acqua si ritrae, l'aria intrappolata viene improvvisamente rilasciata con forza esplosiva. Questa azione indebolisce la roccia allargando la stessa frattura, il processo peggiora sempre più, consentendo ad una maggior quantità d'aria di penetrare durante l'onda successiva. Questo sistema di feedback positivo, è la causa principale dell'indebolimento e rapida disgregazione delle scogliere marine.

La cristallizzazione del saleModifica

La cristallizzazione produce la disintegrazione delle rocce nel momento in cui (vedi salsedine) una soluzione salina si infiltra nelle fratture ed evapora, lasciando all'interno cristalli di sale. Questi all'aumentare della temperatura, esercitano una pressione sulle rocce limitrofe.

La cristallizzazione del sale, può aver luogo quando una soluzione decompone le rocce, per esempio, calcare e gesso, per formare una soluzione di solfato di sodio o carbonato di sodio, che successivamente evapora dando luogo alla formazione dei rispettivi cristalli.

I sali che hanno un potente effetto nel disintegrare le rocce sono: il solfato di sodio, il solfato di magnesio, e il cloruro di calcio. Alcuni di questi sono in grado di dilatare il proprio volume anche di tre volte.

L'azione dagli organismi viventiModifica

 
Azione biologica dei licheni su lava. La Palma.

Anche gli organismi viventi possono contribuire alla disgregazione meccanica delle rocce. I licheni e il muschio crescono essenzialmente sulla superficie delle rocce creando un microambiente chimicamente più umido. L'aderenza di tali organismi alle rocce, intensifica sia l'azione fisica che chimica, creando delle microfratture nella loro struttura e accelerando la velocità di meteorizzazione rispetto alla roccia non ricoperta da licheni.[4] Su larga scala il germogliare dei semi e la crescita nelle microfratture di piccole radici esercitano una pressione fisica e creano una via di scorrimento per successive infiltrazioni di soluzioni chimiche e di acqua.

I buchi scavati dagli animali e dagli insetti disturbano lo strato di terra adiacente la superficie della roccia, incrementando l'azione dell'acqua e degli acidi ed esponendola ad un processo di ossidazione.

Un altro esempio ben conosciuto di disgregazione causata all'azione degli animali è dovuto alle Foladi una specie di molluschi bivalvi. Questi animali sono in grado di 'perforare' le rocce carbonatiche, come avviene nelle scogliere calcaree di Capo Flamborough, nello Yorkshire; questi fori rappresentano un'ulteriore minaccia all'integrità delle scogliere[5].

Alterazione chimicaModifica

Le rocce ignee e metamorfiche sono costituite da minerali formatisi da reazioni chimicamente stabili entro determinati campi di valori di temperatura, pressione e di composizione chimica dei fluidi associati; le stesse considerazioni sono applicabili ai minerali che precipitando formano il cemento delle rocce sedimentarie solidificate. L'affioramento di queste rocce sulla superficie terrestre di conseguenza sottopone queste rocce ad una condizione di disequilibrio chimico-fisico, in cui i minerali presenti reagiscono con trasformazioni comunemente definite come alterazioni della roccia.

Questa alterazione chimica di conseguenza produce il cambiamento nella composizione della roccia causando la 'distruzione' della sua forma esterna.

DissoluzioneModifica

 
Effetto della dissoluzione chimica su un affioramento di roccia calcarea, accentuata dalla presenza di fratture che hanno guidato lo sviluppo tridimensionale del fenomeno

Vi sono tre gas presenti nell'atmosfera che possono contribuire al processo di meteorizzazione. Il biossido di zolfo, SO2, prodotto dalle eruzioni vulcaniche o proveniente dai combustibili fossili, è in grado di trasformarsi in acido solforico e, cadendo al suolo attraverso la pioggia, causare la disgregazione in soluzione delle rocce. Anche l'azoto atmosferico, trasformandosi in acido nitrico può causare la disgregazione in soluzione delle rocce. Tuttavia uno dei processi principali di disgregazione in soluzione delle rocce è la conversione in carbonati, nel quale è coinvolto il biossido di carbonio presente in atmosfera.

