Desgaste

La meteorización por helada es el nombre colectivo que reciben las formas de meteorización física causadas por la formación de hielo en afloramientos rocosos. Durante mucho tiempo se creyó que la más importante era la cuña de hielo , que consiste en el ensanchamiento de grietas o fisuras en las rocas como resultado de la expansión del agua intersticial al congelarse. Un creciente número de estudios teóricos y experimentales sugiere que la segregación de hielo, mediante la cual el agua subenfriada migra hacia lentes de hielo que se forman dentro de la roca, es el mecanismo más importante. ^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

Cuando el agua se congela, su volumen aumenta un 9,2 %. Esta expansión puede generar teóricamente presiones superiores a 200 megapascales (29 000 psi) , aunque un límite superior más realista es de 14 megapascales (2000 psi) . Esto sigue siendo mucho mayor que la resistencia a la tracción del granito, que es de aproximadamente 4 megapascales (580 psi) . Esto hace que la cuña de hielo, en la que el agua de los poros se congela y su expansión volumétrica fractura la roca circundante, parezca un mecanismo plausible para la meteorización por hielo. El hielo simplemente se expandirá fuera de una fractura abierta recta antes de que pueda generar una presión significativa. Por lo tanto, la cuña de hielo solo puede tener lugar en pequeñas fracturas tortuosas. ^{[ 5 ]} La roca también debe estar casi completamente saturada de agua, o el hielo simplemente se expandirá en los espacios de aire en la roca no saturada sin generar mucha presión. Estas condiciones son lo suficientemente inusuales como para que la cuña de hielo sea improbable que sea el proceso dominante de la meteorización por hielo. ^{[ 11 ]} La cuña de hielo es más efectiva donde hay ciclos diarios de fusión y congelación de roca saturada de agua, por lo que es poco probable que sea significativa en los trópicos, en las regiones polares o en climas áridos. ^{[ 5 ]}   

La segregación del hielo es un mecanismo de meteorización física menos caracterizado. ^{[ 8 ]} Ocurre porque los granos de hielo siempre tienen una capa superficial, a menudo de solo unas pocas moléculas de espesor, que se asemeja más al agua líquida que al hielo sólido, incluso a temperaturas muy por debajo del punto de congelación. Esta capa líquida prefundida tiene propiedades inusuales, incluyendo una fuerte tendencia a absorber agua por acción capilar desde las partes más cálidas de la roca. Esto da como resultado el crecimiento del grano de hielo, que ejerce una presión considerable sobre la roca circundante, ^{[ 12 ]} hasta diez veces mayor que la que probablemente se produciría con la cuña de hielo. Este mecanismo es más efectivo en rocas cuya temperatura promedio está justo por debajo del punto de congelación, de -4 a -15 °C (25 a 5 °F) . La segregación del hielo da como resultado el crecimiento de agujas y lentes de hielo dentro de las fracturas de la roca y paralelas a la superficie de la roca, que gradualmente separan la roca. ^{[ 9 ]}  

La meteorización por estrés térmico se produce por la expansión y contracción de la roca debido a los cambios de temperatura. Este fenómeno es más efectivo cuando la parte calentada de la roca está reforzada por la roca circundante, de modo que puede expandirse libremente en una sola dirección. ^{[ 13 ]}

La meteorización por estrés térmico comprende dos tipos principales: choque térmico y fatiga térmica . El choque térmico se produce cuando las tensiones son tan grandes que la roca se agrieta inmediatamente, pero esto es poco común. Más típica es la fatiga térmica, en la que las tensiones no son lo suficientemente grandes como para causar una falla inmediata de la roca, pero los ciclos repetidos de tensión y liberación la debilitan gradualmente. La desintegración de bloques, cuando las juntas de la roca se debilitan por las fluctuaciones de temperatura y la roca se divide en bloques rectangulares, puede atribuirse a la fatiga térmica. ^{[ 13 ] [ 10 ]}

