Daha çox

1.5: Aşınma - Yerşünaslıq


1.5.1 Weathering Giriş

Aşınma üçün istifadə olunan termindir yerin səthində və biraz aşağıda olan daşların kimyəvi parçalanması və fiziki parçalanması. Aşınma səthə yaxın olan bütün təməl daşlara təsir edir, baxmayaraq ki, bir çox amillərdən asılı olaraq təbiəti və dərəcəsi müxtəlifdir.

Dərinlikdəki qaya, səthdə aşınma və aşınma məhsullarının çıxarılması ilə tədricən dam örtüklərini açaraq səthə doğru yuxarıya doğru uzanmağa meyllidir. Bu nisbi hərəkət məsələsidir: dərinlikdəki təməl daş ya hərəkətsiz ola bilər (deyək ki, yerin mərkəzinə nisbətən) və ya qalxmaqla yavaşca yuxarıya və ya çökmə ilə aşağıya doğru hərəkət etmək, lakin hər halda səthindəki material soyulursa, yer səthinə nisbətən yuxarıya doğru hərəkət edir. Astherock səthə yaxınlaşır, adlananlara tabe olma meyli göstərir səthə yaxın dəyişiklik: daha dərinlikdən daha aşağı təzyiq və temperaturda özünü tapır və oksigenlənməyə və həll olunmuş CO2 daşımağa meylli olan səthdən qaynaqlanan sular, ferromagnesian silikatlar və feldispatlar kimi bir çox tərkib minerallarda müəyyən kimyəvi reaksiyalara səbəb olma fürsətinə malikdir. Bir mənada səthə yaxın dəyişikliyi daha sərt mənada havalanma üçün bir xəbərçi və ya öncül kimi düşünə bilərsiniz. Lakin səthə yaxın bu cür dəyişikliyə baxmayaraq, qaya hələ də möhkəm bir təməldir və regolit kimi təsvir edilə bilən bir vəziyyətin heç bir yerində deyil.

Ümumiyyətlə qəbul olunmuş mənada, hava şəraiti, səthə çıxarılan sulardan yalnız aktiv sirkulyasiyadan deyil, həm də temperatur dəyişikliyi və bitki böyüməsi kimi şeylərdən təsirlənəcək qədər səthə yaxın olan qaya üzərində işləyir. Ancaq hava şəraitini düşünməklə özünüzü günəşin işıqlandığı həqiqi qaya səthi ilə məhdudlaşdırmaq lazım deyil!

Hava şəraiti ənənəvi olaraq iki proses qrupuna bölünür:

  • kimyəvi aşınma, tərkibindəki mineralların və ya təməl qayanın bir hissəsinin və ya hamısının kimyəvi parçalanması.
  • fiziki aşınma, təməl qayanın özünün mexaniki və böyük və kiçik hissəciklərə parçalanması.

Bu faydalı bir fərqdir, amma başa düşülən çox vacib bir həqiqət budur: kimyəvi aşınma və fiziki aşınma eyni vaxtda hərəkət edir və bir-birini gücləndirir.

1.5.2 Kimyəvi Aşınma

Kimyəvi olaraq, yerin səthi çox reaktiv bir yerdir. Əksər yerlərdə və ən azı müəyyən vaxtlarda başlamaq səth sulu bir mühitdirvə su tək başına çox təsirli bir həlledici deyil, həm də çox sayda kimyəvi reaksiya üçün lazımlı bir vasitədir.

Əksər yerlərdə atmosferdəki oksigenin yüksək olması sayəsində yerin səthi yaxşı oksigenlənmiş bir mühitdirüzvi maddələrin konsentrasiyası o qədər də böyük olmayan və su keçiriciliyi o qədər az olduqda (bataqlıqlarda və bataqlıqlarda olduğu kimi) dayaz yeraltıda olduğu kimi, oksigen üzvi maddələrin oksidləşməsində aşağı dərinliklərə keçmədən əvvəl istehlak olunur. (Oksidləşmənin təbiətindən əmin deyilsinizsə, sonradan bunun üzərində bir sıra fon materialları olacaqdır.) Çünki ümumi süxur əmələ gətirən mineralların çoxunun tərkibində qara dəmir var (yəni azalmış vəziyyətdə olan dəmir və beləliklə həssasdır) həll olunmayan dəmir vəziyyətinə oksidləşmə), oksidləşmə reaksiyaları kimyəvi aşınmanın vacib bir tərəfidir.

Eyni şəkildə, çünki atmosferdə böyük bir nisbətdə karbon qazı (CO) var2), səth suları daim nəzərəçarpacaq dərəcədə həll olunmuş CO ehtiva edir2. Artıq CO olduğunu bilirsiniz2 suda asanlıqla həll olunur. CO həll oldu2 suyun özü ilə reaksiya verərək zəif bir turşu əmələ gətirir, karbon turşusu, reaksiyaya görə

[ ce {CO2 + H2O <=> H2CO3} etiket {1} ]

Tarazlıqda, həll olunan CO-nun təxminən yüzdə biri2 karbon turşusu şəklindədir. Əksər minerallar neytral mühitə nisbətən asidik bir mühitdə daha az dayanıqlıdır, buna görə həll olunmuş CO2 bir çox mineralın hava şəraitini artırır.

Konkret olaraq, Reaksiya 1 ilə nə baş verir? İki oksigen atomu ilə sıx bir şəkildə bağlanmış bir karbon atomundan ibarət olan bir karbon dioksid molekulu, iki hidrogen atomu ilə sıx bir şəkildə bağlanmış bir oksigen atomundan ibarət bir su molekulu ilə tək, yeni bir şəkildə birləşir. , daha böyük molekul, H kimyəvi formulu ilə2CO3, istehsal olunur. Sulu məhlulda bu proses hər zaman davam edir və eyni zamanda H2CO3 molekullar yenidən CO-ya dəyişdirilir2 və H2Ey molekullar. Balansın olduğu yer, tətbiq olunan CO konsentrasiyasından asılıdır2bu vəziyyətdə ya atmosferdən, ya da üzvi maddələrin kimyəvi parçalanmasından gəlir. (Yəqin ki, bilirsiniz ki, fotosintez yolu ilə bitkilər su və karbon dioksidi götürərək onu kompleks karbohidrat molekullarına çevirirlər və bitki öldükdə və bitki toxumaları oksigenli sulu mühitə məruz qaldıqda bunun tərsi olur və üzvi maddələr parçalanır. aşağı karbon qazına və suya.)

Karbon turşusu səthə yaxın təbii sularda yayılmış yeganə turşu deyil: əksər quru ərazilərdə, ya da torpaqda yaşayan orqanizmlər (həm bitki, həm də heyvanlar) (yəni regolit təbəqəsinin ən üst hissəsi) karbon qazından və üzvi maddə istehsal etmək üçün müxtəlif qida maddələri, tərkibindəki birləşmələrə qədər çürüməsində istehsal etməyə meyllidir müxtəlif zəif üzvi turşular.

Bu hissənin qalan hissəsində bir neçə növ kimyəvi reaksiya, təməl mineralların kimyəvi parçalanmasında vacib olan çöküş reaksiyalarını göstərəcəkdir. Onlar daxildir həll, oksidləşmə və karbonlaşma, müxtəlif yollarla. Bu xüsusi reaksiyaların vacib olmasına baxmayaraq bunlar sadəcə təmsil olunan reaksiyalardır: təfərrüatlar yıpranmış mineralların yığılmasına və onların tərkiblərinə görə dəyişir (bunlar, silikat minerallarındakı ion əvəzetmələrinin genişliyi səbəbindən çox fərqlidir).

