Meteorizzazione

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Tipico aspetto di rocce alterate in ambiente desertico.

La meteorizzazione (weathering in inglese, degradazione meteorica in italiano) 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.

Classificazione[modifica | modifica wikitesto]

La meteorizzazione viene classificata attraverso due processi:

  • 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, eoliani, o alluvionali) è fertile.

Meteorizzazione fisica o meccanica[modifica | modifica wikitesto]

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 termoclastismo[modifica | modifica wikitesto]

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 - Congelamento[modifica | modifica wikitesto]

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 pressione[modifica | modifica wikitesto]

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 idraulica[modifica | modifica wikitesto]

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 sale[modifica | modifica wikitesto]

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 viventi[modifica | modifica wikitesto]

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 carbonifere, come avviene nelle scogliere calcaree di Capo Flamborough, nello Yorkshire; questi fori rappresentano un' ulteriore minaccia all'integrità delle scogliere. Un esempio si può osservare al sito Le Foladi di Capo Flamborough.

Disgregazione chimica[modifica | modifica wikitesto]

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

Dissoluzione[modifica | modifica wikitesto]

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 proveniente dalle emissioni inquinanti.

La conversione in carbonati avviene nelle rocce contenenti carbonato di calcio, come le rocce calcaree e il gesso.[5] 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 Ca++ 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 + CaCO3 ⇌ Ca++ + 2(HCO3)-
acido carbonico + carbonato di calcio → ione calcio + 2 ioni di acido carbonico

Idratazione[modifica | modifica wikitesto]

L'idratazione è una forma di disgregazione chimica che necessita di un forte legame di ioni idrogeno H+ e OH- tra gli atomi e le molecole del minerale. Quando l'acqua penetra nelle rocce, l'incremento di volume causa uno stress fisico all'interno della roccia. L'ossido di ferro viene convertito in idrossido di ferro, mentre l'idratazione delle forme anidritiche forma il gesso.

Idrolisi[modifica | modifica wikitesto]

L'idrolisi è un processo chimico che coinvolge i minerali silicei. In tali reazioni l'acqua si combina con la componente silicea della rocce, per formare minerali come i pirosseni, gli anfiboli e i feldspati. Per esempio i feldspati, che si trovano nelle rocce tipo il granito, reagiscono con l'acqua per formare caolino, argilla e quarzo. La reazione può comportare la rimozione degli ioni solubili.

Esempio: idrolisi dei feldspati o caolinizzazione:

 2KAlSi_3O_8 + 2H_2O ----> Al_2Si_2O_5(OH)_4 + K_2O + 4SiO_2

Ortoclasio + Acqua  (Assorbita-in-parte)----> Caolino + Potassio + Silice   (Si-allontana-in-soluzione)

Ossidazione[modifica | modifica wikitesto]

Nel processo di disgregazione chimica ambientale dovuta all'ossidazione sono coinvolti diversi metalli. La più comune di queste è l'ossidazione del Ferro, a partire da Fe2+ in combinazione con l'ossigeno e l'acqua per formare idrossidi e ossidi di Fe3+, come la geotite, la limonite e l'ematite. Questo dà alle superficie delle rocce coinvolte nel processo, la caratteristica colorazione colore rosso-marrone, e porta ad uno sbriciolamento della roccia, accelerandone il processo di disgregazione. Questo processo di ossidazione del Ferro è quello che dà luogo alla formazione della ruggine.

Biologica[modifica | modifica wikitesto]

Alcune piante e animali sono in grado di creare disgregazione chimica attraverso la produzione di composti acidi.
La forma più conosciuta avviene mediante la produzione da parte delle piante di composti chelanti e altre molecole acidificanti in grado di separare chimicamente nel suolo sottostante i composti contenenti l'alluminio e il ferro, 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.[6] Produzioni elevate di elementi chelanti possono facilmente intaccare le rocce ed il suolo e portare ad una podsolizzazione dei terreni.[7]

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.[8]

Anche le comunità batteriche hanno un impatto sulla stabilità dei minerali portando al rilascio di nutrienti inorganici.[9] 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.[10] 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.

Note[modifica | modifica wikitesto]

  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. ^ Hogan, C. Michael (2010) "Calcium", in A. Jorgenson and C. Cleveland (eds.) Encyclopedia of Earth, National Council for Science and the Environment, Washington DC
  6. ^ 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.
  7. ^ David Waugh, Geography : an integrated approach, 3rd, Gloucester, U.K., Nelson Thornes, 2000, p. 272, ISBN 978-0-17-444706-1.
  8. ^ 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.
  9. ^ 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.
  10. ^ 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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