Météorisation: types et procédés
L'altération est la décomposition des roches par décomposition mécanique et décomposition chimique. Beaucoup se forment à des températures et pressions élevées dans la croûte terrestre; Lorsqu'ils sont exposés à des températures et des pressions plus basses à la surface et rencontrent l'air, l'eau et les organismes, ils se décomposent et se fracturent.
Les êtres vivants ont également un rôle d'influence sur les intempéries, car ils affectent les roches et les minéraux par le biais de divers processus biophysiques et biochimiques, dont la plupart ne sont pas connus en détail.
Fondamentalement, il existe trois principaux types de vieillissement; Cela peut être physique, chimique ou biologique. Chacune de ces variantes présente des caractéristiques spécifiques qui affectent les roches de différentes manières; même, dans certains cas, il peut y avoir une combinaison de plusieurs phénomènes.
Vieillissement physique ou mécanique
Les processus mécaniques réduisent les roches en fragments de plus en plus petits, ce qui augmente la surface exposée aux attaques chimiques. Les principaux processus de vieillissement mécanique sont les suivants:
- Le téléchargement.
- l'action du gel.
- Stress thermique causé par le chauffage et le refroidissement.
- L'expansion.
- Le rétrécissement dû au mouillage avec séchage ultérieur.
- les pressions exercées par la croissance des cristaux de sel.
La fatigue ou la génération répétée de contraintes, qui diminue la tolérance aux dommages, est un facteur important de l’altération mécanique. La fatigue a pour conséquence que la roche se fracturera à un niveau de contrainte inférieur à celui d'un spécimen non fatigué.
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Lorsque l'érosion élimine le matériau de la surface, la pression de confinement sur les roches sous-jacentes diminue. La pression inférieure permet aux grains de minéraux de se séparer davantage et de créer des vides; la roche se dilate ou se dilate et peut se fracturer.
Par exemple, dans les mines de granit ou d’autres roches denses, le relâchement de pression dû aux coupures d’extraction peut être violent et même provoquer des explosions.
Fracture par congélation ou gelifraction
L'eau qui occupe les pores à l'intérieur d'une roche se dilate de 9% lorsqu'elle gèle. Cette expansion génère une pression interne pouvant provoquer la désintégration physique ou la fracture de la roche.
La gélification est un processus important dans les environnements froids, où des cycles de congélation et de décongélation se produisent constamment.
Cycles de chauffage et de refroidissement (thermoclaste)
Les roches ont une faible conductivité thermique, ce qui signifie qu'elles ne dissipent pas la chaleur de leurs surfaces. Lorsque les roches sont chauffées, la surface extérieure augmente sa température beaucoup plus que la partie intérieure de la roche. De ce fait, la partie externe subit plus de dilatation que la partie interne.
De plus, les roches composées de différents cristaux présentent un chauffage différentiel: les cristaux de couleur plus foncée chauffent plus rapidement et refroidissent plus lentement que les cristaux plus clairs.
Fatigue
Ces contraintes thermiques peuvent provoquer la désintégration de la roche et la formation d’énormes écailles, coquillages et plaques. Le chauffage et le refroidissement répétés produisent un effet appelé fatigue qui favorise le vieillissement thermique, également appelé thermoclastie.
En général, la fatigue peut être définie comme l’effet de plusieurs processus qui diminuent la tolérance d’un matériau aux dommages.
Écailles de roche
L'exfoliation ou la production de feuilles par contrainte thermique inclut également la génération d'écailles de roche. De même, la chaleur intense générée par les incendies de forêt et les explosions nucléaires peut provoquer la chute de la roche et son éclatement.
Par exemple, en Inde et en Egypte, le feu a été utilisé pendant de nombreuses années comme outil d’extraction dans les carrières. Cependant, les fluctuations journalières de la température, même dans les déserts, sont bien inférieures aux extrêmes atteintes par les incendies locaux.
Humidification et séchage
Les matériaux contenant de l'argile, tels que le mudstone et le schiste argileux, se dilatent considérablement lors du mouillage, ce qui peut induire la formation de microfissures ou microfractures ( microfissures en anglais) ou l'élargissement de fissures existantes.
Outre l’effet de la fatigue, les cycles de dilatation et de retrait, associés au mouillage et au séchage, entraînent l’altération de la roche.
Météorisation par croissance de cristaux de sel ou d'haloclastie
Dans les régions côtières et arides, les cristaux de sel peuvent croître dans des solutions salines concentrées par évaporation de l'eau.