Həll

Bəzi minerallar sadəcə suda həll olun. Halit (sodyum xlorid) və gips (nəmləndirilmiş kalsium sulfat) yaxşı nümunələrdir:

[ ce {NaCl (s) <=> Na ^ {+} + Cl ^ {-}} etiket {2} ]

[ ce {CaSO4 cdot H2O <=> Ca ^ {2+} + SO4 ^ {2-} + H2O} label {3} ]

Bu, anlamaq üçün ən sadə hava şəraiti reaksiyasıdır, amma ən əsası deyil. Daha vacib və daha mürəkkəb bir həll növü əhəngdaşının tərkib hissəsi olan kalsitdən ibarətdir:

[ ce {CaCO3 (s) + CO2 + H2O <=> Ca ^ {2+} + 2H ^ {+} + CO3 ^ {2-}} etiket {4} ]

Bu reaksiyanın daha mürəkkəb olmasının səbəbi, suda həll olunan atmosfer karbon dioksidini əhatə etməsidir. CO2 CO səbəbiylə iştirak etməlidir32- ion həm mineralın tərkibində, həm də məhlulun məhsulu olaraq, sonra CO-nun ayrılmasıdır2 suda. (Təsadüfi qeyd: bu reaksiya CO konsentrasiyasından asılı olaraq hər iki tərəfə keçə bilər2: əgər CO2 hava şəraitində olduğu kimi sistemə əlavə olunur, kalsit həll olunur; sistemdən çıxarılırsa, müəyyən sığ isti okean mühitlərində olduğu kimi, kalsium karbonat çöküntüsü çökür. Növbəti dəfə Karib dənizindəki ağ karbonat-qum çimərliyində yatdığınızı düşünün.)

Alüminium və ya dəmir olmayan silikat minerallarının karbonlaşdırılması:

Alüminium olmayan silikat minerallarının əksəriyyəti həm Fe ehtiva edir2+ və Mg2+ müxtəlif nisbətlərdə ionlar. Bu cür minerallar üçün tək bir hava proqnozu yazmaqdansa, yalnız maqneziumlu və yalnız dəmiri olanlar üçün ayrı reaksiyalara baxmaq daha yaxşıdır. Bu cür minerallar, mövcud olmasına baxmayaraq, yaygındır, lakin aşınma reaksiyaları ibrətamizdir. Əvvəlcə magmatik süxurlarda yayılmış bir mineral olan və kimyəvi aşınmaya çox həssas olan zeytinin aşınmasına baxın. Magmatik süxurlarda olan zeytunların əksəriyyətində maqneziuma əlavə bir az dəmir var, ancaq sadəlik üçün təmiz bir maqnezium olivinlə qarşılaşdığımızı düşünək:

[ ce {Mg2SiO4 + 4CO2 + 4H2O → 2Mg2 + + 4HCO3- + H4SiO4} etiketi {5} ]

(Mən burada və aşağıda ikiqat oxu əvəzinə tək oxu istifadə etdim, çünki bu reaksiyaların əksi mineralların dərin Yer şəraitində necə qurulduğu deyil.)

Qeyd edək ki, “silisium” (yəni SiO)2 orijinal və ya başqa bir şəkildə) orijinal silikat mineralından çıxarılır. Əksər təbii sularda məhlulda dominant silisium növləri H-dir4SiO4, zəif bir turşu deyilir silisium turşusu. Dörd hidrogen atomu, dörd oksigen atomu və bir silikon atomundan ibarət olan bir molekul şəklindədir, hamısı bir-birinə sıx bağlıdır.

Alüminium olmayan, lakin tərkibində dəmir olan silikat minerallarının karbonlaşdırılması:

İndi bütün Fe ilə və heç bir Mg ilə ferromagnesian mineralına baxın. (Mineralin piroksen mineralı olduğunu düşünəcəyik; burada heç bir detal yoxdur.) Oksigenlə zəngin səthə yaxın mühitimizdə bu iki mərhələli bir müddətdir. İlk addım yuxarıdakı Reaksiya 5-də ifadə edilənə bənzəyir, ancaq reaktivlərin və məhsulların qarşısındakı əmsalların ədədi dəyərləri bir qədər fərqlidir, çünki fərqli bir kimyəvi formulu olan bir mineralla başlamışıq. Nəticə etibarilə nəticə eynidir: dəmir tərkibli silikat mineral su və karbon dioksid iştirakı ilə parçalanaraq dəmir və silisium məhlula qoyulur. Çözülmüş dəmir təmiz suda sərbəst həll olunan dəmir (“plus-two”) şəklindədir. Oksigen iştirakı ilə dəmir dəmir oksid və məhlulda silisə çevrilir:

[ ce {FeSiO3 + 2CO2 + 3H2O → Fe2 + + 2HCO3- + H4SiO4} etiket {6} ]

Ancaq hekayə bununla bitmir, çünki məhluldakı dəmir dəmir reaksiya göstərir

suda həll olunan oksigen, dəmir oksid mineralını Fe çökdürmək üçün2O3:

[ ce {2Fe2 + + 3O2 → 2Fe2O3} label {7} ]

Fe dəmir2O3 mineral təmiz suda demək olar ki, həll olunmayan ferrik (“plus-three”) formadadır.

Reaksiya 7-də təmsil olunma hələ də bir qədər saxtadır, çünki yerin səthində istehsal olunan dəmir oksidləri ümumiyyətlə hidroksid və ya nəmlənmişdir: bunları hidrosuslu dəmir oksidləri kimi təsvir etmək olar. Bu növ bir-biri ilə sıx əlaqəli bir neçə mineral var; ən çox yayılmış goetit, FeO (OH) və ferrihidrit, 5Fe2O3.9H2O). Hamısının sarıdan narıncıdan qəhvəyi rəngə qədər olan rəngləri var; bu səbəbdən də süxurun üstündəki yıpranmış səthlər bu rənglərdə çox yayılmışdır. Bir mənada, dəmir dəmir daşları pas yerin səthinə məruz qaldıqda.

Fe-nin birləşməsi ilə əsl bir piroksenlə başlamış olsaydıq2+ ionları, Mg2+ ionları və Ca2+ ionlar, ikincisi həll oluna bilər, birincisi həll olunmayan oksidlərə yol tapardı; çünki maqnezium və kalsium suda asanlıqla həll olunur, lakin dəmir dəmir demək olar ki, tamamilə həll olunmur.

Alüminosilikatların aşınması:

İndi kimyəvi hava şəraitində ən böyük şouya. Buradakı nümunə, şübhəsiz ki, olacaqdır yer üzündəki ən vacib aşınma reaksiyası: hidroliz və feldisatın karbonlaşması. Nümunə olaraq kalium feldisatından istifadə edəcəyik; plagioklaz feldispatının aşınması da buna bənzəyir.

[ ce {2KAlSi3O8 + 2H2CO3 + 9H2O → Al2Si2O25 (OH) 4 + 4H4SiO4 + 2K + + 2HCO3-} etiket {8} ]

Şərhlər:

  1. Sağdakı ilk məhsul gil mineraldır kaolinit. (Daha sonrakı hissədə gil mineralları haqqında daha çox məlumat veriləcəkdir.) Digər gil mineralları, kimyəvi mühitin təfərrüatlarına görə feldispatın qırılma məhsulları kimi də mümkündür.
  2. Məhlulda olan məhsullar əvvəlki kimi silikon turşusu və kalium ionlarıdır.
  3. Feldispat plagioklaz olsaydı, Na+ və Ca2+ ionları K + ionlarından daha çox məhlula getmiş olardı.
  4. CO ilə başlamaq üçün reaksiya biraz yenidən yazılmış ola bilər2 daha çox H ilə2CO3. Fərqlər əhəmiyyətsizdir. Kimyanı yaxşı bilənlər, aşağıdakı reaksiyanı əlavə edərək reaksiyanı yenidən yazmağa çalışa bilərlər: 2CO2 + 2H2O ⇔ 2H2CO3.

