5.2: Meteorología y Erosión
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El lecho rocoso se refiere a la roca cristalina sólida que forma la corteza exterior de la Tierra. La meteorización es un proceso que convierte el lecho rocoso en partículas más pequeñas, llamadas sedimento o suelo. La meteorización mecánica incluye expansión de presión, acuñamiento de heladas, acuñamiento de raíces y expansión de sal. La meteorización química incluye ácido carbónico e hidrólisis, disolución y oxidación.
La erosión es un proceso mecánico, generalmente impulsado por el agua, el viento, la gravedad o el hielo, que transporta sedimentos y suelo desde el lugar de meteorización. El agua líquida es el principal agente de erosión. Los procesos de gravedad y desperdicio masivo (ver Capítulo 10, Desperdiciación masiva) mueven rocas y sedimentos a nuevas ubicaciones. La gravedad y el hielo, en forma de glaciares (ver Capítulo 14, Glaciares), mueven grandes fragmentos de roca así como sedimentos finos.
La resistencia a la erosión es importante en la creación de características geológicas distintivas. Esto queda bien demostrado en los acantilados del Gran Cañón. Los acantilados están hechos de roca dejada en pie después de que materiales menos resistentes se hayan desgastado y erosionado. Las rocas con diferentes niveles de resistencia a la erosión también crean características de aspecto único llamadas hoodoos en el Parque Nacional Bryce Canyon y el Parque Estatal Goblin Valley en Utah.
Intemperie Mecánica
La meteorización mecánica rompe físicamente el lecho rocoso en trozos más pequeños. Los agentes habituales de meteorización mecánica son la presión, la temperatura, el ciclo de congelación/descongelación del agua, la actividad vegetal o animal y la evaporación de la sal.
Expansión de Presión
El lecho rocoso enterrado en lo profundo de la Tierra está bajo alta presión y temperatura. Cuando el levantamiento y la erosión traen roca rocosa a la superficie, su temperatura baja lentamente, mientras que su presión cae inmediatamente. La caída repentina de presión hace que la roca se expanda y se agriete rápidamente; esto se llama expansión de presión. La lámina o exfoliación es cuando la superficie de la roca se descompone en capas. La meteorización esferoidal es un tipo de exfoliación que produce características redondeadas y se produce cuando la intemperie química se mueve a lo largo de las juntas en el lecho rocoso.
Cuñadura de escarcha
El acuñamiento de escarcha, también llamado acuñamiento de hielo, utiliza el poder de expandir el hielo para romper las rocas. El agua se abre paso en varias grietas, huecos y grietas. A medida que el agua se congela, se expande con gran fuerza, explotando cualquier debilidad. Cuando el hielo se derrite, el agua líquida se mueve más hacia los espacios ensanchados. Los ciclos repetidos de congelación y derretimiento eventualmente separan las rocas. Los ciclos pueden ocurrir diariamente cuando las fluctuaciones de temperatura entre el día y la noche pasan de congelarse a derretirse.
Cuñetazo de raíz
Al igual que la acuñación de heladas, la acuñación de raíces ocurre cuando las raíces de las plantas se convierten en grietas, separando la roca madre a medida que crecen Ocasionalmente estas raíces pueden llegar a ser fosilizadas. Rizolito es el término para estas raíces conservadas en el registro rocoso [2]. Los organismos tuneladores como las lombrices de tierra, las termitas y las hormigas son agentes biológicos que inducen la meteorización similar a la acuñación
Expansión de Sal
La expansión salina, que funciona de manera similar a la acuñación de heladas, ocurre en áreas de alta evaporación o ambientes cercanos a la marina. La evaporación hace que las sales precipiten de la solución y crezcan y se expandan en grietas en la roca. La expansión salina es una de las causas del tafoni, una serie de agujeros en una roca. Tafoni, grietas y agujeros son puntos débiles que se vuelven susceptibles al aumento de la intemperie. El cristal de tolva describe un cristal de forma cuadrada, comúnmente hecho de sal, conservado en roca.
Weathering Químico
La meteorización química es el proceso de meteorización dominante en ambientes cálidos y húmedos. Ocurre cuando el agua, el oxígeno y otros reactivos degradan químicamente los componentes minerales del lecho rocoso y los convierten en iones solubles en agua que luego pueden ser transportados por el agua. Las temperaturas más altas aceleran las tasas de meteorización química.
La meteorización química y mecánica trabaja de la mano a través de un concepto fundamental llamado relación superficie-volumen. La meteorización química solo ocurre en las superficies de las rocas porque el agua y los reactivos no pueden penetrar en la roca sólida. La meteorización mecánica penetra en el lecho rocoso, rompiendo rocas grandes en trozos más pequeños y creando nuevas superficies rocosas. Esto expone más superficie a la intemperie química, potenciando sus efectos. En otras palabras, mayores relaciones superficie-volumen producen mayores tasas de meteorización general.
