Alterazione I processi che governano la disgregazione e dissoluzione delle rocce a livello superficiale e subsuperficiale. martedì 4 ottobre 2011 Alterazione Alterazione di rocce e minerali dovute a processi che agiscono sulla o in prossimità della superficie terrestre • i) Causano un flusso di massa da un sito e/o • ii) Causano cambiamenti in fattori come la resistenza, la permeabilità o la dimensione delle particelle che alla fine influenzano il tasso di flusso di massa da un sito. martedì 4 ottobre 2011 Principali controlli dell’alterazione Termodinamica – materiali e reazioni (materiale parentale e reagenti). Cinetica - Tassi di reazioni e processi (tempo) Condizioni ambientali (Temperatura, umidità, pH, vegetazione) temperatura, umidità, pH, piante, insetti) martedì 4 ottobre 2011 Alterazione Disintegrazione, o demolizione della roccia (nessun trasporto, questa è erosione) Principali: Alterazione Meccanica (fisica) Alterazione Chimica Alterazione Biologica, dove può essere legata alla combinazione degli altri due martedì 4 ottobre 2011 I tre tipi di alterazione Chimico: ! In genere geochimica acquosa; cambi di composizione. Meccanica (fisica): ! Demolizione meccanica delle rocce; cambismento di dimensioni, Biologica:! Effetti degli organismi, possono agire come gli altri due. ! ! Lʼimportanza relativa varia. martedì 4 ottobre 2011 Alterazione meccanica Non ci sono cambiamen1 di composizione, solo una disgregazione in pezzi più piccoli. martedì 4 ottobre 2011 Alterazione chimica La disgregazione è il risultato di reazioni chimiche. • esempio: CaCO3+CO2+H2O à Ca2+ + 2HCO3-oppurecalcite (calcari) + anidride carbonica + acqua à calcio + bicarbonato martedì 4 ottobre 2011 Alterazione meccanica • Processi di alterazione Esfoliazione Azione del gelo Umidità / Secco Alterazione salina Espansione termica • Forme di alterazione associate Duomi di esfoliazione Rocce fortemente fraEurate con deposi1 di detri1 Conoidi di versante martedì 4 ottobre 2011 Alterazione meccanica martedì 4 ottobre 2011 Alterazione chimica • Processi di alterazione Idrolisi (formazione minerale secondaria) Dissoluzione Idratazione Carbonatazione Ossidazione • Forme di alterazione associate Alterazione sferoidale Pozze di dissoluzione (gnamma pits) Topografia carsica Tors e Bornhardts martedì 4 ottobre 2011 Alterazione chimica martedì 4 ottobre 2011 Alterazione meccanica Demolizione fisica dovuta a: • Rilascio di pressione • Congelamento e fusione di acqua • Espansione e contrazione termica • Cristallizzazione di sali nelle rocce martedì 4 ottobre 2011 Alterazione meccanica Cambiamenti in volume I! volume totale II! piccoli volumi: vuoti o fessure martedì 4 ottobre 2011 Alterazione meccanica Cambiamenti in volume totale Esfoliazione ! Sono rocce formate a grande pressione allʼinterno della crosta terrestre riportate in superficie dallʼerosione. ! Avviene una riduzione dello stress dovuta allʼespansione alla superficie con la formazione di superfici di esfoliazione o disintegrazione granulare lungo grani o contatti tra grani. martedì 4 ottobre 2011 Rilascio di pressione - Esfoliazione La roccia si rompe in strati che sono paralleli alla superficie topografica. Quando la roccia viene scoperta da quella superiore, si espande (dovuta alla diminuzione della pressione confinante. martedì 4 ottobre 2011 Rilascio di pressione - Esfoliazione Giunti di esfoliazione martedì 4 ottobre 2011 Esfoliazione nella parte esterna della valle glaciale Half Dome, Yosemite Valley, California martedì 4 ottobre 2011 Altri