La meteorización por estrés térmico es un mecanismo importante en los desiertos , donde existe una gran amplitud térmica diurna , con temperaturas altas durante el día y bajas durante la noche. ^{[ 14 ]} Por consiguiente, a veces se la denomina meteorización por insolación , pero esto resulta engañoso. La meteorización por estrés térmico puede ser causada por cualquier cambio brusco de temperatura, y no solo por un intenso calentamiento solar. Es probable que sea igual de importante en climas fríos que en climas cálidos y áridos. ^{[ 13 ]} Los incendios forestales también pueden ser una causa significativa de meteorización rápida por estrés térmico. ^{[ 15 ]}

La importancia de la meteorización por estrés térmico ha sido descartada durante mucho tiempo por los geólogos, ^{[ 5 ] [ 9 ]} basándose en experimentos de principios del siglo XX que parecían demostrar que sus efectos eran insignificantes. Estos experimentos han sido criticados posteriormente por poco realistas, ya que las muestras de roca eran pequeñas, estaban pulidas (lo que reduce la nucleación de fracturas) y no estaban reforzadas. Estas pequeñas muestras podían, por lo tanto, expandirse libremente en todas direcciones al calentarse en hornos experimentales, que no producían el tipo de estrés probable en entornos naturales. Los experimentos también eran más sensibles al choque térmico que a la fatiga térmica, pero es probable que la fatiga térmica sea el mecanismo más importante en la naturaleza. Los geomorfólogos han comenzado a reenfatizar la importancia de la meteorización por estrés térmico, particularmente en climas fríos. ^{[ 13 ]}

La liberación de presión o descarga es una forma de meteorización física que se observa cuando se exhuman rocas enterradas a gran profundidad . Las rocas ígneas intrusivas, como el granito , se forman en las profundidades de la Tierra. Están sometidas a una presión tremenda debido al material rocoso suprayacente. Cuando la erosión elimina este material, estas rocas intrusivas quedan expuestas y se libera la presión sobre ellas. Las partes exteriores de las rocas tienden entonces a expandirse. Esta expansión genera tensiones que provocan la formación de fracturas paralelas a la superficie de la roca. Con el tiempo, láminas de roca se desprenden de las rocas expuestas a lo largo de las fracturas, un proceso conocido como exfoliación . La exfoliación debida a la liberación de presión también se conoce como desprendimiento de láminas . ^{[ 16 ]}

Al igual que con la meteorización térmica, la liberación de presión es más efectiva en rocas con contrafuertes. En este caso, la tensión diferencial dirigida hacia la superficie sin contrafuertes puede alcanzar los 35 megapascales (5100 psi) , suficiente para fracturar la roca. Este mecanismo también es responsable del desprendimiento de fragmentos en minas y canteras, y de la formación de diaclasas en afloramientos rocosos. ^{[ 17 ]} 

El retroceso de un glaciar suprayacente también puede provocar exfoliación debido a la liberación de presión. Esto puede verse potenciado por otros mecanismos de desgaste físico. ^{[ 18 ]}

La cristalización de la sal (también conocida como meteorización salina , acuñamiento salino o haloclastia ) provoca la desintegración de las rocas cuando las soluciones salinas se filtran en las grietas y fisuras de las rocas y se evaporan, dejando cristales de sal . Al igual que con la segregación del hielo, las superficies de los granos de sal atraen sales disueltas adicionales por acción capilar, lo que provoca el crecimiento de lentes de sal que ejercen una alta presión sobre la roca circundante. Las sales de sodio y magnesio son las más eficaces para producir meteorización salina. La meteorización salina también puede ocurrir cuando la pirita en la roca sedimentaria se meteoriza químicamente a sulfato de hierro(II) y yeso , que luego cristalizan como lentes de sal. ^{[ 9 ]}

La cristalización de sales puede ocurrir dondequiera que las sales se concentren por evaporación. Por lo tanto, es más común en climas áridos donde el calentamiento intenso provoca una evaporación intensa y a lo largo de las costas. ^{[ 9 ]} La meteorización de las sales probablemente sea importante en la formación de tafoni , un tipo de estructuras cavernosas de meteorización de rocas. ^{[ 19 ]}

