4.11.2.2 Procesy

Procesy chemiczne są silne w tropikach, a przynajmniej oczywiste, ale procesy mechaniczne są obecne i ważne. Procesy mechaniczne idą w parze z chemicznymi, rzadko zdarza się, że jeden nie istnieje bez drugiego, a raczej pozytywnie się wzmacniają. Procesy zostaną tu omówione jeden po drugim, choć w rzeczywistości procesy działają razem w sposób synergiczny (patrz także Rozdział 4.2).

Z procesów mechanicznych, lód jest mało prawdopodobne, aby być agentem w klasycznie zdefiniowanych tropikach, jak również stres z sub-zamrażania skoków temperatury, oprócz cykli klimatycznych, które mogą być istotne na wyższych wysokościach lub na wyższych szerokościach geograficznych. Toczy się dyskusja, czy szok termiczny w wysokich temperaturach jest istotny (zob. Bland i Rolls, 1998; Eppes i in., 2010). Nawet jeśli tropiki nie osiągają tak wysokich temperatur powietrza jak pustynie (choć niektóre mogą się do nich zbliżać), temperatury powierzchni skał mogą przekraczać 70 °C, szczególnie w przypadku skał o ciemnej barwie (Thomas, 1994). Wysoka temperatura sama w sobie może nie być wystarczająca do powstania kruchego pęknięcia bez dużych ekstremów temperaturowych, ale temat ten nie został dobrze zbadany w tropikach. Wiadomo, że pożary, poza lasami deszczowymi w porach suchych i w czasie suszy, powodują ekstremalne temperatury zdolne do kruchego pękania skał (Goudie et al., 1992; Dorn, 2003). Wzrost kryształów w zamkniętych porach lub szczelinach może być przyczyną wietrzenia mechanicznego w tropikach. Zazwyczaj szybko rosnące minerały, takie jak sole, kalcyt i gips, są łatwo rozpuszczane i spłukiwane przez deszcz. Jednak w agresywnym środowisku chemicznym, szybkie uwalnianie pierwiastków takich jak sód, wapń i potas z minerałów skałotwórczych zapewnia dopływ nowych minerałów, jeśli tylko nadarzy się okazja. Szansa ta może pojawić się podczas pór suchych – które mogą wystąpić nagle – a sole mają możliwość gromadzenia się w pustkach, szczelinach i na granicach ziaren. Wietrzenie solne odgrywa rolę w ziarnistej dezintegracji i wietrzeniu kawernowym grubokrystalicznych skał obserwowanym w wilgotno-suchych tropikach, jak również w regionach suchych (Young, 1987; Turkington i Paradise, 2005). Sezonowe wilgotno-suche tropiki są zdolne do podtrzymywania pedogenicznego gipsu w glebach nad skałami węglanowymi (Luzzadder-Beach i Beach, 2008), innego możliwego źródła ekspansji krystalicznej poprzez hydratację kalcytu. Ekspansywne gliny i neoformowane tlenki żelaza mogą również wywierać nacisk (Nahon i Merino, 1997). Reprecypitacja krzemionki po rozpuszczeniu może być odpowiedzialna za dalsze otwieranie granic ziaren i pęknięć w skali mikronowej oraz sieci i uskoków krystalicznych w skali nanometrowej (Rozdział 4.4).

’Pressure unloading,’ sometimes known as dilation or sheeting, is the relief of overburden stress that causes expansion and then brittle fracture of formerly buried rocks. Odporne ciała skalne, dzięki odmiennej petrologii lub strukturze, przetrwały wietrzenie i erozję, by odsłonić się jako pozostałości w kształcie kopuły (bornhardts, inselbergs, tors, lub inne pokrewne terminy). Odsłonięte powierzchnie zewnętrzne są zatem podatne na uwolnienie ciśnienia, pękanie równoległe do powierzchni skały i normalne do powierzchni w celu uwolnienia płyt. Twidale (1973) przedstawił przeciwstawną opinię, że kopulaste fugowanie poprzedza odsłonięcie poprzez kompresję (nie rozciągnięcie), tak więc kopulaste inselbery są takie ze względu na ich spękania, a nie, że spękania są takie, ponieważ skała jest kopulasta. Niezależnie od tego, chociaż zjawisko to jest powszechnie obserwowane w skałach kopulastych o różnej litologii w tropikach (Rysunek 2, patrz także Shroder, 1973), proces ten nie jest ograniczony do tropików.

Należy zauważyć, że mechaniczne procesy wietrzenia, z wyjątkiem wzrostu kryształów neoformowanych minerałów, są ograniczone i zdeterminowane przez warunki powierzchniowe. Ponieważ profile wietrzenia mogą mieć wiele metrów grubości, te warunki i procesy powierzchniowe stanowią jedynie ułamek całego systemu wietrzenia (Ahnert, 1976).

Kombinacja obfitości czynników wietrzenia i wyższych temperatur zapewnia potencjał aktywnego środowiska wietrzenia chemicznego w tropikach. Produkty końcowe wietrzenia – kaolinit, gibbsyt i tlenki żelaza powszechne w tropikalnych glebach i regolicie – wskazują również na ostateczną stabilność chemiczną, tłumacząc brak składników odżywczych dostępnych w niektórych tropikalnych glebach. Szczegóły wietrzenia chemicznego są najlepiej wyjaśnione w Yatsu (1988), Nahon (1991) i Taylor i Eggleton (2001), ale podsumowane tutaj z naciskiem na tropikalne znaczenie.