Nəticədə, kimyəvi aşınma ilə bağlı başqa bir şey xatırlamırsınızsa, bunu unutmayın:

feldispat havaya düşdükdə, su və karbon qazı ilə reaksiya verilərkən nəticədə bir gil mineral, müsbət ionlar (K+və / və ya Na+və / və ya Ca2+) məhlulda və silisium, əsasən şəklindədir H4SiO4, həll yolunda.

Gərgin hava şəraitində, isti və rütubətli mühitlərdə alümosilikat mineralların feldispat kimi aşınması, ən yüksək aşınma məhsuluna qədər bir addım daha irəliləyə bilər:

[ ce {2Al2Si2O25 (OH) 4 → 4Al (OH) 3 + 4H4SiO4 + 5H2O} etiket {9} ]

Özü kalium feldispatının aşınma məhsulu olan kaolinit, tamamilə həll olunmayan bir alüminium hidroksid mineralını və həllində daha çox silisium istehsal etmək üçün bütün silisindən daha çox soyulur. Bu son aşınma qalığıdır! Buna bənzər bir reaksiya nəticəsində çıxan bir neçə hidro alüminium oksid mineralı var; mineral gibbsite ən çox yayılmışdır. Xüsusilə belə həll olunmayan hidro alüminium oksidləri ilə zəngin olan səthi materiallara deyilir boksit. Yəqin ki, bildiyiniz kimi, hidro alüminium oksidlərin bu cür hava-qalıq qarışıqları dünyanın alüminium filizi tədarüküdür. Orijinal süxurların tərkibindən asılı olaraq, bu cür son dərəcə aşınma qalıqları ümumiyyətlə həll olunmayan hidrouz dəmir oksidləri ilə qarışdırılır.

Çöküntüləri və torpaqları sonradan nəzərdən keçirməyimiz üçün vacib olacaq bir son nöqtə: yuxarıdakı reaksiyalardakı bütün qatı hava məhsulları - gil mineralları və alüminium və dəmir dəmirin müxtəlif oksidləri hava şəraitində istehsal olunduqları minerallardan daha incə hissəcik ölçüsündədir.

Kimyəvi aşınmaya nəzarət nədir? Geniş miqyasda baxıldığında kimyəvi aşınmaya dair dörd əsas nəzarət var:

  • iqlim: Kimyəvi aşınmanın intensivliyi yağıntı və temperatur artdıqca artır. Yağıntı ilə artmasının səbəbi hava şəraitinin reaksiyalar üçün sulu bir mühit tələb etməsidir. Müəyyən bir hava şəraitinə malik süxur kütləsinin səth suları ilə doyma vaxtı nə qədər çox olarsa, o qədər kimyəvi aşınmaya məruz qalır. Kimyəvi aşınmanın intensivliyinin temperaturla artmasının səbəbi, bütün kimyəvi reaksiyalarda olduğu kimi, reaksiya dərəcəsinin də temperaturla artmasıdır. Bunun əsas səbəbi odur ki, atomların və molekulların istilik qarışıqlığının gücü temperatur artdıqca artır.
  • qaya növü: Bəzi süxurlar kimyəvi aşınmaya digərlərindən daha həssasdır. Dərin qabığın və ya yuxarı mantiyanın yüksək temperaturu və təzyiqləri şəraitində əmələ gələn mineralları olan süxurlar, kvars, kalsit və ya muskovit kimi zəngin minerallar ehtiva edən, dayanıqlı və ya ən azı yalnız yavaş-yavaş hava şəraitində olan süxurlardan daha çox hava şəraitinə malikdir. , əksər Yer səthi şəraitində. Bu səbəbdən ən magmatik və metamorfik süxurlar ümumiyyətlə çökmə süxurlardan daha çox hava şəraitinə həssasdır.
  • relyef: Yüksək relyefli bölgələr ümumiyyətlə dik yamaclara malikdir. Cazibə qüvvəsi ilə idarə olunan kütləvi hərəkətlər (daha sonra bu barədə bir sonrakı hissədə) daha sonra yeni aşınmış materialı soymaqda təsirli olur və bununla da daha da təməl daşları davamlı kimyəvi aşınmaya məruz qoyur. Bununla birlikdə, relyefi aşağı olan bölgələrdə regolit təbəqəsi, əsas süxurun kimyəvi aşınmanın səthi mühiti ilə təmasdan daha çox möhürləndiyi nöqtəyə qədər qalınlaşır.
  • bitki örtüyü: Daha əvvəl də qeyd edildiyi kimi, bitki materialları çürüdükdə regolit mühitinə karbon dioksid və zəif turşuları salırlar. Bu maddələr səthi materialı asidləşdirir və bununla da yuxarıda müzakirə olunan müxtəlif kimyəvi aşınma reaksiyalarını sağa sürməyə meyllidir.

Kimyəvi aşınma nəzarətlərinə başqa bir baxış yolu var: baxımından kiçik bir hava maddəsinin kütləsi həqiqətən nə hiss edir. Bu, yuxarıdakı böyük ölçülü görünüşün əksinə olaraq kiçik miqyaslı görünüşdür. Əsasən daha dörd spesifik fiziki-kimyəvi faktora qədər qaynar:

  • qayanın mineral tərkibi
  • suyun kimyəvi tərkibi
  • suyun süxurdan keçmə sürəti • temperatur

1.5.3 Fiziki Hava

Əksər qayalar möhkəmdir: onları qırmaq üçün çəkiclə döymək lazımdır. Ən güclü süxurlar, sərt kvarsitlər kimi, ən güclü çəkic zərbələrinə belə istəksiz bir şəkildə gəlir. Yumşaq qum daşları kimi digər qayalar da öz əlinizlə qırılmaq olar. (Əslində, dəfn dərinliyindən asılı olaraq boş və konsolidasiya olunmamış çöküntü ilə güclü litləşdirilmiş çökmə süxur arasında fasiləsiz bir dərəcə var.) Qaya dayanıqlılığı həm inşaat sənayesi, həm də geoloqlar üçün vacib olan mürəkkəb bir mövzudur. böyük zəlzələlərə səbəb olan qaya sınıqlarını anlamağa çalışan.

Qaya kimi bərk cisimlərin gücünün təbiəti barədə bir az daha konkret danışaq. Qatı qırılmanın üç yolu var: by sıxılma, tərəfindən gərginlikvə tərəfindən qayçı (Şəkil 1-5). Qayalarda sıxılma gücü və kəsilmə gücü hər ikisi böyükdür, lakin çəkilmə gücü çox azdır: ümumiyyətlə, bir qayanı sıxaraq vurmaqla parçalamaq çox asandır. (Bu, beton, süni bir daş üçün də doğrudur.)

Qaya sındırmanın ən asan yolu budur əvvəlcədən mövcud olan bir çatlaq açmaq. Bu qismən aşağı çəkilmə dayanıqlığına görə, həm də bilinən bir təsirə görədir stres konsentrasiyası yayılma çatının ucunda (bu kursun əhatə dairəsindən kənar olan səbəblərə görə). Sadə bir bənzətmə burada yaxşı xidmət edə bilər: bir vərəqi gərginliklə “qırmaq” kəsilməyə başlayaraq, sonra kəsikin kənarlarını çəkərək vərəqi əks kənarlardan tutub bərabər şəkildə çəkməkdən daha asandır. Qaya bir zərbə və ya partlayış nəticəsində sürətlə ya da yavaş-yavaş müxtəlif təbii aşınma prosesləri nəticəsində gərginlikdə qırıldıqda, çatlaq ucu qırılmamış qayaya yayıldıqca çatlaq böyüyür.

Qaya (və ya metal) kimi polikristal aqreqatların qırılması şüşə kimi homojen materialların qırılmasından daha mürəkkəbdir. Bu ona görədir qayanın kristal dənələri taxıl sərhədlərində birləşdirilir, buna görə də taxıl kontaktlarının gücü və mineral taxılların özlərinin gücü nəzərə alınmalıdır. Qaya vurulduqda, son dərəcə incə çatlar əvvəlcə taxıl sərhədləri boyunca inkişaf etməyə meyllidir.