esempi di esfoliazione Ripetuti cicli di espansione e contrazione in zone prossime alla superficie può portare all’arrotondamento meccanico senza trasporto (come per I fiumi). martedì 4 ottobre 2011 Altri esempi di esfoliazione Ripetuti cicli di espansione e contrazione in zone prossime alla superficie può portare all’arrotondamento meccanico senza trasporto (come per I fiumi). martedì 4 ottobre 2011 Congelamento e fusione Crioclastismo: Rottura della roccia causata dall’espansione del ghiaccio nelle rocce. Cambiamento di volume nei vuoti martedì 4 ottobre 2011 Alterazione meccanica L’acqua riempie le fra7ure durante il giorno e congela durante la no7e. Questo può demolire la roccia. martedì 4 ottobre 2011 Congelamento e fusione Rocce spaccate sono abbastanza comuni in ambien1 alpini freddi dove l’alternanza di cicli di gelo-­‐disgelo gradualmente spaccano le rocce. martedì 4 ottobre 2011 Congelamento e fusione Un’ampia estensione di questo 1po di rocce spaccate dal gelo-­‐disgelo prende il nome di felsenmeer (dal tedesco “mare di roccia”) Sierra Nevada, CA martedì 4 ottobre 2011 martedì 4 ottobre 2011 Felsenmeer (mare di roccia) martedì 4 ottobre 2011 Alterazione meccanica Idratazione / Dissecazione Espansione e contrazione dovuta allʼumidificazione ed al disseccamento Aggiunta di acqua nella struttura della roccia o di un minerale può causare lʼespansione del minerale stesso. In genere miche ed argille fillosilicati sono i più sensibili. Esempio: Idratazione della biotite nei graniti. martedì 4 ottobre 2011 Cristallizzazione di sali Alterazione da sali ! Crescita di cristalli di sale da soluzioni iperconcentrate. Fluidi salini possono riempire fratture e spazi tra cristalli che, espandendo, creano piccole conche sulle superficie delle rocce.. martedì 4 ottobre 2011 Alterazione meccanica Intensità dellʼinsolazione (riscaldamento e raffreddamento) Espansione e contrazione termica i! Può causare importanti variazioni di volume ad alte temperature ii! Incendi possono portare a scheggiare la roccia martedì 4 ottobre 2011 Espansione termica Rocce fraEurate: Estreme variazioni di temperature nei deser1 Ripetuta dilatazione e contrazione dei minerali martedì 4 ottobre 2011 Conseguenza dell’alterazione fisica Riduzione del materiale roccioso a frammenti più piccoli e più facili da trasportare. Aumento della superficie esposta della roccia e quindi maggiore possibilità di ulteriore alterazione (fisica, chimica, biologica). martedì 4 ottobre 2011 Meccanismi dell’Alterazione Chimica Trasformazione/decomposizione di un minerale in un altro. Distruzione minerale: esempio: • carbonato (CaCO3) dissolve facilmente • minerali primari --> minerali secondari (prevalentemente argille) La chiave è: parte degli elementi che erano nella roccia vengono portati in soluzione e trasportati via. martedì 4 ottobre 2011 Tasso di alterazione Formazione di fratture nella roccia permettono l’infiltrazione dell’acqua – questo può amplificare l’alterazione meccanica (o chimica) Un’alterazione che permette ulteriore alterazione (retroazione positiva) Porta all’alterazione sferoidale (o sferica). martedì 4 ottobre 2011 Alterazione sferoidale Diffonde l’alterazione nella roccia portando a formazione di ciottoli arrotondati immersi in una matrice alterata… martedì 4 ottobre 2011 Alterazione sferoidale Diffonde l’alterazione nella roccia portando a formazione di ciottoli arrotondati immersi in una matrice alterata… martedì 4 ottobre 2011 Alterazione sferica Questi ciottoli (detti corestones) sono il risultato di unʼalterazione differenziale lungo fratture. martedì 4 ottobre 2011 Alterazione sferica Che possono arrivare allʼesposizione quando la matrice alterata viene completamente asportata. martedì 4 ottobre 2011 Tassi di Alterazione Chimica Che cosa controlla il tasso di dissoluzione? 