Powstały kwas krzemowy, H4SiO4, może być transportowany na zewnątrz w wodach powierzchniowych lub gruntowych, ale ma również zdolność do dysocjacji i reprepitacji krzemionki jako neoformowany kwarc lub krzemionka amorficzna, istotna w procesie cementowania osadów, tworzenia durikrustów w regolicie, lub w przypadku twardnienia głazów (Conca i Rossman, 1982). Roztwarzanie krzemionki jest generalnie postrzegane jako proces mniej istotny w porównaniu do rozpuszczania innych minerałów krzemianowych i powolny. Jednak badania Schulza i White’a (1998) oraz Murphy’ego et al. (1998) pokazują, że wietrzenie chemiczne kwarcu w środowisku tropikalnym generuje 25-75% rozpuszczonej krzemionki w wodzie porowej regolitu (ponad wszystkie inne minerały krzemianowe). Roztwór generuje także mniejsze cząstki (patrz Rozdział 4.17; Pye (1983)) przypisał tropikalne wietrzenie wilgotne plejstoceńskich wydm piaszczystych powstawaniu kwarcu o rozmiarach mułu, który w horyzontach B i C gleby stanowił 10% osadu luzem. Roztwarzanie kwarcu jest również procesem odpowiedzialnym za powstawanie krasu krzemionkowego (patrz punkt 4.11.3.1).

Większość minerałów glinokrzemianowych ulega „rozpuszczeniu”, znanemu również jako roztwarzanie niezgodne lub hydroliza, wieloetapowy i równoległy proces z udziałem kwasów. Uogólniony proces obejmuje atak przez wodę i kwas do produkcji gliny, możliwe inne neoformed minerałów, kationów w roztworze, i kwasu krzemowego. Woda sama w sobie jest słabym donorem protonów H+, ale kwasy są znacznie bardziej wydajne. Kwas węglowy jest domyślnym i wszechobecnym kwaśnym czynnikiem wietrzenia, poprzez wodę deszczową naładowaną atmosferycznym CO2, lub wodę glebową naładowaną CO2 z powietrza glebowego (stężenie o ponad dwa rzędy wielkości wyższe w porównaniu z atmosferą, Ugolini i Sletten, 1991). Kwasy organiczne, pochodzące z rozkładu organicznego, jak również funkcji biotycznych (takich jak korzenie roślin), są również ważne (Ugolini i Sletten, 1991), a być może nawet dominujące w niektórych przypadkach (Wasklewicz, 1994).

To, co odróżnia roztwarzanie od rozpuszczania, zależy od materiału macierzystego (minerału), ale także od podaży wody jako czynnika wietrzeniowego lub ośrodka wietrzenia, a więc reagującego na różne warianty wilgotności tropikalnej. Taylor i Eggleton (2001) wyjaśniają, że podczas rozpuszczania niecałkowitego występują pośrednie stadia równowagi dynamicznej. Nasycenie i neoformowanie minerałów zachodzi w okresach ograniczenia wody, co stanowi tymczasową równowagę chemiczną. Dodanie nowej wody odmładza system, ustanawia chemiczną nierównowagę, a pozostałe minerały pierwotne wraz z minerałami neoformowanymi podlegają atakowi.

Dalej, goethyt odwadnia się tworząc hematyt. Tlenki żelaza, takie jak goethyt i hematyt są stabilne i pozostają w glebie i profilu wietrzenia. Te utlenione minerały nadają żywe żółte (goethyt), pomarańczowe i czerwone (hematyt) kolory tropikalnym glebom.

Hydratacja jest procesem podobnym do utleniania, w którym jony wodorotlenkowe (OH), a nie tlen, są włączane do matrycy mineralnej. Filokrzemiany, w tym gliny, są najbardziej godne uwagi pod względem hydratacji, gdzie jony wodorotlenkowe są wbudowywane pomiędzy warstwy krzemianowe. Yatsu (1988) uznał hydratację za proces raczej mechaniczny niż chemiczny, co jest argumentem podobnym do tego przedstawionego w rozdziale 4.4.

Procesy biochemiczne są obecnie uznawane za ważne dla wietrzenia (Krumbein i Dyer, 1985; Reith i in., 2008) i obejmują zestaw reakcji, w tym te wymienione powyżej, jak również chelatowanie, proces wyłącznie biochemiczny. Ollier i Pain (1996) wyjaśnili, że utlenianie jest zaangażowane w pobieranie przez roślinę żelaza i innych składników odżywczych za pośrednictwem korzeni. Uważa się, że wyczerpywanie się krzemionki jest wzmacniane przez działanie bakterii (Ollier i Pain, 1996). McFarlane (1987) wykazał znaczenie mikroorganizmów w ewolucji boksytu.

Chelatacja jest procesem, w którym metale są preferencyjnie ekstrahowane przez cząsteczki organiczne, pochodzące z rozkładającej się roślinności. It is presumed, but not well researched, that rapid organic decomposition in rainforest soils could produce an abundance of chelating weathering agents. Gleby tropikalne są siedliskiem ogromnej różnorodności mikrobów, współgrającej z różnorodnością biologiczną na powierzchni ziemi (Borneman i Triplett, 1997).