Ácido Carbónico e Hidrólisis
El ácido carbónico (H 2 CO 3) se forma cuando el dióxido de carbono, el quinto gas más abundante en la atmósfera, se disuelve en agua. Esto sucede de forma natural en las nubes, razón por la cual la precipitación es normalmente ligeramente ácida. El ácido carbónico es un agente importante en dos reacciones químicas de meteorización, hidrólisis y disolución.
La hidrólisis se produce a través de dos tipos de reacciones. En una reacción, las moléculas de agua se ionizan en iones H + y OH − cargados positivamente y reemplazan los cationes minerales en la red cristalina. En otro tipo de hidrólisis, las moléculas de ácido carbónico reaccionan directamente con los minerales, especialmente los que contienen silicio y aluminio (es decir, Feldespatos), para formar moléculas de minerales arcillosos.
La hidrólisis es el principal proceso que descompone la roca de silicato y crea minerales arcillosos. La siguiente es una reacción de hidrólisis que ocurre cuando el feldespato rico en sílice se encuentra con ácido carbónico para producir arcilla soluble en agua y otros iones:
feldespato + ácido carbónico (en agua) → arcilla + cationes metálicos (Fe ++, Mg ++, Ca ++, Na +, etc.) + aniones bicarbonato (HCO 3 -) + sílice (SiO 2)
Los minerales arcillosos son silicatos laminares o filosilicatos (ver Capítulo 3, Minerales) similares a las micas, y son los componentes principales de sedimentos de grano muy fino. Las sustancias disueltas pueden precipitarse posteriormente en rocas sedimentarias químicas como evaporita y piedra caliza, así como sílice amorfa o nódulos de cerda.
Disolución
La disolución es una reacción de hidrólisis que disuelve los minerales en el lecho rocoso y deja los iones en solución, generalmente en agua. Algunos evaporitos y carbonatos, como la sal y la calcita, son más propensos a esta reacción; sin embargo, todos los minerales pueden disolverse. El agua no ácida, que tiene un pH neutro de 7, disolverá cualquier mineral, aunque puede ocurrir muy lentamente. El agua con mayores niveles de ácido, natural o artificial, disuelve las rocas a mayor velocidad. El agua líquida es normalmente ligeramente ácida debido a la presencia de ácido carbónico e iones H+ libres. El agua de lluvia natural puede ser altamente ácida, con niveles de pH tan bajos como 2 [3]. La disolución puede ser potenciada por un agente biológico, como cuando organismos como el liquen y las bacterias liberan ácidos orgánicos en las rocas a las que están unidos. Las regiones con alta humedad (humedad aerotransportada) y precipitación experimentan más disolución debido al mayor tiempo de contacto entre las rocas y el agua.
La Serie de Disolución Goldich muestra que las tasas de meteorización química están asociadas con clasificaciones de cristalización en la Serie de Reacciones de Bowen (ver Capítulo 4, Roca ígnea y procesos volcánicos) [4]. Los minerales en la parte superior de la serie Bowen cristalizan bajo altas temperaturas y presiones, y químicamente el clima a un ritmo más rápido que los minerales clasificados en la parte inferior. El cuarzo, un mineral félsico que cristaliza a 700°C, es muy resistente a la intemperie química. Los minerales máficos de alto punto de cristalización, como el olivino y el piroxeno (1,250°C), hacen un clima relativamente rápido y más completo. El olivino y el piroxeno rara vez se encuentran como productos finales de la intemperie porque tienden a descomponerse en iones elementales.
La disolución también es notable por las características geológicas especiales que crea. En lugares con abundante lecho rocoso carbonatado, la meteorización por disolución puede producir una topografía kárstica caracterizada por sumideros o cuevas (ver Capítulo 10, Desperdiciación masiva).
El Monumento Nacional de la Cueva Timpanogos en el norte de Utah es una característica de disolución bien conocida. La figura muestra una formación de cueva creada a partir de la disolución seguida de precipitación, aguas subterráneas saturadas con calcita que se filtran en la caverna, donde la evaporación provocó que los minerales disueltos precipitaran.
Oxidación
La oxidación, la reacción química que causa la oxidación en el hierro metálico, ocurre geológicamente cuando los átomos de hierro en un mineral se unen con el oxígeno. Cualquier mineral que contenga hierro puede ser oxidado. Los óxidos de hierro resultantes pueden permear una roca si es rica en minerales de hierro. Los óxidos también pueden formar un recubrimiento que cubre rocas y granos de sedimento, o líneas de cavidades de roca y fracturas. Si los óxidos son más susceptibles a la intemperie que el lecho rocoso original, pueden crear espacios vacíos dentro de la masa rocosa o huecos en las superficies expuestas.