1! Percorso dei fluidi: ! La distanza percorsa agisce sullʼaggressività ionica, pH, " " " etc... i)" flusso superficiale/ flusso nei suoli/ flusso sotterraneo ii)" sequenze: "suoli verso suoli " " " " suoli verso roccia alterata (bedrock) 2 Tempo di contatto: Lungo contatto = maggiore rimozione, ma il tasso diminuisce con la saturazione dellʼacqua. Lʼacqua di falda dovrebbe avere una maggiore quantità di specie chimiche dissolte. martedì 4 ottobre 2011 Tassi di Alterazione Chimica Che cosa controlla il tasso di dissoluzione? 3! Flusso dʼacqua! " più H2O = più dissoluzione 4! Associazione minerale ! i)" Proprietà termodinamiche controllano la dissoluzione " " " ii)" Cinetica – controlla il tasso di reazione (kinetics) iii)" Cap. tampone – controlla la quantità di acidi e basi richieste per cambiamenti pH. iv)" Adsorbimento – acquisizione di ioni su superfici di argille; controlla la capacità nutrizionale dei suoli. martedì 4 ottobre 2011 Tassi di Alterazione Chimica Che cosa controlla il tasso di dissoluzione? 5! Influenze biologiche Chelazione: Il legame con sostanza organica decomposta permette agli ioni metallici di diventare più solubili e permette la migrazione e la reprecipitazione. Importante per aree fredde/calde. 6! Temperatura: Influenza la cinetica delle reazioni " " " " " martedì 4 ottobre 2011 caldo= veloce" tropici – profili di alterazione profondi freddo= lento" alte latitudini - profili di alterazione " " " " " sottili Alterazione Chimica I processi che demoliscono la roccia aEraverso cambiamen1 chimici. Gli agenti dell’alterazione chimica – Acqua – Ossigeno – Anidride carbonica – Organismi viventi – Piogge acide martedì 4 ottobre 2011 Meccanismi dell’alterazione chimica Acqua è l’agente principale: Dissoluzione Molti composti organici e non disslvono in acqua (perché contengono): – Si, K, Na, Mg, Ca, Cl, CO3, SO4 Reazioni acide Acqua + CO2 <---> Acido carbonico Acqua + solfuri <---> acido solforico H+ efficace nella demolizione dei minerali martedì 4 ottobre 2011 Carbonatazione ! Acqua e anidride carbonica reagiscono in atmosfera su superfici ricche in sostanza organica per produrre acido carbonico: ! ! ! ! ! ! ! ! ! H2O + CO2 (g) ↔ H2CO3 ! ! ! ! ! acido carbionico ! ! ! ! ! H2CO3 ↔ H+ + HCO3! ! ! ! ! Bicarbonato = In acqua è lo ione più abbondante (in natura); controlla il pH delle acque naturali. martedì 4 ottobre 2011 Carbonatazione pCO2 in atmosfera = 0.03% in volume (3 x 10-4 bar) pCO2 in suoli è alto (i.e., 1 - 2%) dovuto alla decomposizione microbica di sostanza organica ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! fotosintesi nCO2 + nH2O ↔ (CH2O)n + nO2 ! ! respirazione pH Suoli < pH acqua naturale Per cui I suoli sono più acidi della pioggia e molta dellʼalterazione avviene nel sottosuolo. martedì 4 ottobre 2011 Soluti Rappresenta la parziale o completa dissoluzione o la conversione da solido in soluto. pH = concentrazione inversa (log base 10) della concentrazione di ioni idrogeno in grammi/litro neutro:! pH = 7 (10-7 g of H+ / litro) acido:!! pH < 7 (più H+)! ! ! alcalino: ! pH > 7 (meno H+) Tasso di soluzione = f (cinetica, pH, solubilità, e flusso dʼacqua) martedì 4 ottobre 2011 Soluti i) La solubilità di alcune specie cambia con piccole variazione di pH. ii) ! Bassa solubilità dei silicati martedì 4 ottobre 2011 Soluti Dissoluzione dei silicati Rocce silicatiche dissolvono lentamente (in generale) Concentrazione di Si(OH)4 generalmente 5-20 ppm Dissoluzione dei carbonati ! ! ! CaCO3 + H2O + CO2 ↔ Ca2+ + 2HCO3! ! ! calcite! ! ! ! ! bicarbonato Rocce Carbonatiche (i.e., Calcari) generalmente dissolvono più velocemente dei silicati. martedì 4 ottobre 2011 Soluti Introduzione di altri ioni, specialmente solfuri e Nitrati, possono diminuire il pH delle acque. ! ! ! ! 