Los organismos vivos pueden contribuir a la meteorización mecánica, así como a la meteorización química (véase § Meteorización biológica más adelante). Los líquenes y musgos crecen en superficies rocosas prácticamente desnudas y crean un microambiente químico más húmedo. La adhesión de estos organismos a la superficie de la roca intensifica la descomposición física y química de la microcapa superficial de la roca. Se ha observado que los líquenes desprenden granos minerales de la pizarra desnuda con sus hifas (estructuras de fijación similares a raíces), un proceso descrito como arrancamiento , ^{[ 16 ]} y que introducen los fragmentos en su cuerpo, donde estos sufren un proceso de meteorización química similar a la digestión. ^{[ 20 ]} A mayor escala, las plántulas que brotan en una grieta y las raíces de las plantas ejercen presión física y, además, facilitan la infiltración de agua y sustancias químicas. ^{[ 7 ]}

La disolución (también llamada disolución simple o disolución congruente ) es el proceso en el que un mineral se disuelve completamente sin producir ninguna sustancia sólida nueva. ^{[ 24 ]} El agua de lluvia disuelve fácilmente minerales solubles, como la halita o el yeso , pero también puede disolver minerales altamente resistentes como el cuarzo , dado el tiempo suficiente. ^{[ 25 ]} El agua rompe los enlaces entre los átomos en el cristal: ^{[ 26 ]}

La reacción global para la disolución del cuarzo es

SiO₂ + 2 _H₂O → _{H₄SiO₄​​}

El cuarzo disuelto adopta la forma de ácido silícico .

Una forma de disolución particularmente importante es la disolución de carbonatos, en la que el dióxido de carbono atmosférico intensifica la meteorización por disolución. La disolución de carbonatos afecta a rocas que contienen carbonato de calcio , como la caliza y la creta . Ocurre cuando el agua de lluvia se combina con dióxido de carbono para formar ácido carbónico , un ácido débil , que disuelve el carbonato de calcio (caliza) y forma bicarbonato de calcio soluble . A pesar de una cinética de reacción más lenta , este proceso es termodinámicamente favorable a bajas temperaturas, porque el agua más fría retiene más dióxido de carbono disuelto (debido a la solubilidad retrógrada de los gases). Por lo tanto, la disolución de carbonatos es una característica importante de la meteorización glacial. ^{[ 27 ]}

La disolución de carbonatos implica los siguientes pasos:

CO ₂ + H ₂ O → H ₂ CO ₃

dióxido de carbono + agua → ácido carbónico

H ₂ CO ₃ + CaCO ₃ → Ca (HCO ₃ ) ₂

ácido carbónico + carbonato de calcio → bicarbonato de calcio

La disolución de carbonatos en la superficie de la caliza bien fracturada produce un pavimento calizo diseccionado . Este proceso es más efectivo a lo largo de las fracturas, ensanchándolas y profundizándolas. ^{[ 28 ]}

En entornos no contaminados, el pH del agua de lluvia debido al dióxido de carbono disuelto ronda los 5,6. La lluvia ácida se produce cuando gases como el dióxido de azufre y los óxidos de nitrógeno están presentes en la atmósfera. Estos óxidos reaccionan en el agua de lluvia para producir ácidos más fuertes y pueden reducir el pH a 4,5 o incluso a 3,0. El dióxido de azufre (SO₂ ₎ proviene de erupciones volcánicas o de combustibles fósiles y puede convertirse en ácido sulfúrico en el agua de lluvia, lo que puede provocar la erosión por disolución de las rocas sobre las que cae. ^{[ 29 ]}

La hidrólisis (también llamada disolución incongruente ) es una forma de meteorización química en la que solo una parte de un mineral se disuelve. El resto del mineral se transforma en un nuevo material sólido, como un mineral de arcilla . ^{[ 30 ]} Por ejemplo, la forsterita ( olivino de magnesio ) se hidroliza en brucita sólida y ácido silícico disuelto:

