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Érosion est le processus de désintégration des roches et des sols et des minéraux qu'ils contiennent par contact direct ou indirect avec l'atmosphère. L'altération d'une zone se produit "sans mouvement". En revanche, l'érosion implique le mouvement et la désintégration des roches et des minéraux par des processus tels que l'écoulement de l'eau, du vent ou de la glace.

Il existe deux principaux types d'altération: mécanique (ou physique) et chimique. L'altération mécanique implique la dégradation des roches et des sols par contact direct avec les conditions atmosphériques telles que la chaleur, l'eau, la glace et la pression. L'altération chimique implique l'effet direct des produits chimiques atmosphériques ou des produits chimiques produits biologiquement (également appelés biologique érosion). L'altération chimique modifie la composition chimique du matériau d'origine, mais pas l'altération mécanique. Pourtant, les intempéries chimiques et physiques vont souvent de pair. Par exemple, les fissures exploitées par l'altération mécanique augmenteront la surface exposée à l'action chimique. De plus, l'action chimique des minéraux dans les fissures peut aider le processus de désintégration physique.

Les produits de dégradation résultant de l'altération chimique des minéraux des roches et des sédiments et la lixiviation des parties les plus solubles peuvent être combinés avec la matière organique en décomposition pour constituer le sol. La teneur en minéraux du sol est déterminée par la matière mère (ou substrat rocheux) dont les minéraux sont dérivés. Un sol dérivé d'un seul type de roche est souvent déficient en un ou plusieurs minéraux pour une bonne fertilité, tandis qu'un sol altéré par un mélange de types de roche est souvent plus fertile.

Altération mécanique (physique)

L'altération mécanique entraîne la désintégration des roches et du bois. Il produit généralement de plus petits fragments angulaires de matériau ayant les mêmes propriétés que le matériau d'origine (comme les éboulis).

Dilatation thermique

L'expansion thermique, également connue sous le nom d'altération de la peau de l'oignon, d'exfoliation ou de choc thermique, est causée principalement par des changements de température. Elle se produit souvent dans des zones chaudes telles que les déserts, où il existe une large plage de températures diurnes. Les températures montent haut dans la journée, tout en plongeant à quelques degrés négatifs la nuit. Au fur et à mesure que la roche se réchauffe et se dilate le jour, se refroidit et se contracte la nuit, ses couches extérieures subissent des contraintes. En conséquence, les couches externes de la roche se décollent en fines feuilles. La dilatation thermique est renforcée par la présence d'humidité.

Altération causée par le gel

Un rocher du sud de l'Islande fragmenté par l'action du gel-dégel.

Les intempéries induites par le gel, bien que souvent attribuées à l'expansion de l'eau gelée capturée dans les fissures, sont généralement indépendantes de l'expansion de l'eau à la glace. On sait depuis longtemps que les sols humides se dilatent (ou «soulèvent le gel») lors du gel, en raison de la croissance des lentilles de glace - l'eau migre des zones non gelées via des films minces pour s'accumuler lors de la croissance des lentilles de glace. Ce même phénomène se produit dans les espaces poreux des roches. Ils grossissent en attirant de l'eau qui n'a pas gelé des pores environnants. Le développement de cristaux de glace affaiblit la roche qui, avec le temps, se brise.

Les forces intermoléculaires entre les surfaces minérales, la glace et l'eau soutiennent ces films non gelés qui transportent l'humidité et génèrent une pression entre les surfaces minérales lorsque les lentilles s'agrègent. Les expériences montrent que les roches poreuses telles que la craie, le grès et le calcaire ne se fracturent pas à la température de congélation nominale de l'eau légèrement inférieure à 0 ° C, même lorsqu'elles sont cyclées ou maintenues à basses températures pendant des périodes prolongées, comme on pourrait s'y attendre si les intempéries résultaient de l'expansion de l'eau lors de la congélation. Pour les types de roches les plus poreux, la plage de température critique pour une fracture rapide induite par les lentilles de glace est de -3 à -6 ° C, nettement en dessous des températures de congélation.12

L'action d'altération climatique induite par le gel se produit principalement dans les environnements où il y a beaucoup d'humidité, et les températures fluctuent fréquemment au-dessus et au-dessous du point de congélation, c'est-à-dire principalement les zones alpines et périglaciaires. Ce processus peut être observé à Dartmoor, une région du sud-ouest de l'Angleterre, où il se traduit par la formation de sommets de collines en granit, ou tors.