2SO2 + 2H2O + O2 ↔ 2SO42- + 4H+ ”Piogge acide” parzialmente dovute alle emissioni di solfati in Europa and Stati Uniti Orientali Valori tipici di pH " " " " " " pioggia “normale” ≈ 5.7 (dovuto prevalentemente allʼacido carbonico) pioggia “acida” < 5.6 suoli “normali” ≈ 4.6 Piogge normali USA Orientali. & Scozia ≈ 4.0 (low = 2.1 & 2.4) Aceto= 2.4 Coca Cola ≈ 2.3 martedì 4 ottobre 2011 Piogge acide I composti derivati da combustione di carbone, olio e gas, reagiscono chimicamente con acqua a formare acidi. Piogge acide provocano un’alterazione chimica molto rapida. martedì 4 ottobre 2011 Vaschette di dissoluzione martedì 4 ottobre 2011 Vaschette di dissoluzione dovute a sali marini, costa dell’Oregon martedì 4 ottobre 2011 Dissoluzione H2O + CO2 + CaCO3 --> Ca+2 + 2HCO3acqua + CO2+ calcite dissolta à ione calcio + ione bicarbonato martedì 4 ottobre 2011 Dissoluzione Processo nel quale le rocce sono dissolte dall’acqua: – fortemente influenzato dal pH e dalla temperatura. – (perché la disponibilità di H+ e CO2 è importante) Quando l’acqua si satura, composti chimici possono precipitare e formare depositi evaporitici. Il Carbonato di calcio (calcite, calcari), cloruro di sodio (sale), e solfato di calcio (gesso) sono particolarmente vulnerabili all’alterazione per dissoluzione. martedì 4 ottobre 2011 Idrolisi Feldspati+acido carbonico+H2O = Caolinite (argilla) + ione K (potassio) disciolto + ione bicarbonato disciolto + silicio disciolto L’argilla è un minerale poco duro e disposto su fogli, per cui la roccia si disgrega. martedì 4 ottobre 2011 Stabilità minerale e minerali secondari Lʼalterazione chimica generalmente include cambiamenti nelle associazioni minerali a partire da quelli della roccia madre. Lʼacqua può accedere ai minerali attraverso l interfacce tra I singoli grani, piccole aperture, fratture ecc.. (Rocce con grana più grossolani hanno generalmente aperture più grandi, per cui più vulnerabili allʼalterazione). martedì 4 ottobre 2011 Stabilità minerale e minerali secondari Reazioni più comuni Al-silicato-catione + H2CO3 ---> HCO3- + H4SiO4 + catione+ + Al-silicato Rimozione di catione produce Al-silicati “puliti” Ricordiamo che H2CO3 è prodotto dalla reazione tra atmosfera e acqua. Lʼalterazione consuma H2CO3 e perciò fissa CO2 dallʼatmosfera. martedì 4 ottobre 2011 Stabilità minerale e minerali secondari Mobilità relativa dei cationi: ! ! Ca2+ > Mg2+ > Na+ > K+ > Si4+ > Fe3+ > Al3+ Intenso attacco tende a lasciare più Fe in Al-silicati e ridurre Ca, Na. Molti suoli tropicali sono molto poveri di nutrienti. martedì 4 ottobre 2011 Resistena all’alterazione Primi a cristallizzare Serie di Bowen Ultimi a cristallizzare martedì 4 ottobre 2011 Veloce alterazione Serie di stabilità di Goldrich Lenta alterazione oxides Minerali d’argilla vengono decomposti in idrossidi d’alluminio e silicio dissolto. martedì 4 ottobre 2011 Minerali d’Argilla I minerali secondari (argille) sono: – Chimicamente alterati, o sono sotto alterazione chimica. – Minerali molto