Mg₂SiO₄ + 4H₂O ⇌ _2Mg ( _{OH ) ₂} + _{H₄SiO₄​}

forsterita + agua ⇌ brucita + ácido silícico

La mayor parte de la hidrólisis durante la meteorización de los minerales es hidrólisis ácida , en la que los protones (iones de hidrógeno), presentes en el agua ácida, atacan los enlaces químicos en los cristales minerales. ^{[ 31 ]} Los enlaces entre los diferentes cationes e iones de oxígeno en los minerales difieren en fuerza, y los más débiles serán atacados primero. El resultado es que los minerales en las rocas ígneas se meteorizan aproximadamente en el mismo orden en que se formaron originalmente ( Serie de Reacción de Bowen ). ^{[ 32 ]} La fuerza relativa de los enlaces se muestra en la siguiente tabla: ^{[ 26 ]}

Esta tabla es solo una guía aproximada del orden de meteorización. Algunos minerales, como la ilita , son inusualmente estables, mientras que la sílice es inusualmente inestable dada la fuerza del enlace silicio-oxígeno . ^{[ 33 ]}

El dióxido de carbono que se disuelve en agua para formar ácido carbónico es la fuente más importante de protones, pero los ácidos orgánicos también son fuentes naturales importantes de acidez. ^{[ 34 ]} La hidrólisis ácida del dióxido de carbono disuelto a veces se describe como carbonatación y puede dar lugar a la meteorización de los minerales primarios a minerales carbonatados secundarios. ^{[ 35 ]} Por ejemplo, la meteorización de la forsterita puede producir magnesita en lugar de brucita mediante la reacción:

Mg₂SiO₄ + _{2 CO₂} + ₂ H₂O ⇌ _{2 MgCO₃} + _H₄SiO₄​_​

forsterita + dióxido de carbono + agua ⇌ magnesita + ácido silícico en solución

El ácido carbónico se consume por la meteorización de los silicatos , lo que da lugar a soluciones más alcalinas debido al bicarbonato . Esta es una reacción importante para controlar la cantidad de CO₂ _en la atmósfera y puede afectar al clima. ^{[ 36 ]}

Los aluminosilicatos que contienen cationes altamente solubles, como los iones de sodio o potasio, liberarán los cationes en forma de bicarbonatos disueltos durante la hidrólisis ácida:

2 KAlSi ₃ O ₈ + 2 H ₂ CO ₃ + 9 H ₂ O ⇌ Al ₂ Si ₂ O ₅ (OH) ₄ + 4 H ₄ SiO ₄ + 2 K ⁺ + 2 HCO ₃ ⁻

ortoclasa (feldespato aluminosilicato) + ácido carbónico + agua ⇌ caolinita (un mineral de arcilla) + ácido silícico en solución + iones de potasio y bicarbonato en solución

En el ambiente de meteorización, se produce la oxidación química de diversos metales. La más común es la oxidación del Fe²⁺ ⁽ hierro ) por el oxígeno y el agua, que forma óxidos e hidróxidos de Fe³⁺ ^como la goetita , la limonita y la hematita . Esto confiere a las rocas afectadas una coloración marrón rojiza en la superficie, que se desmorona fácilmente y debilita la roca. Muchos otros minerales metálicos se oxidan e hidratan, produciendo depósitos coloreados, al igual que el azufre durante la meteorización de minerales sulfurados como las calcopiritas o el CuFeS₂ _, que se oxidan a hidróxido de cobre y óxidos de hierro . ^{[ 37 ]}

La hidratación mineral es una forma de meteorización química que implica la unión rígida de moléculas de agua o iones H+ y OH- a los átomos y moléculas de un mineral. No se produce una disolución significativa. Por ejemplo, los óxidos de hierro se convierten en hidróxidos de hierro y la hidratación de la anhidrita forma yeso . ^{[ 38 ]}