La cristallisation du sel dans les interstices ou les pores des roches produit des tensions qui les élargissent, ce qui conduit à la désintégration granulaire de la roche. Ce processus est appelé altération saline ou haloclastie.
Lorsque les cristaux de sel formés à l'intérieur des pores de la roche sont chauffés ou saturés d'eau, ils se dilatent et exercent une pression contre les parois des pores voisins; cela produit un stress thermique ou un stress d'hydratation (respectivement), qui contribuent à l'altération des roches.
Météorisation chimique
Ce type de vieillissement implique une grande variété de réactions chimiques qui agissent ensemble sur de nombreux types de roches dans toutes les conditions météorologiques.
Cette grande variété peut être regroupée en six types de réactions chimiques principales (toutes impliquées dans la décomposition de la roche), à savoir:
- la dissolution.
- hydratation.
- oxydation et réduction.
- la carbonatation.
- l'hydrolyse.
Dissolution
Les sels minéraux peuvent être dissous dans l'eau. Ce processus implique la dissociation des molécules dans leurs anions et leurs cations, ainsi que l'hydratation de chaque ion; c'est-à-dire que les ions sont entourés de molécules d'eau.
Généralement, la dissolution est considérée comme un processus chimique, bien qu’elle n’implique pas de transformations chimiques appropriées. Comme la dissolution se produit comme étape initiale pour d’autres processus chimiques de vieillissement, elle est incluse dans cette catégorie.
La solution s'inverse facilement: lorsque la solution est sursaturée, une partie de la matière dissoute précipite sous forme de solide. Une solution saturée n'a pas la capacité de dissoudre plus solide.
Les minéraux varient dans leur solubilité et parmi les plus solubles dans l’eau se trouvent les chlorures des métaux alcalins, tels que le sel gemme ou l’halite (NaCl) et le sel de potassium (KCl). Ces minéraux ne se trouvent que dans des climats très arides.
Le gypse (CaSO 4 .2H 2 O) est également assez soluble, alors que le quartz a une très faible solubilité.
La solubilité de nombreux minéraux dépend de la concentration d'ions hydrogène libres (H +) dans l'eau. Les ions H + sont mesurés en tant que valeur du pH, qui indique le degré d'acidité ou d'alcalinité d'une solution aqueuse.
L'hydratation
L'hydratation est un processus qui se produit lorsque les minéraux adsorbent ou absorbent des molécules d'eau à leur surface, y compris au sein de leurs réseaux cristallins. Cette eau supplémentaire génère une augmentation de volume pouvant provoquer la fracture de la roche.
Dans les climats humides de latitudes moyennes, les couleurs du sol présentent des variations notoires: elles peuvent être observées de la couleur brunâtre à la couleur jaunâtre. Ces colorations sont dues à l'hydratation de l'hématite d'oxyde de fer rouge qui passe à la goethite colorée (oxyhydroxyde de fer).
L'absorption d'eau par les particules d'argile est également une forme d'hydratation qui conduit à son expansion. Ensuite, à mesure que l'argile sèche, l'écorce se fendille.
Oxydation et réduction
L'oxydation se produit lorsqu'un atome ou un ion perd des électrons, augmentant leur charge positive ou diminuant leur charge négative.
L'une des réactions d'oxydation existantes implique la combinaison d'oxygène et d'une substance. L'oxygène dissous dans l'eau est un agent oxydant courant dans l'environnement.
L'usure par oxydation affecte principalement les minéraux qui contiennent du fer, bien que des éléments comme le manganèse, le soufre et le titane puissent également être oxydés.
La réaction du fer, qui se produit lorsque l'oxygène dissous dans l'eau entre en contact avec des minéraux ferreux, est la suivante:
4Fe2 + + 3O 2 → 2Fe 2 O 3 + 2e-
Dans cette expression, e- représente les électrons.
Le fer ferreux (Fe2 +) présent dans la plupart des minéraux formant des roches peut être converti en sa forme ferrique (Fe3 +) en modifiant la charge neutre du réseau cristallin. Ce changement provoque parfois son effondrement et rend le minéral plus susceptible aux attaques chimiques.