reattivi con superfici elettricamente cariche. – Costituiti da singole fogli di argilla, le loro proprietà sono il risultato dell’aggregazione di questi singoli minerali. martedì 4 ottobre 2011 Struttura delle argille Sono composte da strati di tetraedri e ottaedri sovrapposti tra loro. martedì 4 ottobre 2011 Caolinite (argilla 1:1) Sovrapposizione di sequenze continue di tetraedri (Si centrati) e ottaedri (Al centrati). Gli idrossidrili dello strato ottaedrico (base dello strato di Al) è adiacente agli ossigeni dello strato tetraedrico (top dello strato di Si). Questo permette la costruzione di un legame idrogeno. martedì 4 ottobre 2011 Argille 2:1 I minerali argillosi 2:1 hanno uno strato ottaedrico e due tetraedrici. Questo porta ad avere dei legami più deboli tra I gruppi TOT che vengono uniti da molecole di acqua o vari ioni Queste argille comprendono: Smectite (Montmorilinite) Vermiculite Illite Clorite martedì 4 ottobre 2011 Contrazione/ingrossamento in argille martedì 4 ottobre 2011 Ossidazione ed ossidi Ossidazione = perdita di elettroni Riduzione = guadagno di elettroni Ferro nelle rocce è quasi sempre Fe2+, ossidazione converte in Fe3+ Cambiamenti nel bilancio di carica può aumentare la vulnerabilità a altri processi di alterazione. Lʼossidazione modifica il colore delle rocce e dei suoli. martedì 4 ottobre 2011 Ossidazione ed ossidi Ossidazione può interessare i minerali primari e secondari (argille) contenenti significativo Fe, formando Ematite [Fe2O3] e limonite [FeO(OH)•nH2O]. martedì 4 ottobre 2011 Ossidazione ed ossidi Ferro si combina con l’ossigeno in presenza di acqua con un processo chiamato ossidazione e produce ossidi (ruggine) martedì 4 ottobre 2011 Altyerazione bilogica Può unire sia alterazione chimica che meccanica. • Radici che spaccano le rocce • Radici producono acidi – e dissolvono le rocce. • Caduta delle piante • Scavi di animali (tane) • Rendono H+ disponibili (acidi) martedì 4 ottobre 2011 Radici delle piante martedì 4 ottobre 2011 Crescita delle piante • Crescita delle radici -­‐ radici crescono all’interno di fraEure della roccia, si espandono e spostano le varie par1. martedì 4 ottobre 2011 Scavi di animali martedì 4 ottobre 2011 Tane di termiti, Northern Territory, Australia martedì 4 ottobre 2011 Licheni e muschi Crescita su roccia Radici penetrano nei pori e nelle cavità e, quando crescono, spaccano la roccia. Licheni producono acidi deboli che alterano chimicamente la roccia. martedì 4 ottobre 2011 Alterazione. Controllo a grande scala • Clima – CaraEeris1che temperature ed umidità – Alterazione chimica • Molto efficace in aree con climi caldo-­‐umidi – il veloce ricambio di vegetazione crea acidi che intensificano l’alterazione. • Meno efficace nelle regioni polari (acqua soEoforma di ghiaccio) e nelle regioni aride (pochissima acqua). – Alterazione meccanica • Intensificata dove esistono frequen1 cilci gelo-­‐disgelo. martedì 4 ottobre 2011 martedì 4 ottobre 2011 Alaska Seattle Amazonia martedì 4 ottobre 2011 Altopiano Prodotti dellʼalterazione Carichi dissolti nei fiumi HCO3- è il catione dominante in molte acque naturali. Cl- importanti presso le coste e nelle aree aride. SO42- troppo poco per essere misurato in molte acque naturali – aumento per lʼinquinamento. NO3-, PO4- Primariamente di origine da decomposizione organica, fertilizzanti. Carico dissolto è ca. il 30% del carico totale, ma… Gange" " " 8% (molto detrito dallʼHimalaya) Amazonia" " 18%" " Mississippi" " 20% Yukon" " " 28% Zaire" " " 42% Volga" " " 64% St. Lorenzo"" 