Səthdəki qayalar, əhəmiyyəti yerdən yerə və zaman zaman xeyli dəyişən müxtəlif proseslərlə parçalanmağa (parçalanmağa, parçalanmağa) meyllidir. Bu fiziki proseslər (bunlara mexaniki proseslər də deyə bilərsiniz) ənənəvi olaraq fiziki hava şəraitində vacib olaraq göstərilmişdir, lakin müxtəlif təsirlərin qəti kəmiyyət tədqiqatları ürəkaçan dərəcədə azdır. Bu bölmənin sonunda bəzi yekun şərhlər istisna olmaqla, onları əhəmiyyətə görə sıralamaq üçün çox cəhd göstərmədən onları sizin üçün təqdim edəcəyəm.

örtük: Vərəqdir qaya səthinin dərhal altında və ona uyğun gələn qırıq dəstləri inkişaf etdirən bir qaya qırılma tərzi. Bu cür qırıqların əmələ gəlməsinə səbəb qayanın səthə qaldırılmasıdır boşaldıldı: örtülü qayanın çəkisi azalır. Qaya bir az genişlənməyə çalışır (qaya kiçik, lakin müəyyən sıxılma qabiliyyətinə malikdir) və yanlara deyil, yalnız yuxarıya doğru genişlənə bilər. Bu, qaya səthinə təxminən paralel olan qırıqların inkişafına səbəb olur. Səth ən çox başqa və qırıq olmayan qaya süxurlarında yaygındır. Döşəmə birləşmələri səthdən aşağıya doğru aralıqda sürətlə azalır və ümumiyyətlə bir neçə metr ərzində yox olur. Növbəti dəfə Yosemitdəki dağ yamaclarının bir fotoşəkilini gördüyünüz zaman örtük qırıqları baxımından düşünün.

aşındırma: Dəri aşınması (şəkil 1-6) ayrılma, havalanma zamanı ardıcıl qabıqların, bir neçə millimetrdən bir neçə on santimetrə qədər qalınlığında, kütləvi süxurdan. Mexanik təsir bir az örtük kimidir: əsas süxurların səthə yaxın nazik təbəqəsi kimyəvi aşınmaya məruz qaldığından, aşınma məhsulu mineralları daha böyük həcm deməkdir orijinal minerallardan daha az sıxlığa meyllidir, buna görə də qaya genişlənməyə çalışır. Yalnız yuxarıya doğru genişlənə bilər, buna görə qaya səthinə paralel qırıqlar əmələ gəlir. Bu vəziyyətdə, kimyəvi aşınma və mexaniki aşınma təməl qayanı parçalamaq üçün birlikdə hərəkət edir. Müvafiq bir müddət deyilənə gətirib çıxarır sferoid aşınma: aşındırma və dağılma qaya üzlərinə nisbətən kənarlarda və künclərdə bir az daha təsirli olur, buna görə də müxtəlif istiqamətlərdə düz qırıqların dəstləri ilə kəsilən bir kənarda (bu cür qırıqlara deyilir) oynaqlar; onlar hər yerdə qaya daşları arasında yayılmışdır) kənarları və küncləri yuvarlaqlaşdırılmışdır çox sferoid və ya “blobby” görünüş çıxarmaq üçün. Qabaqcıl hallarda, sferoidlər çöldən tamamilə azad olur və səthdə uzanır və ya aşağı enir.

dənəvər parçalanma: Dənəvər parçalanma qismən kimyəvi aşınmanın mexaniki təsiri olan başqa bir prosesdir. Çox süxur olmasa da bir çoxu mineral qarışığından ibarətdir, bəziləri kimyəvi aşınmaya həssas, bəziləri isə yox. Hava şəraitində olan minerallar başlanğıc kimyəvi aşınma ilə genişləndikcə, hava olmayan minerallar da əvvəlki ölçüsünü qoruduqca mineral dənələr arasındakı əlaqələri pozmağa meylli olan qranulalararası qüvvələr qurulur. Mineral dənələr qaya səthindən bir-bir tökülür, hamar yuvarlaqlaşdırılmış, lakin dənəvər-kobud bir səth qalır. Çıxış yerindəki boş taxıl kütləsinə deyilir grus. Bu cür aşınma ən çox qranit kimi kristal qayalarda yayılmışdır.

istilik genişlənməsi və daralması: Temperaturun dəyişməsinə cavab olaraq genişlənmə və daralma öz-özünə qranullararası sınıqlardan geniş yayılmış oynaqlara qədər miqyaslı döş qaya daşlarında qırıqların yayılmasına kömək edə bilər. Belə bir proses gecə-gündüz istilik fərqlərinin böyük olduğu quraq bölgələrdə ən təsirli olur. Prosesin hərtərəfli quru süxurlarda təsirli olub olmadığı və ya suyun varlığının prosesdə vacib bir element olub olmadığı aydın deyil. Təbii mühitin on illərini və hətta yüzillərini simulyasiya etmək üçün çox sayda dövr ərzində qaya nümunələrinin istiləşməsi və soyudulması ilə bağlı təcrübələr, əhəmiyyətsiz qırılma istehsalında müvəffəq olmayıb, lakin bəlkə simulyasiya şərtləri təmsil olunmayıb. Ancaq məlumdur ki, yanğın həddindən artıq istiləşməyə məruz qalan səth qatının qəfil genişlənməsi nəticəsində süxurların dağılmasına səbəb olur.

şaxta takma: Dondurma (Şəkil 1-7) səth suyunun bol olduğu və gecə-gündüz temperatur aralığının il ərzində dəfələrlə dondurma nöqtəsini əhatə etdiyi iqlimlərdə vacibdir, son payızın sonlarında və xüsusilə də erkən yazda İngiltərədə olduğu kimi. Su dondurulduqda genişlənir, həcmi təxminən 9% -ə bərabərdir, bu olduqca böyük bir dəyişiklikdir. Daş daşı içərisindəki incə bir çatlaqda dərindən məhdudlaşdıqda, çatlaqın divarlarına çox böyük yan qüvvələr tətbiq edə bilər. Hər kvadrat santimetrə (!) 2000 kiloqramdan artıq olduğu təxmin edilən maksimum güc, əldə olunmağa yaxın bir yerdə deyil, çünki buz çatlaqları qaya divarları qədər möhkəm bağlamır, ancaq proses buna baxmayaraq çox təsirli olur. Dondurma-ərimə dövrünə məruz qalmış süxurların genişliyi olan dağ zirvələri şaxta parçalanmış qayanın qarışıqlığına meyllidir; New Hampshire-dəki Prezident Range-dəki yürüyüşçülər bunu yaxşı bilirlər.

hidrofirma: Bəzi müstəntiqlər tərəfindən donma təsirinin dondurulduqda sadə genişlənmədən daha mürəkkəb olduğu düşünülür. Çox kiçik çatlardakı nazik təbəqələr kimi su, incə termodinamik səbəblərdən çox aşağı temperaturlarda da maye qala bilər. Dondurma cəbhəsi qaya səthindən içəri doğru irəlilədikdə, su yüksək təzyiq altında mikroskopik çatlara məcbur edilə bilər və bu da qırıqların yayılmasına səbəb olur. Fenomen hidrofraqma kimi tanınır.