La conversione in carbonati avviene nelle rocce contenenti carbonato di calcio, come le rocce calcaree e il gesso.[6] Questo avviene quando la pioggia si combina con il biossido di carbonio presente nell'aria per formare l'acido carbonico, un acido debole che reagisce con il carbonato di calcio (il calcare) per formare uno ione Ca2+ e due ioni HCO3 in soluzione. Essi non si legano in modo stabile a formare il bicarbonato di calcio, perché esso esiste solo in soluzione, non allo stato solido. Questo processo accelera con il diminuire della temperatura divenendo la causa principale della disgregazione meteorica.

La reazione è la seguente:

CO2 + H2O ⇌ H2CO3
biossido di carbonio + acqua → acido carbonico
H2CO3 + CaCO3Ca2+ + 2HCO3
acido carbonico + carbonato di calcio → ione calcio + 2 ioni di acido carbonico

IdratazioneModifica

Alcune rocce sedimentarie, come le argille e le anidriti, sono formate da minerali che hanno la capacità di trattenere l'acqua nel loro reticolo cristallino gonfiandosi. L’aumento di volume e lo stress nella roccia che ne deriva, come nel caso dello sgravio di pressione, facilita la disgregazione della roccia. Nel caso dell'anidrite, questa, acquistando due molecole d'acqua per ogni unità di formula, si trasforma in gesso (CaSO4 + 2H2O ⇌ CaSO4 • 2H2O). L'idratazione è un processo reversibile: l'acqua può evaporare ed il minerale ritorna così nelle condizioni iniziali. È quanto avviene continuamente nelle argille: nella stagione delle piogge esse si gonfiano fino a diventare plastiche e in grado di fluire lungo un pendio come una colata di fango. Nei periodi siccitosi, invece, perdono l'acqua intrappolata nel reticolo dei minerali e si contraggono, crepandosi in superficie e indurendosi notevolmente[7].

IdrolisiModifica

L'azione più importante l'acqua la svolge sui silicati, che sono i principali costituenti delle rocce, attraverso l'idrolisi. È questo un processo chimico complesso e non ancora del tutto chiarito. L’attacco chimico è svolto dagli ioni idrogeno (H+) e ossidrile (OH), presenti nell'acqua in piccolissime quantità. I primi si legano ai tetraedri di silicio, sostituendosi ai metalli alcalini (che hanno la stessa carica) a cui questi sono legati e formando così l'acido ortosilicico (H4SiO4), solubile nell'acqua dove facilmente polimerizza in silice colloidale, e altre molecole più complesse; i metalli si legano agli ioni OH , formando degli idrossidi solubili e insolubili (KOH, NaOH, Ca(OH)2 ecc.). Successivamente una parte dei metalli si ricombina con tutta o parte della silice colloidale per formare i minerali delle argille, mentre la restante parte, reagendo con il diossido di carbonio CO2 o con sostanze organiche o con altri sali presenti nell'acqua, resta in soluzione sotto forma di ioni o colloidi insieme all'eventuale silice colloidale residua. Il processo più conosciuto è quello dell’idrolisi del feldspato potassico, che avviene in due fasi[7]:

3KAlSi3O8 + 2H+ + 12H2O → KAl3Si3O10(OH)2 + 6H4SiO4 + 2K+
ortoclasio sericite/illite silice solubile
KAl3Si3O10(OH)2 + 2H+ + 3H2O → 3Al2Si2O5(OH)4 + 6H4SiO4 + 2K+
sericite/illite caolino