Calage de givre

Autrefois considéré comme le mode dominant, le calage par le gel peut encore être un facteur d'altération des roches non poreuses, bien que des recherches récentes l'aient démontré moins important qu'on ne le pensait auparavant. Le coincement par le gel - parfois appelé croissance des cristaux de glace, coincement de la glace ou gel-dégel - se produit lorsque l'eau dans les fissures et les joints des roches gèle et se dilate. Dans l'expansion, il a été avancé que l'expansion de l'eau peut exercer des pressions allant jusqu'à 21 mégapascals (MPa) (2100 kilogrammes-force / cm²) à −22 ° C, et cette pression est souvent plus élevée que la résistance de la plupart des roches, provoquant la roche briser.12

Lorsque l'eau qui est entrée dans les articulations gèle, la glace en expansion tend les parois des articulations et provoque l'approfondissement et l'élargissement des articulations. En effet, le volume d'eau augmente d'environ dix pour cent lorsqu'il gèle.3

Lorsque la glace dégèle, l'eau peut s'écouler davantage dans la roche. Une fois que la température descend en dessous de zéro et que l'eau gèle à nouveau, la glace agrandit encore les articulations.

L'action répétée de gel-dégel affaiblit les roches, qui finissent par se briser le long des joints en morceaux angulaires. Les fragments de roches angulaires se rassemblent au pied de la pente pour former une pente de talus (ou pente d'éboulis). La division des roches le long des joints en blocs est appelée désintégration des blocs. Les blocs de roches qui se détachent sont de formes diverses, selon leur structure minérale.

Décompression

Relâchement de la pression du granit.

Lors du relâchement de pression (également appelé déchargement), les matériaux sus-jacents (pas nécessairement les roches) sont éliminés par l'érosion ou d'autres processus, provoquant l'expansion et la fracture des roches sous-jacentes parallèlement à la surface. Le matériau sus-jacent est souvent lourd et les roches sous-jacentes subissent une pression élevée sous lui, comme dans un glacier en mouvement. La libération de pression peut également provoquer une exfoliation.

Des roches ignées intrusives (comme le granit) se forment profondément sous la surface de la Terre. Ils sont soumis à une pression énorme en raison du matériau rocheux sus-jacent. Lorsque l'érosion enlève le matériau rocheux sus-jacent, ces roches intrusives sont exposées et la pression sur elles est relâchée. En réponse à la diminution de la pression, les roches sous-jacentes se dilatent alors vers le haut. L'expansion crée des contraintes qui provoquent la formation de fractures parallèles à la surface de la roche. Au fil du temps, des feuilles de roche se détachent des roches exposées le long des fractures. La libération de pression est également connue sous le nom de «exfoliation» ou «feuille». Ces processus se traduisent par des batholithes et des dômes de granit, comme on en trouve à Dartmoor.4

Action hydraulique

L'action hydraulique se réfère à l'action de l'eau, généralement des vagues puissantes, se précipitant dans les fissures de la paroi rocheuse. Ce processus emprisonne une couche d'air au fond de la fissure, la comprimant et affaiblissant la roche. Lorsque la vague recule, l'air emprisonné est soudainement libéré avec une force explosive. La libération explosive d'air hautement sous pression fissure les fragments à la surface de la roche et élargit la fissure, de sorte que plus d'air est emprisonné lors de la vague suivante. Ce système progressif de rétroaction positive peut endommager les falaises et provoquer une altération rapide.

Croissance des cristaux de sel (haloclastie)

Altération par le sel de la pierre de construction sur l'île de Gozo, Malte

La cristallisation du sel, également connue sous le nom d'haloclastie, provoque la désintégration des roches lorsque les solutions salines s'infiltrent dans les fissures et les joints des roches et s'évaporent, laissant les cristaux de sel derrière. Ces cristaux de sel se dilatent lorsqu'ils s'échauffent, exerçant une pression sur la roche confinée.

La cristallisation du sel peut également avoir lieu lorsque les solutions décomposent les roches. Par exemple, le calcaire et la craie forment des solutions salines de sulfate de sodium ou de carbonate de sodium, dont l'humidité s'évapore pour former leurs cristaux de sel respectifs.

Les sels qui se sont révélés les plus efficaces pour désintégrer les roches sont le sulfate de sodium, le sulfate de magnésium et le chlorure de calcium. Certains de ces sels peuvent se dilater jusqu'à trois fois, voire davantage.

L'altération par cristallisation du sel est normalement associée aux climats arides, où un fort chauffage provoque une évaporation rapide, conduisant à la formation de cristaux de sel. Il est également commun le long des côtes, et un exemple d'altération du sel peut être vu dans les pierres alvéolées des digues.