“Qayanın qaldırılması”: Tez-tez deyirlər ki, qaya daşları Yeni İngiltərə sahələrində “böyüyür”. Şaxta hərəkəti təsir üçün yaxşı bir açıqlama verir (şəkil 1-8). Su ilə doymuş torpaq yuxarıdan aşağı donarkən, dondurma ətrafdakı torpağa çatandan daha tez böyük bir qaya dibinə çatır, çünki qaya daşı ətrafındakı su ilə zəngin torpaqdan çox aşağı istilik tutumuna malikdir və bu səbəbdən daha sürətli soyudulur. Qaya altındakı suyun dondurulması qəndi qaldırır və ya qısa məsafəyə yuxarı itələyir. Qaya altındakı buz əridikdən sonra qaya çökmə meyli və qaya altındakı boşluğa daha incə qaya parçaları axma meyli olduğu üçün qaldırıldığı qədər düşmür. Kifayət qədər dövrü nəzərə alsaq, qaya səthdə görünüş verir.

kök böyüməsi: Kök böyüməsi səthə yaxın təməl daşlarda əvvəlcədən mövcud olan çatlaqları genişləndirmək üçün çox təsirli ola bilər. Hamınız qaya çatlarında qəhrəmanlıqla böyüyən bitkilər gördünüz. Bir çox hallarda bitki onsuz da böyük bir çatlaq tutur, lakin digər hallarda böyüyən kökün yarığı açdığı aydın olur.

Bu müxtəlif proseslərdən hansı daha vacibdir, hansını daha az vacibdir? Mən savadlı bir təxmin etməkdən başqa bir şey edə bilmərəm. (Əlbətdə, hər halda, əsas qayanın və iqlimin müəyyən bir şəraitindən asılıdır.) Düzgün şəraitdə, şaxta pazlama açıq-aydın böyük əhəmiyyətə malikdir, lakin dənəvər parçalanmavə bəlkə də aşındırma, ehtimal ki, daha ümumi əhəmiyyət kəsb edir. Yalnız termal genişlənmə və daralma, ümumiyyətlə bəlkə də xüsusilə əlverişli mühitlər xaricində digər proseslərdən daha az əhəmiyyətli hesab edilir.

1.5.4 Aşınma profilləri və aşınma cəbhələri

Yəqin ki, qırılmış bir daşı götürüb xarici hissəsinin qırmızı və ya qəhvəyi rəngdə olduğunu, daxili hissəsinin isə təzə boz göründüyünü görmə təcrübəniz var. Nə baş verir, təzə bir parça kimi bəzi kənarlardan götürülmüş və sonra bəlkə də nəqliyyat vasitəsi ilə ən azı bir qədər yuvarlanmış olan daş, xarici zonanın kimyəvi aşınmaya məruz qalması üçün kifayət qədər uzun müddət Yer səthində bir yerdə dayandı. Xarici, aşınmış zona ilə daxili, aşınmayan zona arasındakı sərhəd adlanır ön hava. Ümumiyyətlə havanın qabaq hissəsində hava şəraitində çox kəskin bir dəyişiklik olur. Bir çox hallarda rəngdəki xarakterik fərq təzə qayanın minerallarındakı dəmir dəmirin aşınma zonasında dəmir dəmir oksidlərinə çevrilməsindən yaranır.

Aşağı relyefli bir ərazidə qaya mənzərəsi uzun müddət aşınmaya məruz qaldıqda və aşınma məhsulları yarandıqları yerdə qaldıqda, eyni təsir daha böyük bir miqyasda mövcud olur. Təsiri görmək üçün səthdən bir neçə metr və ya hətta on metr aşağıda ola bilən təzə qayaya enərək, aşınmış qayanın arasından şaquli və ya dik bir daldırma edilməlidir. Aşınma cəbhəsinin üstündə, quru səthdə və yaxınlığında, ən az aşınmış qayaya qədər, aşınma cəbhəsində ən çox aşınmış materialdan bir dərəcə var. Aşınma dərəcəsi zonalarının səthdən aşınma cəbhəsinə qədər ardıcıllığına a deyilir hava rejimi.

Yıpranma profilləri əvvəlki hissədə sadalanan amillərdən (əsasən qaya tərkibi və iqlim məsələsindən) asılı olaraq təbiətinə görə çox dəyişir. Şəkil 1-9, qranit kimi yerində dərin bir şəkildə aşınmış qaba dənəli magmatik magistral süxurlarda inkişaf etməyə meylli olan ümumi bir aşınma profilini göstərir. Yemək cəbhəsinin dərhal üstündəki material deyilir saprock, hələ də təmizlənməmiş minerallarla birlikdə qismən kimyəvi cəhətdən aşınmış minerallardan ibarətdir. Saprock ana qayanın bütün orijinal toxumalarını və quruluşlarını qoruyur, lakin tərkibi bir qədər dəyişdirilib və gücü azalıb. Saprock yuxarıya doğru adlandırılan materiala çevrilir saprolitAşağıdakı saprokdan daha kimyəvi olaraq dəyişdirilmiş, lakin ana qaya toxumalarını və quruluşlarını hələ də saxlayır. Bu cür qayanı “çürük qaya” kimi təsvir edə bilərsiniz (və bu, əslində saprolit termininin etimologiyasıdır). Saprolitin üstündə daha güclü dəyişdirilmiş material var və bu, valideynin əlaqəsini daha da itirmiş və orijinal toxumaları və quruluşlarını az göstərir. Bunun üstündə, maddənin tamamilə uyğunluğunu itirdiyi və “boşalmış” kimi təsvir edilə biləcəyi yerlərə deyilir regolit (sonrakı hissəyə baxın). Ən üst təbəqə torpaq (sonrakı hissəyə baxın).

Şəkil 1-9-da qeyd edin havalandırma cəbhəsinin həndəsəsi təzə qayadakı birləşmələrin olması ilə güclü şəkildə idarə olunur. Aşınma, birləşməmiş ara qaya nisbətən oynaqlarda daha yaxşı irəliləyə bilər. Bu müddətdə, hava şəraiti aşağıya doğru irəlilədikcə hava şəraiti olmayan kütlələrin geridə qalma meyli var. Bu yuvarlaq, düzensiz kütlələrə deyilir əsas daşlar. Bunlar əvvəllər bəhs edilən yıpranma sferoidlərinə bənzəyir, lakin quru səthdən çox aşağıda əmələ gəlmələri ilə fərqlənirlər, lakin qırış sferoidləri qırıntıların səthində inkişaf edir, çünki qırış məhsulları sökülən ərazidən kənarlaşdırılır.


1,5 ° C-yə qədər istiləşmənin məhdudlaşdırılmasına uyğun gələn emissiya büdcələri və yolları

Paris Sazişi, istiləşmənin 1,5 ° C-yə qədər məhdudlaşdırılmasının mövcud emissiya vədləri və on doqquzuncu əsrin ortalarından bu on ilədək təxminən 0,9 ° C istiləşmə ilə uyğun olub-olmadığına dair mübahisələr açdı. Məhdudlaşdırıcı 2015-ci ildən sonrakı CO-nu göstəririk2 Təxminən 200 GtC-ə qədər olan emissiyalar, 2015-ci ildən sonrakı istiləşməni CMIP5 ansamblının Yer sistemi model üzvlərinin% 66-sında 0.6 ° C-dən az dərəcədə məhdudlaşdıracaq, digər iqlim sürücülərini azaltmaz. Sadə bir iqlim-karbon dövrü modelini IPCC Beşinci Qiymətləndirmə Hesabatından əsas iqlim sistemi xüsusiyyətləri üçün təxmin edilən aralıklarla birləşdiririk. 2030-cu ilədək emissiyaların pik səviyyəsinin və azalmasının mövcud səviyyələrin altına düşdüyünü və bundan sonra tarixən görünməmiş, lakin standart iddialı bir azaltma ssenarisinə (RCP2.6) uyğun gələcəyi daha kəskin bir enişdə davam edəcəyini düşünsək, ehtimal ki, 1,2 pik istiləşmə aralığına səbəb olur XIX əsrin ortalarından –2.0 ° C. CO varsa2 emissiyalar vaxt keçdikcə 2100 istiləşməni 1,5 ° C-yə qədər məhdudlaşdırmaq üçün davamlı olaraq tənzimlənir, iddialı CO olmayan2 azaldılması, xalis gələcək məcmu CO2 emissiyaların 250 GtC-dən az və 540 GtC-dən çox olacağını ehtimal etmir. Beləliklə, istiləşmənin 1,5 ° C-yə qədər məhdudlaşdırılması hələ bir geofiziki imkansız deyil, lakin 2030-cu il üçün möhkəmləndirilmiş vədlərlə çatdırılmasını və sonra da çətin və dərin bir şəkildə azaldılmasını tələb etməlidir. Yaxın müddətli tullantıların azaldılmasının gücləndirilməsi yüksək iqlim reaksiyasına və ya iqtisadi, texniki və ya siyasi baxımdan qeyri-mümkün olduğunu sübut edən sonrakı azalma nisbətlərinə qarşı qorunacaqdır.