La hidratación masiva de los minerales es de importancia secundaria en comparación con la disolución, la hidrólisis y la oxidación, ^{[ 37 ]} pero la hidratación de la superficie del cristal es el primer paso crucial en la hidrólisis. Una superficie fresca de un cristal mineral expone iones cuya carga eléctrica atrae moléculas de agua. Algunas de estas moléculas se disocian en H+ que se une a aniones expuestos (generalmente oxígeno) y OH- que se une a cationes expuestos. Esto altera aún más la superficie, haciéndola susceptible a diversas reacciones de hidrólisis. Los protones adicionales reemplazan a los cationes expuestos en la superficie, liberándolos como solutos. A medida que se eliminan los cationes, los enlaces silicio-oxígeno y silicio-aluminio se vuelven más susceptibles a la hidrólisis, liberando ácido silícico e hidróxidos de aluminio para ser lixiviados o para formar minerales arcillosos. ^{[ 33 ] [ 39 ]} Los experimentos de laboratorio muestran que la meteorización de los cristales de feldespato comienza en dislocaciones u otros defectos en la superficie del cristal, y que la capa de meteorización tiene solo unos pocos átomos de espesor. La difusión dentro del grano mineral no parece ser significativa. ^{[ 40 ]}

La meteorización de los minerales también puede ser iniciada o acelerada por microorganismos del suelo. Los organismos del suelo constituyen aproximadamente 10  mg/cm³ ^de los suelos típicos, y experimentos de laboratorio han demostrado que la albita y la moscovita se meteorizan el doble de rápido en suelos vivos que en suelos estériles. Los líquenes en las rocas se encuentran entre los agentes biológicos más eficaces de meteorización química. ^{[ 34 ]} Por ejemplo, un estudio experimental sobre granito de hornblenda en Nueva Jersey, EE. UU., demostró un aumento de 3 a 4 veces en la tasa de meteorización bajo superficies cubiertas de líquenes en comparación con superficies de roca desnuda recientemente expuestas. ^{[ 41 ]}

Las formas más comunes de meteorización biológica resultan de la liberación de compuestos quelantes (como ciertos ácidos orgánicos y sideróforos ) y de dióxido de carbono y ácidos orgánicos por parte de las plantas. Las raíces pueden acumular el nivel de dióxido de carbono hasta el 30% de todos los gases del suelo, ayudado por la adsorción de _CO₂ en los minerales arcillosos y la muy lenta tasa de difusión de _CO₂ fuera del suelo. ^{[ 42 ]} El CO₂ y _los ácidos orgánicos ayudan a descomponer los compuestos que contienen aluminio y hierro en los suelos debajo de ellas. Las raíces tienen una carga eléctrica negativa equilibrada por los protones en el suelo junto a las raíces, y estos pueden intercambiarse por cationes de nutrientes esenciales como el potasio. ^{[ 43 ]} Los restos en descomposición de plantas muertas en el suelo pueden formar ácidos orgánicos que, cuando se disuelven en agua, causan meteorización química. ^{[ 44 ]} Los compuestos quelantes, principalmente ácidos orgánicos de bajo peso molecular, son capaces de eliminar iones metálicos de las superficies de roca desnuda, siendo el aluminio y el silicio particularmente susceptibles. ^{[ 45 ]} La capacidad de descomponer la roca desnuda permite que los líquenes se encuentren entre los primeros colonizadores de tierras áridas. ^{[ 46 ]} La acumulación de compuestos quelantes puede afectar fácilmente a las rocas y suelos circundantes, y puede conducir a la podsolización de los suelos. ^{[ 47 ] [ 48 ]}

Los hongos micorrícicos simbióticos asociados a los sistemas radiculares de los árboles pueden liberar nutrientes inorgánicos de minerales como la apatita o la biotita y transferir estos nutrientes a los árboles, contribuyendo así a su nutrición. ^{[ 49 ]} También se ha demostrado recientemente que las comunidades bacterianas pueden afectar la estabilidad de los minerales, lo que lleva a la liberación de nutrientes inorgánicos. ^{[ 50 ]} Se ha informado que una amplia gama de cepas o comunidades bacterianas de diversos géneros pueden colonizar superficies minerales o meteorizar minerales, y para algunas de ellas se ha demostrado un efecto promotor del crecimiento vegetal. ^{[ 51 ]} Los mecanismos demostrados o hipotetizados que utilizan las bacterias para meteorizar minerales incluyen varias reacciones de oxidorreducción y disolución, así como la producción de agentes de meteorización, como protones, ácidos orgánicos y moléculas quelantes.