dove sericite e illite sono due minerali delle argille intermedi nel processo di trasformazione del feldspato in caolino, un minerale delle argille di colore bianco. L'idrolisi è un processo particolarmente efficace dove vi è abbondanza d’acqua ed elevata temperatura, cioè nelle zone con climi caldo-umidi, mentre si può bloccare completamente o quasi nelle zone aride o a clima freddo. Il processo viene accelerato dalla presenza di vegetazione, di sostanze organiche in decomposizione e di batteri. Specialmente la prima ha una grande importanza, perché, attraverso il processo della respirazione cellulare, le radici delle piante liberano notevoli quantità di biossido di carbonio nell'acqua che circola nel suolo. Nelle regioni equatoriali la ricca vegetazione ed il clima caldo-umido spingono il processo fino alla decomposizione dei minerali delle argille, che sono allumosilicati: si liberano acido silicico, che viene asportato dall'acqua, e allumina (Al2O3) che, essendo insolubile, si concentra in superficie formando una crosta spessa e indurita (laterite) assieme a ossidi e idrossidi di ferro e manganese. La resistenza dei silicati agli attacchi chimici è inversa al loro ordine di cristallizzazione nelle rocce ignee: infatti i minerali che si idrolizzano più facilmente sono quelli nella parte alta della serie di reazioni di Bowen, vale a dire olivina, pirosseni, anfiboli e plagioclasi calcici, mentre il quarzo, l’ultimo della serie a cristallizzare, è chimicamente quasi inattaccabile[7]

Schema semplificato delle reazioni che riguardano l'alterazione chimica dei principali minerali delle rocce. Il quarzo non compare perché è chimicamente inalterabile[7].
REAGENTI PRODOTTI
Minerali altri reagenti Fillosilicati o
minerali delle argille
Altri prodotti
Feldspato potassico H2O, H+ Illite, sericite (muscovite) silice disciolta, ioni K+
Feldspato sodico H2O, H+ Montmorillonite sodica silice disciolta, ioni Na+
Feldspato calcico H2O, H+ Montmorillonite calcica silice disciolta, ioni Ca++
Pirosseni, anfiboli,
biotite
H2O, H+ Montmorillonite sodico-calcica silice disciolta, ioni Ca++, Na+,
Mg++ + idrossido ferrico (precipitato)
Olivina H2O, H+ serpentino (antigorite + crisotilo) ioni Mg++, idrossido ferrico (precipitato)

OssidazioneModifica

L'ossigeno, contenuto nell'aria o disciolto nell'acqua, provoca l'ossidazione nelle rocce, soprattutto dei silicati ricchi di ferro, alluminio e manganese. L’ossigeno si lega a questi metalli formando ossidi (ad es. l'ematite Fe2O3 e la pirolusite MnO2) o, assieme al vapore acqueo, miscele più o meno complesse di ossidi ed idrossidi (ad es. la limonite e la goethite per il ferro e la bauxite per l’alluminio). I prodotti dell'ossidazione formano sul suolo e sulle rocce delle patine o croste di alterazione dai forti colori (rosso, giallo, bruno, nero). L’ossigeno sottrae elettroni ai metalli e l'eccesso di cariche positive che si viene a creare viene controbilanciato con l'espulsione dalla roccia di cationi. Per questo motivo l'ossidazione favorisce il processo di lisciviazione (rimozione dei soluti ad opera dell'acqua circolante nella roccia)[7].

BiologicaModifica

 
Chelazione[8] di uno ione cuprico ad opera di due molecole di glicina (un amminoacido) con la perdita di una molecola di idrogeno

Alcune piante e animali sono in grado di generare una disgregazione chimica attraverso la produzione di composti acidi.
La forma più conosciuta di tale processo avviene mediante la produzione da parte delle piante di composti chelanti[8] e altre molecole acidificanti in grado di separare chimicamente nel suolo sottostante i composti contenenti l'alluminio, il ferro e altri metalli, rendendo più facile il loro dilavamento in caso di piogge, e più difficile la crescita degli alberi stessi. Anche i prodotti della decomposizione batterica sui resti delle piante morte può portare alla formazione di acidi organici che, sciogliendosi nell'acqua, favoriscono poi il processo dissolutivo.[9]Produzioni elevate di elementi chelanti possono facilmente intaccare le rocce ed il suolo e portare ad una podsolizzazione dei terreni.[10]

Anche l'associazione simbiotica dei funghi con il sistema radicale degli alberi (Mycorrhiza) rilascia nutrienti inorganici estratti da minerali come l'apatite o la biotite e li trasferisce alle piante, contribuendo alla loro nutrizione.[11]

Anche le comunità batteriche hanno un impatto sulla stabilità dei minerali portando al rilascio di nutrienti inorganici.[12] Molte specie di batteri di diversi generi sono in grado di colonizzare superfici minerali e per alcuni di essi è stato dimostrato un effetto di promozione della crescita delle piante.[13] I meccanismi che si ipotizza vengano utilizzati da questi batteri includono reazioni di ossidoriduzione e di dissoluzione, accanto alla produzione di agenti meteorizzanti come acidi organici, inorganici e molecole chelanti.