Çox dərin hava şəraiti və əlaqədar sürüşmələr

Bəzi nəhəng torpaq sürüşmələri dərin aşınmış qayalıqlarda meydana gəldi, lakin əksər geoloqlar və mühəndislər havaların aşa biləcəyi dərinliyi qiymətləndirmirlər. Qayalar yüzlərlə metr dərinliyə qədər çox vaxt qeyri-qanuni bir şəkildə aşındırıla bilər. Təzə qaya, izometrik kimyəvi dəyişikliklə saprolit adlanan aşınmış qaya çevrilir. Some saprolite is later eroded, and fresh rock appears in the landscape in distinctive landforms. This erosion of an irregularly weathered landscape is called stripping (meaning the stripping of saprolite from fresh rock). The age of the weathering may be measured in geological periods, as can the age of stripping, and may be related to past climate different from that of today. Deep weathering occurs basically by hydrolysis, which requires groundwater. Slope failure in saprolite depends on the engineering property of the material, and its relation to bedrock and corestones, and relationship to degree of weathering of adjacent saprolite. This paper emphasizes the deep weathering phenomenon itself, but a few examples are given to illustrate the variety of landslides in deeply weathered material.


1.5: Weathering - Geosciences

Intrusive igneous rocks form at depths of several hundreds of metres to several tens of kilometres. Sediments are turned into sedimentary rocks only when they are buried by other sediments to depths in excess of several hundreds of metres. Most metamorphic rocks are formed at depths of kilometres to tens of kilometres. Weathering cannot even begin until these rocks are uplifted through various processes of mountain building — most of which are related to plate tectonics — and the overlying material has been eroded away and the rock is exposed as an outcrop. [1]

The important agents of mechanical weathering are:

  • The decrease in pressure that results from removal of overlying rock
  • Freezing and thawing of water in cracks in the rock
  • Formation of salt crystals within the rock
  • Cracking from plant roots and exposure by burrowing animals

When a mass of rock is exposed by weathering and removal of the overlying rock, there is a decrease in the confining pressure on the rock, and the rock expands. This unloading promotes cracking of the rock, known as exfoliation, as shown in the granitic rock in Figure 5.3.

Figure 5.3 Exfoliation fractures in granitic rock exposed on the west side of the Coquihalla Highway north of Hope, B.C. [SE]

Figure 5.4 Exfoliation of slate at a road cut in the Columbia Mountains west of Golden, B.C. [SE photo]

Granitic rock tends to exfoliate parallel to the exposed surface because the rock is typically homogenous, and it doesn’t have predetermined planes along which it must fracture. Sedimentary and metamorphic rocks, on the other hand, tend to exfoliate along predetermined planes (Figure 5.4).

Frost wedging is the process by which water seeps into cracks in a rock, expands on freezing, and thus enlarges the cracks (Figure 5.5). The effectiveness of frost wedging is related to the frequency of freezing and thawing. Frost wedging is most effective in a climate like Canada’s. In warm areas where freezing is infrequent, in very cold areas where thawing is infrequent, or in very dry areas, where there is little water to seep into cracks, the role of frost wedging is limited.

Figure 5.5 The process of frost wedging on a steep slope. Water gets into fractures and then freezes, expanding the fracture a little. When the water thaws it seeps a little farther into the expanded crack. The process is repeated many times, and eventually a piece of rock will be wedged away. [SE]

In many parts of Canada, the transition between freezing nighttime temperatures and thawing daytime temperatures is frequent — tens to hundreds of times a year. Even in warm coastal areas of southern B.C., freezing and thawing transitions are common at higher elevations. A common feature in areas of effective frost wedging is a talus slope — a fan-shaped deposit of fragments removed by frost wedging from the steep rocky slopes above (Figure 5.6).

Figure 5.6 An area with very effective frost-wedging near Keremeos, B.C. The fragments that have been wedged away from the cliffs above have accumulated in a talus deposit at the base of the slope. The rocks in this area have quite varied colors, and those are reflected in the colors of the talus. [SE]

A related process, frost heaving, takes place within unconsolidated materials on gentle slopes. In this case, water in the soil freezes and expands, pushing the overlying material up. Frost heaving is responsible for winter damage to roads all over North America.

When salt water seeps into rocks and then evaporates on a hot sunny day, salt crystals grow within cracks and pores in the rock. The growth of these crystals exerts pressure on the rock and can push grains apart, causing the rock to weaken and break. There are many examples of this on the rocky shorelines of Vancouver Island and the Gulf Islands, where sandstone outcrops are common and salty seawater is readily available (Figure 5.7). Salt weathering can also occur away from the coast, because most environments have some salt in them.

Figure 5.7 Honeycomb weathering of sandstone on Gabriola Island, B.C. The holes are caused by crystallization of salt within rock pores, and the seemingly regular pattern is related to the original roughness of the surface. It’s a positive-feedback process because the holes collect salt water at high tide, and so the effect is accentuated around existing holes. This type of weathering is most pronounced on south-facing sunny exposures. [SE]

The effects of plants and animals are significant in mechanical weathering. Roots can force their way into even the tiniest cracks, and then they exert tremendous pressure on the rocks as they grow, widening the cracks and breaking the rock (Figure 5.8). Although animals do not normally burrow through solid rock, they can excavate and remove huge volumes of soil, and thus expose the rock to weathering by other mechanisms.

Figure 5.8 Conifers growing on granitic rocks at The Lions, near Vancouver, B.C. [SE]

Mechanical weathering is greatly facilitated by erosion, which is the removal of weathering products, allowing for the exposure of more rock for weathering. A good example of this is shown in Figure 5.6. On the steep rock faces at the top of the cliff, rock fragments have been broken off by ice wedging, and then removed by gravity. This is a form of mass wasting, which is discussed in more detail in Chapter 15. Other important agents of erosion that also have the effect of removing the products of weathering include water in streams (Chapter 13), ice in glaciers (Chapter 16), and waves on the coasts (Chapter 17).


Online Courses Pre-Approvedfor Connecticut Licensed Environmental Professionals

Midwest GeoSciences Group serves CT Licensed Environmental Professionals through education and training that directly enhances a licensee's ability to competently perform, supervise and/or coordinate the scientific and/or technical components of the investigation and remediation of releases of hazardous waste and petroleum products into soil or groundwater in Connecticut.

Licensed Environmental Professionals are allowed a discount to these Online Courses using the Promo Codes provided below.
Standard terms and conditions apply.

"Thanks much! MidwestGeo's elf-paced, on-line courses were a much more productive and enjoyable way to fulfill my remaining LEP continuing ed credit requirements than I could've hoped for. "
- Tim Whiting, LEP, Senior Management Consultant, Ramboll, Inc.

"The course was great, especially the flexibility of the webinar format. I think an important emphasis of the webinar is that we have one chance to get it right logging boreholes, so laying the cores all out on a tarp and examining them in context is a good technique to see a complete picture of the soil profile and the depositional environments and weathering effects. Thanks again."
- Ted Stevens, LEP, Stevens Engineering and Environmental Services, LLC

"It was great to take your on-demand courses."
- Peter A. Hansen, LSRP, LEP, Vice President, EcolSciences, Inc.