Altération biotique

Les organismes vivants peuvent contribuer à l'altération mécanique ainsi qu'à l'altération chimique (voir l'altération «biologique» ci-dessous). Les lichens et les mousses poussent sur des surfaces rocheuses essentiellement dénudées et créent un micro-environnement chimique plus humide. La fixation de ces organismes à la surface de la roche améliore la dégradation physique et chimique de la microcouche de surface de la roche. À plus grande échelle, les semis qui poussent dans une crevasse et les racines des plantes exercent une pression physique et fournissent une voie d'infiltration d'eau et de produits chimiques. Les animaux fouisseurs et les insectes perturbent la couche de sol adjacente à la surface du substratum rocheux, augmentant encore l'infiltration d'eau et d'acide et l'exposition aux processus d'oxydation.

Un autre exemple bien connu d'altération biotique causée par les animaux est celui des mollusques bivalves connus sous le nom de Piddock. Ces animaux, trouvés ennuyeux dans les roches carbonifères (comme les falaises calcaires de Flamborough Head), se sont enfoncés plus loin dans la falaise.

Altération chimique

L'altération chimique implique des changements dans la composition chimique de la roche, entraînant souvent une dégradation de sa forme.

Solution

Lors de l'altération en solution, les minéraux rocheux sont dissous dans l'eau et la solubilité dépend du pH et de la température.

Les précipitations sont naturellement légèrement acides car le dioxyde de carbone atmosphérique se dissout dans l'eau de pluie, produisant de l'acide carbonique faible. Dans les environnements non pollués, le pH des précipitations est d'environ 5,6. Les pluies acides se produisent lorsque des gaz tels que le dioxyde de soufre et les oxydes d'azote sont présents dans l'atmosphère. Ces oxydes réagissent dans l'eau de pluie pour produire des acides plus forts et peuvent abaisser le pH à 4,5 ou même 4,0.

Anhydride sulfureux (SO2) des éruptions volcaniques ou des combustibles fossiles peuvent devenir de l'acide sulfurique lorsqu'ils sont exposés à l'eau de pluie, ce qui peut provoquer une altération en solution des roches sur lesquelles il tombe.

L'un des processus d'altération en solution les plus connus est la carbonatation, le processus dans lequel le dioxyde de carbone atmosphérique conduit à l'altération en solution. La carbonatation se produit sur les roches qui contiennent du carbonate de calcium, comme le calcaire et la craie. Cela se produit lorsque la pluie se combine avec du dioxyde de carbone ou un acide organique pour former un acide carbonique faible, qui réagit avec le carbonate de calcium (comme le calcaire) et forme du bicarbonate de calcium. Ce processus s'accélère avec une baisse de température et est donc une caractéristique importante de l'altération glaciaire.

Les réactions sont les suivantes:

CO2 + H2O -> H2CO3
dioxyde de carbone + eau -> acide carbonique
H2CO3 + CaCO3 -> Ca (HCO3)2
acide carbonique + carbonate de calcium -> bicarbonate de calcium

Hydratation

L'hydratation est une forme d'altération chimique qui implique la forte fixation de H+ et OH- des ions aux atomes et aux molécules d'un minéral. Par exemple, le minéral anydrite forme le gypse avec la fixation de ces ions pendant l'hydratation.

Lorsque les minéraux rocheux absorbent de l'eau, leur volume augmente, créant ainsi des contraintes physiques à l'intérieur de la roche. Un exemple se trouve dans les oxydes de fer convertis en hydroxydes de fer. L'hydratation peut entraîner l'écaillage de la surface, l'écaillage et les piqûres.5

Une roche fraîchement brisée montre une altération chimique différentielle (probablement principalement l'oxydation) progressant vers l'intérieur. Ce morceau de grès a été trouvé dans la dérive glaciaire près d'Angelica, New York.

Hydrolyse

L'hydrolyse est un processus d'altération chimique affectant les minéraux silicatés (composés contenant du silicium, de l'oxygène et un métal). Dans de telles réactions, l'eau pure s'ionise légèrement et réagit avec les minéraux silicatés. Un exemple de réaction:

Mg2SiO4 + 4H+ + 4OH -> 2Mg2+ + 4OH + H4SiO4
olivine (forstérite) + quatre molécules d'eau ionisées -> ions en solution + acide silicique en solution

Cette réaction entraîne la dissolution complète du minéral d'origine, en supposant que suffisamment d'eau est disponible pour conduire la réaction. Cependant, la réaction ci-dessus est dans une certaine mesure trompeuse car l'eau pure agit rarement comme un H+ donneur. Le dioxyde de carbone, cependant, se dissout facilement dans l'eau, formant un acide faible et H+ donneur.