Tres minerales comúnmente encontrados son producidos por reacciones de oxidación de hierro: hematita roja o gris, goetita marrón (pronunciada “Gur-tite”) y limonita amarilla. Estos óxidos de hierro recubren y unen los granos minerales en rocas sedimentarias en un proceso llamado cementación y a menudo dan a estas rocas un color dominante. Colorean las capas rocosas de la meseta de Colorado, así como los parques nacionales de Zion, Arches y el Gran Cañón. Estos óxidos pueden permear una roca que es rica en minerales portadores de hierro o pueden ser un recubrimiento que se forma en cavidades o fracturas. Cuando los minerales que reemplazan a los minerales existentes en el lecho rocoso son resistentes a la intemperie, pueden ocurrir concreciones de hierro en la roca. Cuando el lecho rocoso es reemplazado por óxidos más débiles, este proceso comúnmente resulta en espacios vacíos y debilidad en toda la masa rocosa y, a menudo, deja huecos en las superficies rocosas expuestas.
Erosión
La erosión es un proceso mecánico, generalmente impulsado por el agua, la gravedad (ver Capítulo 10), el viento o el hielo (ver Capítulo 14) que elimina los sedimentos del lugar de meteorización. El agua líquida es el principal agente de erosión.
La resistencia a la erosión es importante en la creación de características geológicas distintivas. Esto queda bien demostrado en los acantilados del Gran Cañón. Los acantilados están hechos de roca dejada en pie después de que materiales menos resistentes se hayan desgastado y erosionado. Las rocas con diferentes niveles de resistencia a la erosión también crean características de aspecto único llamadas hoodoos en Bryce Canyon National Park y Goblin Valley State Park en Utah.
Suelo
El suelo es una combinación de aire, agua, minerales y materia orgánica que se forma en la transición entre la biosfera y la geosfera. El suelo se hace cuando la meteorización descompone el lecho rocoso y lo convierte en sedimento. Si la erosión no elimina significativamente el sedimento, los organismos pueden acceder al contenido mineral de los sedimentos. Estos organismos convierten los minerales, el agua y los gases atmosféricos en sustancias orgánicas que contribuyen al suelo.
El suelo es un importante reservorio de componentes orgánicos necesarios para que las plantas, los animales y los microorganismos vivan. El componente orgánico del suelo, llamado humus, es una rica fuente de nitrógeno biodisponible. El nitrógeno es el elemento más común en la atmósfera, pero existe en una forma que la mayoría de las formas de vida son incapaces de usar. Las bacterias especiales que solo se encuentran en el suelo proporcionan la mayoría de los compuestos nitrogenados que son utilizables, biodisponibles, por formas de vida.
Estas bacterias fijadoras de nitrógeno absorben el nitrógeno de la atmósfera y lo convierten en compuestos nitrogenados. Estos compuestos son absorbidos por las plantas y utilizados para producir ADN, aminoácidos y enzimas. Los animales obtienen nitrógeno biodisponible al comer plantas, y esta es la fuente de la mayor parte del nitrógeno utilizado por la vida. Ese nitrógeno es un componente esencial de las proteínas y del ADN. Los suelos van de pobres a ricos, dependiendo de la cantidad de humus que contengan. La productividad del suelo está determinada por el contenido de agua y nutrientes. Los suelos volcánicos recién creados, llamados andisoles, y los suelos ricos en arcilla que contienen nutrientes y agua son ejemplos de suelos productivos.
La naturaleza del suelo, es decir, sus características, está determinada principalmente por cinco componentes:
- La mineralogía del material parental
- Topografía
- Weathering
- Clima
- Los organismos que habitan el suelo.
Por ejemplo, el suelo tiende a erosionarse más rápidamente en pendientes pronunciadas por lo que las capas de suelo en estas áreas pueden ser más delgadas que en las llanuras aluviales, donde tiende a acumularse. La cantidad y química de la materia orgánica del suelo inciden en cuánto y qué variedades de vida puede sostener. La temperatura y la precipitación, dos de los principales agentes atmosféricos, dependen del clima. Los hongos y bacterias aportan materia orgánica y la capacidad del suelo para sostener la vida, interactuando con las raíces de las plantas para intercambiar nitrógeno y otros nutrientes [5].
En suelos bien formados, existe una disposición discernible de distintas capas llamadas horizontes de suelo [6]. Estos horizontes de suelo se pueden ver en cortes de carreteras que exponen las capas en el borde del corte. Los horizontes del suelo conforman el perfil del suelo. Cada horizonte de suelo refleja el clima, la topografía y otros factores de desarrollo del suelo, así como su material orgánico y composición de sedimentos minerales. A los horizontes se les asignan nombres y letras. Las diferencias en los esquemas de nomenclatura dependen del área, tipo de suelo o tema de investigación. La figura muestra un perfil de suelo simplificado que utiliza nombres y letras comúnmente designados.