89% (blanda topografia, grandi laghi a monte) martedì 4 ottobre 2011 martedì 4 ottobre 2011 martedì 4 ottobre 2011 Alterazione >> Erosione martedì 4 ottobre 2011 Alterazione >> Erosione martedì 4 ottobre 2011 Erosione >> Alterazione Alterazione >> Erosione Forte sviluppo di saprolite Tropicale (caldo, umido) martedì 4 ottobre 2011 Erosione >> Alterazione Alterazione >> Erosione Erosione >> Alterazione Suoli sottili Polari / Alpini (freddo, secco) Forte sviluppo di saprolite Tropicale (caldo, umido) martedì 4 ottobre 2011 Alterazione della Piramide di Snofru, presso Il Cairo, Egitto martedì 4 ottobre 2011 Alterazione della Piramide di Snofru, presso Il Cairo, Egitto martedì 4 ottobre 2011 Topografia carsica CO2 dissolve in acqua piovana e crea acido carbonico. l’Acido carbonico altera facilmente I carbonati e I marmi. martedì 4 ottobre 2011 Topografie dominate dall’alterazione Topografia carsica – generata prevalentemente dalla soluzione di rocce carbona1che martedì 4 ottobre 2011 Dolina di crollo, Alabama – 120m larghezza per 40m di profondità martedì 4 ottobre 2011 Casa caduta in una dolina di crollo, Bartow, Florida (1967) martedì 4 ottobre 2011 Sinkholes martedì 4 ottobre 2011 Il carsismo -­‐ Le groEe martedì 4 ottobre 2011 Il carsismo: scomparsa dei fiumi martedì 4 ottobre 2011 Carlsbad Caverns, New Mexico martedì 4 ottobre 2011 Carso a torri, Li River, Guilin, China martedì 4 ottobre 2011 Carso a pinnacoli, Chocolate Hills, Bohol, Philippines martedì 4 ottobre 2011 Orizzonti induriti (Duricrusts) Definizione:! strati induriti formati dalla concentrazione di particolari componenti durante lʼalterazione Importanza: !Sorgenti di bauxite (depositi di alluminio) ! ! evidenze di climi del passato ! ! ruolo nellʼevoluzione di un paesaggio Meccanismo di formazione: ! i! estrazione ! ii! accumulo. martedì 4 ottobre 2011 Pilbara iron duriscrust, Australia Orizzonti induriti (Duricrusts) Estrazione: Intense precipitazioni rimuovono composti più mobili e lasciano composti meno mobili. ferricrete: Fe duricrust" alcrete: Al duricrust Accumulo Materiali mobilizzati vengono re-precipitati in orizzonti specifici. silcrete = silicio " calcrete = carbonato di calcio" gypcrete = gesso Cause Profonda penetrazione di piogge (aree aride) Cambio in pH (effetto della soluzione) martedì 4 ottobre 2011 Duricrusts topografia invertita Duricrusts sono duri per cui possono essere molto più resistenti allʼerosione. martedì 4 ottobre 2011 Alterazione differenziale La resistenza all’erosione delle rocce, o quelle che sono state alterate per un tempo minore, tendono a formare scarpate più inclinate e sono esposte a quote più elevate (localmente). martedì 4 ottobre 2011 Alterazione fisica sul Mt. Whitney in background Alterazione chimica sulle Alabama Hills in primo piano Formate dallo stesso plutone. La differenza è in età di esposizione, temperatura dell’aria e glacialismo. martedì 4 ottobre 2011 Alterazione differenziale Delicate Arch, Arches NP, Utah martedì 4 ottobre 2011 Canyon de Chelly Cristallizzazione più alterazione differenziale martedì 4 ottobre 2011 Forme legate all’alterazione Tors sono affioramenti di roccia che sono più esposti rispetto la topografia locale. 2 modelli di formazione i! profonda alterazione, quindi erosione. ii! differente resistenza allʼerosione martedì 4 ottobre 2011 Granite Tors martedì 4 ottobre 2011 Alterazione dei suoli Conosciamo di più il movimento dei corpi celesti di quanto conosciamo il suolo sotto i nostri piedi - Leonardo da Vinci martedì 4 ottobre 2011