NoteModifica

  1. ^ Paradise, T. R., Petra revisited: An examination of sandstone weathering research in Petra, Jordan, in Special Paper 390: Stone Decay in the Architectural Environment, vol. 390, 2005, pp. 39, DOI:10.1130/0-8137-2390-6.39, ISBN 0-8137-2390-6.
  2. ^ Hall, K. The role of thermal stress fatigue in the breakdown of rock in cold regions, Geomorphology, 1999.
  3. ^ A.S. Goudie, Viles H., 5: Weathering Processes and Forms, in Burt T.P., Chorley R.J., Brunsden D., Cox N.J. & Goudie A.S. (a cura di), Quaternary and Recent Processes and Forms, Landforms or the Development of Gemorphology, vol. 4, Geological Society, 2008, pp. 129–164, ISBN 1-86239-249-8.
  4. ^ C.B. Zambell, J.M. Adams, M.L. Gorring e D.W. Schwartzman, Effect of lichen colonization on chemical weathering of hornblende granite as estimated by aqueous elemental flux, in Chemical Geology, vol. 291, 2012, pp. 166, DOI:10.1016/j.chemgeo.2011.10.009.
  5. ^ Un esempio si può osservare al sito Le Foladi di Capo Flamborough
  6. ^ Hogan, C. Michael (2010) "Calcium", in A. Jorgenson and C. Cleveland (eds.) Encyclopedia of Earth, National Council for Science and the Environment, Washington DC
  7. ^ a b c d e Daniele Fornasero - Il pianeta blu (2004) - Gruppo Editoriale Il Capitello, pp. 509-510
  8. ^ a b I chelati sono dei composti complessi, dove molecole organiche ad anello sono coordinate da un catione metallico in modo tale che quest'ultimo è trattenuto (chimicamente si dice "sequestrato") da più legami e rimosso così dal contatto diretto con l'acqua del suolo. L'acqua, non "vedendo" chimicamente il catione, non si satura di esso e quindi continua ad estrarlo dai minerali delle rocce, favorendo il processo di lisciviazione.
  9. ^ F. Stuart Chapin III, Pamela A. Matson, Harold A. Mooney, Principles of terrestrial ecosystem ecology, [Nachdr.], New York, Springer, 2002, pp. 54–55, ISBN 978-0-387-95443-1.
  10. ^ David Waugh, Geography : an integrated approach, 3rd, Gloucester, U.K., Nelson Thornes, 2000, p. 272, ISBN 978-0-17-444706-1.
  11. ^ Landeweert, R. Hoffland, E., Finlay, R.D., Kuyper, T.W., van Breemen, N., Linking plants to rocks: Ectomycorrhizal fungi mobilize nutrients from minerals, in Trends in ecology & evolution, vol. 16, nº 5, 2001, pp. 248–254, DOI:10.1016/S0169-5347(01)02122-X, PMID 11301154.
  12. ^ Calvaruso, C., Turpault, M-P., Frey-Klett, P., Root-Associated Bacteria Contribute to Mineral Weathering and to Mineral Nutrition in Trees: A Budgeting Analysis, in Applied and Environmental Microbiology, vol. 72, nº 2, 2006, pp. 1258–66, DOI:10.1128/AEM.72.2.1258-1266.2006, PMC 1392890, PMID 16461674.
  13. ^ Uroz, S., Calvaruso, C., Turpault, M-P, Frey-Klett, P., Mineral weathering by bacteria: ecology, actors and mechanisms, in Trends Microbiol., vol. 17, nº 8, 2009, pp. 378–87, DOI:10.1016/j.tim.2009.05.004, PMID 19660952.

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