O Horizonte: El horizonte superior es una capa delgada de material predominantemente orgánico, como hojas, ramitas y otras partes de plantas que se descomponen activamente en humus.
A Horizonte: La siguiente capa, llamada capa superior del suelo, consiste en humus mezclado con sedimento mineral. A medida que la precipitación se empapa a través de esta capa, lixivia los químicos solubles. En climas húmedos con fuertes precipitaciones, esta lixiviación produce una capa separada llamada horizonte E, la zona de lixiviación o eluviación.
B Horizonte: También llamada subsuelo, esta capa consiste en sedimentos mezclados con humus removidos de las capas superiores. El subsuelo es donde el sedimento mineral es químicamente meteorizado. La cantidad de material orgánico y el grado de meteorización disminuyen con la profundidad. La zona superior del subsuelo, llamada regolito, es una mezcla porosa de humus y sedimento altamente erosionado. En la zona inferior, saprolita, escaso material orgánico se mezcla con roca madre en gran parte inalterada.
C Horizonte: Este es sustrato y es una zona de meteorización mecánica. Aquí, los fragmentos de roca rocosa se rompen físicamente pero no se alteran químicamente. Esta capa no contiene material orgánico.
R Horizon: La capa final consiste en roca madre y fragmentos no desgastados.
El órgano de gobierno de los Estados Unidos para la agricultura, el USDA, utiliza una clasificación taxonómica para identificar los tipos de suelo, llamados órdenes de suelo. Los suelos xoxisoles o lateritas son suelos pobres en nutrientes que se encuentran en regiones tropicales. Si bien son poco adecuados para el cultivo, los xosisoles son el hogar de la mayor parte del mineral de aluminio (bauxita) minable del mundo. El ardisol se forma en climas secos y puede desarrollar capas de calcita endurecida, llamadas caliche. Los andisoles se originan a partir de depósitos de cenizas volcánicas. Los alfisoles contienen minerales de arcilla de silicato. Estos dos órdenes de suelo son productivos para la agricultura debido a su alto contenido de nutrientes minerales. En general, el color puede ser un factor importante para entender las condiciones del suelo. Los suelos negros tienden a ser anóxicos, ricos en oxígeno rojo y pobres en oxígeno verde (es decir, reducidos). Esto también es cierto para muchas rocas sedimentarias.
No sólo el suelo es esencial para la vida terrestre en la naturaleza, sino también la civilización humana a través de la agricultura. La actividad humana descuidada o desinformada puede dañar seriamente las propiedades vitales del suelo. Un excelente ejemplo es el famoso desastre de Dust Bowl de la década de 1930, que afectó al medio oeste de Estados Unidos. El daño ocurrió debido a intentos a gran escala de desarrollar tierras de pradera en el sur de Kansas, Colorado, oeste de Texas y Oklahoma en tierras de cultivo [7]. La mala comprensión de la geología, ecología y clima de la región condujo a prácticas agrícolas que arruinaron el perfil del suelo.
Los suelos de las praderas y las plantas nativas están bien adaptados a un clima relativamente seco. Con el ánimo del gobierno, los colonos se trasladaron a la región. Araron vastas áreas de pradera en largas hileras rectas y sembraron grano. El arado rompió el perfil estable del suelo y destruyó las gramíneas y plantas naturales, las cuales tenían raíces largas que anclaban las capas del suelo. Los granos que sembraron tenían sistemas radiculares menos profundos y se araban cada año, lo que hacía que el suelo fuera propenso a la erosión. Los surcos arados se alinearon en hileras rectas que corrían cuesta abajo, lo que favoreció la erosión y la pérdida de capa superior del suelo.
El clima local no produce suficiente precipitación para apoyar cultivos de granos no nativos, por lo que los agricultores perforaron pozos y sobrebombearon agua de los acuíferos subterráneos. Los cultivos de grano fracasaron por falta de agua, dejando suelo desnudo que fue despojado del suelo por los vientos de la pradera. Las partículas de suelo de la pradera del medio oeste se depositaron a lo largo de la costa este y tan lejos como Europa. Enormes tormentas de polvo llamadas ventiscas negras hicieron que la vida fuera insoportable, y los campesinos que alguna vez esperaban se fueron en masa. El escenario de la famosa novela de John Steinbeck y de la película de John Ford, Las uvas de la ira, es Oklahoma durante este tiempo. La pregunta persistente es si hemos aprendido las lecciones del depósito para el polvo, para evitar volver a crearlo [8].