"I am writing to let you know about my positive experience with Midwest Geosciences courses for CT LEP and MA LSP continuing education. The courses I have completed are detailed and informative. The on-demand learning courses are specific to my practice of hydrogeology and go into greater detail than classes I have taken from other organizations. I was behind on my continuing education this year due to the Pandemic and a medical issue. With the help of Midwest Geosciences, I have been able to meet my training requirement. Not having to travel to training saves time and greenhouse gas emissions. I look forward to taking more of your training in the future. Thank you for being there."
- Lawrence H. Lessard, PG, LSP, LEP, President, Lessard Environmental, Inc.

"Following this year of Covid misery, I required credits for my LEP certification. I explored many avenues, but Midwest Geosciences proved to be the best. Over the weekend, I completed on-line course on Hydrogeology of Glacial Deposits, Glacial Sequencing and Pump Test Evaluation. For novices and veterans alike, the courses are very worthwhile. They are well taught with enthusiasm, vigor and excitement with the processes explained in an easy-to-understand manner."
- Charles Klingler, LSP, LEP | WORCESTER BRANCH MANAGER | ATC Group Services LLC

"The (9-hour Hydrogeology of Glacial Deposits) online course offers a whole new way of understanding and evaluating till deposits, based on their depositional environments. It's refreshing to see the recent progress in this field."
- Lance Kazzi, LEP, Principal Geologist, Arcadis U.S., Inc.

"The online classes are really good. I am from New England and all my drilling is in New England and it is interesting to see how the interpretation of sediments and structures varies. Your examples were excellent and I was envious of the road cut photos showing weathering and large structures. We do not have many of these (though we do have some big beach faces!). Overall I would say that the classes are very worthwhile."
- Samuel Butcher, CT Licensed Environmental Professional (LEP)

"Excellent course!"
- Daniel E. White, Mountain Laurel Environmental, LLC

"I recently completed the on-line Hydrogeology of Glacial Deposits Webinar Series for CT LEP CECs. The course was informative and well presented with good graphics. It was a good method of completing required CECs without having to venture out to an off-site location and it was convenient to be able to complete it when it was convenient for me (Started one 5:00 am on a Saturday morning). I look forward to taking more of your classes."
- Robert Grabarek, Osprey Environmental Engineering

"Hydrogeology of Glacial Deposits"
5-Part Webinar Series
9.0 contact hours (must complete the entire program, no partial credit given directed by CT LEP Board)
Price: $595 New Price $399


Mücərrəd

China's Changɾ-5 (CE-5) mission, the first lunar sample return mission since 1976, landed at 43.06°N, 51.92°W on Dec. 1, 2020, in Northern Oceanus Procellarum. CE-5 targeted a mare plain (Em4/P58) composed of distinctive young (∼1.6-1.7 Ga) moderate-Ti mare basalts, with elevated Th abundance (inherent or extraneous). Thus, the regolith and rock fragments sampled by CE-5 come from some of the youngest mare basalts on the Moon, near Rima Sharp, and from the center of the globally anomalous Procellarum KREEP Terrane (PKT), hypothesized to be responsible for the generation of the young volcanism. To provide context for the analysis and interpretation of the returned samples and in-situ measurements of the regolith substructure with penetrating radar, we constructed a detailed geologic map and stratigraphic assessment of the site. The stratigraphy consists of ancient highland materials (PKT crust and ejecta from Iridum and Imbrium basins), local silica-rich volcanism, overlain by a sequence of mare basalts, capped with Em4/P58. A ∼4-7 m thick regolith layer developed by post-mare bombardment overlies the Em4/P58 protolith and contains admixed impact ejecta from distant sources, mainly from Harpalus (∼6 wt.%), followed by Copernicus (∼2 wt.%) and Aristarchus (∼1 wt.%). New crater size-frequency measurements of Em4/P58 provide the necessary crater spatial density reference for calibration of the lunar cratering chronology with radiometric ages of the returned samples. The geological map and assessment of regolith provenance indicate that samples returned by CE-5 will address fundamental questions in lunar chronology, thermal evolution, basalt petrogenesis, and the nature of PKT, as well as provide key calibration for lunar and planetary chronologies and remote sensing data.


34 5.6 Weathering and Climate Change

Earth has two important carbon cycles. One is the biological one, wherein living organisms — mostly plants — consume carbon dioxide from the atmosphere to make their tissues, and then, after they die, that carbon is released back into the atmosphere when they decay over a period of years or decades. A small proportion of this biological-cycle carbon becomes buried in sedimentary rocks: during the slow formation of coal, as tiny fragments and molecules in organic-rich shale, and as the shells and other parts of marine organisms in limestone. This then becomes part of the geological carbon cycle, a cycle that actually involves a majority of Earth’s carbon, but one that operates only very slowly.

The geological carbon cycle is shown diagrammatically in Figure 5.20. The various steps in the process (not necessarily in this order) are as follows:

a: Organic matter from plants is stored in peat, coal, and permafrost for thousands to millions of years.
b: Weathering of silicate minerals converts atmospheric carbon dioxide to dissolved bicarbonate, which is stored in the oceans for thousands to tens of thousands of years.
c: Dissolved carbon is converted by marine organisms to calcite, which is stored in carbonate rocks for tens to hundreds of millions of years.
d: Carbon compounds are stored in sediments for tens to hundreds of millions of years some end up in petroleum deposits.
e: Carbon-bearing sediments are transferred to the mantle, where the carbon may be stored for tens of millions to billions of years.
f: During volcanic eruptions, carbon dioxide is released back to the atmosphere, where it is stored for years to decades.
Figure 5.20 A representation of the geological carbon cycle (a: carbon in organic matter stored in peat, coal and permafrost, b: weathering of silicate minerals converts atmospheric carbon dioxide to dissolved bicarbonate, c: dissolved carbon is converted to calcite by marine organisms, d: carbon compounds are stored in sediments, e: carbon-bearing sediments are transferred to longer-term storage in the mantle, and f: carbon dioxide is released back to atmosphere during volcanic eruptions.) [SE]

During much of Earth’s history, the geological carbon cycle has been balanced, with carbon being released by volcanism at approximately the same rate that it is stored by the other processes. Under these conditions, the climate remains relatively stable.

During some periods of Earth’s history, that balance has been upset. This can happen during prolonged periods of greater than average volcanism. One example is the eruption of the Siberian Traps at around 250 Ma, which appears to have led to strong climate warming over a few million years.

A carbon imbalance is also associated with significant mountain-building events. For example, the Himalayan Range was formed between about 40 and 10 Ma and over that time period — and still today — the rate of weathering on Earth has been enhanced because those mountains are so high and the range is so extensive. The weathering of these rocks — most importantly the hydrolysis of feldspar — has resulted in consumption of atmospheric carbon dioxide and transfer of the carbon to the oceans and to ocean-floor carbonate minerals. The steady drop in carbon dioxide levels over the past 40 million years, which led to the Pleistocene glaciations, is partly attributable to the formation of the Himalayan Range.

Another, non-geological form of carbon-cycle imbalance is happening today on a very rapid time scale. We are in the process of extracting vast volumes of fossil fuels (coal, oil, and gas) that was stored in rocks over the past several hundred million years, and converting these fuels to energy and carbon dioxide. By doing so, we are changing the climate faster than has ever happened in the past.


30 5.2 Chemical Weathering

Chemical weathering results from chemical changes to minerals that become unstable when they are exposed to surface conditions. The kinds of changes that take place are highly specific to the mineral and the environmental conditions. Some minerals, like quartz, are virtually unaffected by chemical weathering, while others, like feldspar, are easily altered. In general, the degree of chemical weathering is greatest in warm and wet climates, and least in cold and dry climates. The important characteristics of surface conditions that lead to chemical weathering are the presence of water (in the air and on the ground surface), the abundance of oxygen, and the presence of carbon dioxide, which produces weak carbonic acid when combined with water. That process, which is fundamental to most chemical weathering, can be shown as follows:

water + carbon dioxide —-> carbonic acid then carbonic acid —-> hydrgen ion + carbonate ion

Here we have water (e.g., as rain) plus carbon dioxide in the atmosphere, combining to create carbonic acid. Then carbonic acid dissociates (comes apart) to form hydrogen and carbonate ions. The amount of CO2 in the air is enough to make only very weak carbonic acid, but there is typically much more CO2 in the soil, so water that percolates through the soil can become significantly more acidic.