Mg2SiO4 + 4CO2 + 4H2O -> 2Mg2+ + 4HCO3 + 4H4SiO4
olivine (forstérite) + dioxyde de carbone + eau -> ions magnésium et bicarbonate en solution + acide silicique en solution

Cette réaction d'hydrolyse est beaucoup plus courante. L'acide carbonique est consommé par l'altération du silicate, résultant en des solutions plus alcalines à cause du bicarbonate. Il s'agit d'une réaction importante pour contrôler la quantité de CO2 dans l'atmosphère et peut affecter le climat.

Les aluminosilicates, lorsqu'ils sont soumis à la réaction d'hydrolyse, produisent un minéral secondaire plutôt que de simplement libérer des cations.

2KAlSi3O8 + 2H2CO3 + 9H2O -> Al2Si2O5(OH)4 + 4H4SiO4 + 2K+ + 2HCO3
orthoclase (feldspath aluminosilicate) + acide carbonique + eau -> kaolinite (un minéral argileux) + acide silicique en solution + ions potassium et bicarbonate en solution

Oxydation

Le processus d'altération peut impliquer l'oxydation chimique d'une variété de métaux. Le plus communément observé est l'oxydation du Fe2+ (fer) en combinaison avec de l'oxygène et de l'eau pour former du Fe3+ les hydroxydes et oxydes tels que la goethite, la limonite et l'hématite. Les roches affectées ont une coloration brun rougeâtre à la surface, qui s'effrite facilement et affaiblit la roche. Ce processus est mieux connu sous le nom de «rouille».

La sulfatation

L'addition de dioxyde de soufre au calcaire produit du gypse (sulfate de calcium), qui est plus soluble que le carbonate de calcium et est facilement dissous et emporté par la pluie. Sur les zones d'un bâtiment à l'abri de la pluie, une croûte de gypse peut s'accumuler et piéger les particules de suie provenant de la combustion de combustibles fossiles.

Biologique

Un certain nombre de plantes et d'animaux peuvent favoriser l'altération chimique par la libération de composés acides.

La forme d'altération biologique la plus courante est la libération de composés (tels que les acides) sécrétés par les arbres, pour décomposer des éléments tels que l'aluminium et le fer dans le sol environnant. Ces éléments peuvent être toxiques et perturber la croissance des plantes s'ils sont laissés seuls. Une fois décomposés, ces éléments sont plus facilement emportés par l'eau de pluie, et une libération extrême de composés chélatants peut facilement affecter les roches et les sols environnants par la lixiviation de ces éléments du sol, connue sous le nom de podsolisation.

Altération des bâtiments et des statues

Les bâtiments en calcaire sont particulièrement sensibles aux intempéries. De plus, les mauvaises herbes peuvent parfois germer dans les gouttières des bâtiments où elles ont été amenées par le vent. Au fur et à mesure de leur croissance, ils plantent leurs racines dans les fondations rocheuses du bâtiment, forçant leur chemin plus bas. Cela provoque l'exfoliation de la roche sur une longue période, témoin de petits fragments s'effondrer de temps en temps.

De plus, les statues et les éléments ornementaux peuvent être gravement endommagés par les intempéries, en particulier dans les zones gravement touchées par les pluies acides, causées par les polluants dans l'air.

Voir également

  • Érosion
  • Minéral
  • Roche (géologie)
  • Sol
  • Altération spatiale

Remarques

  1. 1.0 1.1 J. B. Murton, R. Peterson, J.-C. Ozouf, Science, 314, 1127, 2006.
  2. 2.0 2.1 J. G. Dash, A. W. Rempel, J. S. Wettlaufer, Rev. Mod. Phys. 78, 695, 2006.
  3. ^ "L'expansion de l'eau après gelé" Demandez à un Scientifique: Archives des Sciences de l'Environnement. Newton. Dec 2004. Récupéré le 7 mars 2008.
  4. ↑ David McConnell, «Weathering and Soils: Physical Weathering» Good Earth, 9 septembre 2001. Récupéré le 7 mars 2008.
  5. ^ "Weathering" Récupéré le 7 mars 2008.

Les références

  • Gore, Pamela J.W. 1998-2004. "Altération des roches et formation de sédiments" Georgia Perimeter College. Récupéré le 7 mars 2008.
  • McConnell, David. 2001. "Weathering and Soils" La Bonne Terre. Récupéré le 7 mars 2008.
  • Pidwirney, Michael. 1999-2006. "Introduction à la lithosphère: l'altération" Physical Geography.net. Récupéré le 7 mars 2008.

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