Carbonatation
La carbonatation est la formation de carbonates, qui sont les sels de l'acide carbonique (H 2 CO 3 ). Le dioxyde de carbone se dissout dans les eaux naturelles pour former de l'acide carbonique:
CO 2 + H 2 O → H 2 CO 3
Ensuite, l’acide carbonique se dissocie en un ion hydrogène hydraté (H 3 O +) et un ion bicarbonate, à la suite de la réaction suivante:
H 2 CO 3 + H 2 O → HCO 3 - + H 3 O +
L'acide carbonique attaque les minéraux formant des carbonates. La carbonatation domine l'érosion des roches calcaires (qui sont des calcaires et des dolomites); dans ces minéraux, le principal minéral est la calcite ou le carbonate de calcium (CaCO 3 ).
La calcite réagit avec l'acide carbonique pour former un carbonate d'acide de calcium, Ca (HCO 3 ) 2 qui, contrairement à la calcite, se dissout facilement dans l'eau. C'est pourquoi certains calcaires sont si sujets à la dissolution.
Les réactions réversibles entre le dioxyde de carbone, l’eau et le carbonate de calcium sont complexes. En substance, le processus peut être résumé comme suit:
CaCO 3 + H 2 O + CO 2 ⇔ Ca 2 + + 2HCO 3 -
L'hydrolyse
En général, l'hydrolyse - décomposition chimique par l'action de l'eau - est le processus principal d'altération chimique. L'eau peut décomposer, dissoudre ou modifier les minéraux primaires sensibles aux roches.
Dans ce processus, l'eau dissociée dans les cations hydrogène (H +) et les hydroxyles anioniques (OH-) réagit directement avec les minéraux silicatés dans les roches et les sols.
L'ion hydrogène est échangé avec un cation métallique des minéraux silicatés, généralement du potassium (K +), du sodium (Na +), du calcium (Ca2 +) ou du magnésium (Mg2 +). Ensuite, le cation libéré est combiné à l'anion hydroxyle.
Par exemple, la réaction d'hydrolyse du minéral appelé orthoclase, dont la formule chimique est KAlSi 3 O 8, est la suivante:
2KAlSi 3 O 8 + 2H + + 2OH- → 2HAlSi 3 O 8 + 2KOH
Ainsi, l'orthoclase est converti en acide aluminosilicique, HAlSi 3 O 8 et en hydroxyde de potassium (KOH).
Ce type de réaction joue un rôle fondamental dans la formation de certains reliefs caractéristiques; par exemple, ils participent à la formation du relief karstique.
Météorisation biologique
Certains organismes vivants attaquent les roches mécaniquement, chimiquement ou par une combinaison de processus mécaniques et chimiques.
Plantes
Les racines des plantes, en particulier celles des arbres poussant sur des lits rocheux plats, peuvent exercer un effet biomécanique.
Cet effet biomécanique se produit lorsque la racine se développe, car il augmente la pression exercée par celle-ci dans son environnement. Cela peut entraîner une fracture des roches du lit de racines.
Lichens
Les lichens sont des organismes constitués de deux symbiotes: un champignon (mycobionte) et une algue qui est généralement une cyanobactérie (phycobionte). Ces organismes ont été signalés comme des colonisateurs qui augmentent l’altération des roches.
Par exemple, il a été constaté que Stereocaulon vesuvianum est installé sur des coulées de lave, ce qui lui permet d’augmenter jusqu’à 16 fois son taux d’altération par rapport aux surfaces non colonisées. Ces taux peuvent doubler dans les endroits humides, comme à Hawaii.
Il a également été noté que, lorsque les lichens meurent, ils laissent une tache sombre à la surface du rocher. Ces taches absorbent plus de radiations que les zones claires environnantes de la roche, favorisant ainsi l’altération thermique ou les thermoclasties.
Organismes marins
Certains organismes marins raclent la surface des roches et les perforent, favorisant ainsi la croissance des algues. Ces organismes perforants comprennent les mollusques et les éponges.
Des exemples de ce type d'organismes sont la moule bleue ( Mytilus edulis ) et le gastéropode herbivore Cittarium pica .
Chélation
La chélation est un autre mécanisme d'érosion qui implique l'élimination des ions métalliques et en particulier des ions aluminium, fer et manganèse des roches.
Ceci est réalisé par l'union et la séquestration par des acides organiques (tels que l'acide fulvique et l'acide humique), pour former des complexes solubles de matières organométalliques.
Dans ce cas, les agents chélatants proviennent des produits de décomposition des plantes et des sécrétions des racines. La chélation favorise l’altération chimique et le transfert de métaux dans le sol ou la roche.