There are two main types of chemical weathering. On the one hand, some minerals become altered to other minerals. For example, feldspar is altered — by hydrolysis — to clay minerals. On the other hand, some minerals dissolve completely, and their components go into solution. For example, calcite (CaCO3) is soluble in acidic solutions.

The hydrolysis of feldspar can be written like this:

plagioclase + carbonic acid —-> kaolinite + dissolved calcium + carbonate ions

This reaction shows calcium plagioclase feldspar, but similar reactions could also be written for sodium or potassium feldspars. In this case, we end up with the mineral kaolinite, along with calcium and carbonate ions in solution. Those ions can eventually combine (probably in the ocean) to form the mineral calcite. The hydrolysis of feldspar to clay is illustrated in Figure 5.9, which shows two images of the same granitic rock, a recently broken fresh surface on the left and a clay-altered weathered surface on the right. Other silicate minerals can also go through hydrolysis, although the end results will be a little different. For example, pyroxene can be converted to the clay minerals chlorite or smectite, and olivine can be converted to the clay mineral serpentine.

Figure 5.9 Unweathered (left) and weathered (right) surfaces of the same piece of granitic rock. On the unweathered surfaces the feldspars are still fresh and glassy-looking. On the weathered surface the feldspar has been altered to the chalky-looking clay mineral kaolinite. [SE]

Oxidation is another very important chemical weathering process. The oxidation of the iron in a ferromagnesian silicate starts with the dissolution of the iron. For olivine, the process looks like this, where olivine in the presence of carbonic acid is converted to dissolved iron, carbonate, and silicic acid:

olivine + (carbonic acid) —> dissolved iron + dissolved carbonate + dissolved silicic acid

In the presence of oxygen, the dissolved iron is then quickly converted to hematite:

dissolved iron + bicarbonate + oxygen + water—->hematite + carbonic acid

The equation shown here is for olivine, but it could apply to almost any other ferromagnesian silicate, including pyroxene, amphibole, or biotite. Iron in the sulphide minerals (e.g., pyrite) can also be oxidized in this way. And the mineral hematite is not the only possible end result, as there is a wide range of iron oxide minerals that can form in this way. The results of this process are illustrated in Figure 5.10, which shows a granitic rock in which some of the biotite and amphibole have been altered to form the iron oxide mineral limonite.

Figure 5.10 A granitic rock containing biotite and amphibole which have been altered near to the rock’s surface to limonite, which is a mixture of iron oxide minerals. [SE]

A special type of oxidation takes place in areas where the rocks have elevated levels of sulphide minerals, especially pyrite (FeS2). Pyrite reacts with water and oxygen to form sulphuric acid, as follows:

pyrite + oxygen + water —–> iron ions + sulphuric acid + hydrogen ions

The runoff from areas where this process is taking place is known as acid rock drainage (ARD), and even a rock with 1% or 2% pyrite can produce significant ARD. Some of the worst examples of ARD are at metal mine sites, especially where pyrite-bearing rock and waste material have been mined from deep underground and then piled up and left exposed to water and oxygen. One example of that is the Mt. Washington Mine near Courtenay on Vancouver Island (Figure 5.11), but there are many similar sites across Canada and around the world.

Figure 5.11 Exposed oxidizing and acid generating rocks and mine waste at the abandoned Mt. Washington Mine, B.C. (left), and an example of acid drainage downstream from the mine site (right). [SE]

At many ARD sites, the pH of the runoff water is less than 4 (very acidic). Under these conditions, metals such as copper, zinc, and lead are quite soluble, which can lead to toxicity for aquatic and other organisms. For many years, the river downstream from the Mt. Washington Mine had so much dissolved copper in it that it was toxic to salmon. Remediation work has since been carried out at the mine and the situation has improved.

The hydrolysis of feldspar and other silicate minerals and the oxidation of iron in ferromagnesian silicates all serve to create rocks that are softer and weaker than they were to begin with, and thus more susceptible to mechanical weathering.

The weathering reactions that we’ve discussed so far involved the transformation of one mineral to another mineral (e.g., feldspar to clay), and the release of some ions in solution (e.g., Ca 2+ ). Some weathering processes involve the complete dissolution of a mineral. Calcite, for example, will dissolve in weak acid, to produce calcium and bicarbonate ions. The equation is as follows:

calcite + hydrogen ions + bicarbonate —–> calcium ions + bicarbonate

Calcite is the major component of limestone (typically more than 95%), and under surface conditions, limestone will dissolve to varying degrees (depending on which minerals it contains, other than calcite), as shown in Figure 5.12. Limestone also dissolves at relatively shallow depths underground, forming limestone caves. This is discussed in more detail in Chapter 14, where we look at yeraltı sular.

Figure 5.12 A limestone outcrop on Quadra Island, B.C. The limestone, which is primarily made up of the mineral calcite, has been dissolved to different degrees in different areas because of compositional differences. The buff-coloured bands are volcanic rock, which is not soluble. [SE]

Exercise 5.2 Chemical Weathering

The main processes of chemical weathering are hydrolysis, oxidationdissolution. Complete the following table by indicating which process is primarily responsible for each of the described chemical weathering changes:


Physical weathering or Mechanical weathering

Physical weathering, also called mechanical weathering or disaggregation, is a class of processes that cause rocks to break up without chemical change. The primary process in physical weathering is abrasion (the process by which clips and other particles are reduced in size). Temperature, pressure, freezing and so on. Physical weathering may occur for reasons. For example, cracks resulting from physical weathering will increase the surface area exposed to the chemical effect, thereby increasing the rate of disintegration.

Frost wedging: Freezing water blows pipes and breaks bottles because water expands when the walls of the container freeze and push. The same phenomenon occurs on the rock. When stuck water in a joint freezes, it forces the joint to open and may cause the joint to grow. These freezing wedges allow the blocks to be freed from solid bedrock.

Salt wedging: In arid climates, dissolved salt in groundwater precipitates and grows as crystals in open pore spaces in rocks. This process, called salt wedging, pushes apart the surrounding grains and weakens the rock so that when exposed to wind and rain, the rock disintegrates into separate grains. The same phenomenon happens along the coast, where salt spray percolates into rock and then dries.

Root wedging: Have you ever noticed how the roots of an old tree can break up a sidewalk? As roots grow, they apply pressure to their surroundings, and can push joints open in a process known as root wedging

Thermal expansion: When the heat of an intense forest fire bakes a rock, the outer layer of the rock expands. On cooling, the layer contracts. This change creates forces in the rock sufficient to make the outer part of the rock break off in sheet-like pieces. Recent research suggests that the intense heat of the Sun’s rays sweeping across dark rocks in a desert may cause the rocks to fracture into thin slices.

Animal attack: Animal life also contributes to physical weathering: burrowing creatures, from earthworms to gophers, push open cracks and move rock fragments. And in the past century, humans have become perhaps the most energetic agent of physical weathering on the planet. When we excavate quarries, foundations, mines, or roadbeds by digging and blasting, we shatter and displace rock that might otherwise have remained intact for millions of years more.


Affiliations

Division of Earth and Planetary Science and Laboratory for Space Research, the University of Hong Kong, Hong Kong, Hong Kong

J. Liu, J. R. Michalski & B. Ye

Key Laboratory of Mineralogy and Metallogeny and Guangdong Provincial Key Laboratory of Mineral Physics and Materials, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou, China

Planetary Science Institute, School of Earth Science, China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan, China