Lisää

7.2: Sään ja eroosion geotieteet

7.2: Sään ja eroosion geotieteet


Kallioperä viittaa kiinteään kiteiseen kiveen, joka muodostaa maapallon ulkokuoren. Sää on prosessi, joka kääntyy kallioperä pienemmiksi hiukkasiksi, nimeltään sedimentti tai maaperään. Mekaaniseen säähän sisältyy paineen laajeneminen, huurteen kiilaaminen, juurien kiilaaminen ja suolan paisuminen. Kemiallinen sään Sisältää hiilihapon ja hydrolyysin, liukenemisen ja hapettumisen.

Eroosio on mekaaninen prosessi, jota yleensä ohjaa vesi, tuuli, painovoima tai jää, joka kuljettaa sedimenttiä ja maaperää sääpaikasta. Nestemäinen vesi on tärkein eroosiota aiheuttava aine. Painovoima- ja massanhukkausprosessit (katso luku 10, joukkojätteet) siirtävät kivet ja sedimentit uusille paikoille. Painovoima ja jää jäätiköiden muodossa (ks. Luku 14, Jäätiköt) siirtävät suuria kivenpaloja sekä hienoja sedimenttejä.

Eroosionkestävyys on tärkeää luonteenomaisten geologisten piirteiden luomisessa. Tämä on osoitettu hyvin Grand Canyonin kallioilla. Kalliot on valmistettu kivestä, joka on jäänyt seisomaan sen jälkeen, kun vähemmän kestävät materiaalit ovat haalistuneet ja syöpyneet. Kivet, joilla on eritasoinen eroosionkestävyys, luovat myös ainutlaatuisen näköisiä ominaisuuksia, joita kutsutaan hoodoiksi Bryce Canyonin kansallispuistoon ja Goblin Valley State Parkiin Utahissa.

Mekaaninen sään

Mekaaninen sään fyysisesti hajottaa kallioperän pienemmiksi paloiksi. Tyypillisiä mekaanisen sään vaikutuksia ovat paine, lämpötila, veden jäätymis- / sulatussykli, kasvien tai eläinten aktiivisuus ja suolan haihtuminen.

Paineen laajennus

Maan syvälle haudattu kallioperä on korkeassa paineessa ja lämpötilassa. Kun kohoaminen ja eroosio tuovat kallioperän pinnalle, sen lämpötila laskee hitaasti, kun taas paine laskee välittömästi. Äkillinen painehäviö saa kallion nopeasti laajenemaan ja halkeilemaan; tätä kutsutaan paineen laajentumiseksi. Arkki tai kuorinta on kun kallion pinta irtoaa kerroksittain. Pallomainen sää on eräänlainen kuorinta, joka tuottaa pyöristettyjä piirteitä ja joka syntyy, kun kemiallinen sää liikkuu kallioperän nivelten varrella.

Frost Wedging

Pakkasen kiilaaminen, jota kutsutaan myös jään kiilaksi, käyttää laajentavan jään voimaa kivien hajottamiseen. Vesi kulkee tiensä eri halkeamiin, aukkoihin ja rakoihin. Kun vesi jäätyy, se laajenee suurella voimalla hyödyntäen mahdollisia heikkouksia. Kun jää sulaa, nestemäinen vesi liikkuu edelleen laajentuneisiin tiloihin. Toistuvat jäätymis- ja sulamisjaksot pilkkovat lopulta kiviä toisistaan. Syklit voivat tapahtua päivittäin, kun lämpötilan vaihtelut päivän ja yön välillä siirtyvät jäätymisestä sulamiseen.

Root kiilaaminen

Kuten pakkaskiilaaminen, juurien kiilaaminen tapahtuu, kun kasvien juuret muuttavat itseään halkeamiksi, utelevat kallioperää toisistaan ​​niiden kasvaessa. Toisinaan nämä juuret voivat kivettyä. Rhizolith on termi näille juurille, joka on säilynyt kalliolevyssä [2]. Tunnelointiorganismit, kuten lierot, termiitit ja muurahaiset, ovat biologisia tekijöitä, jotka aiheuttavat samankaltaisen sään kuin juurien kiilaaminen.

Suolan laajennus

Suolan laajeneminen, joka toimii samalla tavalla kuin pakkaskiila, tapahtuu alueilla, joilla on paljon haihtumista tai lähellä merialueita. Haihtuminen saa suolat saostumaan liuoksesta ja kasvamaan ja laajenemaan halkeamiin. Suolan laajeneminen on yksi syistä tafoni, sarja reikiä kalliossa. Tafoni, halkeamat ja reiät ovat heikkoja kohtia, jotka ovat alttiita lisääntyneelle säälle. Säiliön kristalli kuvaa neliönmuotoista, tavallisesti suolasta valmistettua kristalia, joka on säilytetty kivessä.

Kemiallinen sään

Kemiallinen säänkesto on hallitseva sään prosessi lämpimissä, kosteissa ympäristöissä. Se tapahtuu, kun vesi, happi ja muut reagenssit hajottavat kemiallisesti kallioperän mineraalikomponentit ja muuttavat ne vesiliukoisiksi ioneiksi, jotka voidaan sitten kuljettaa vedellä. Korkeammat lämpötilat kiihdyttävät kemiallisen sään vaikutusta.

Kemiallinen ja mekaaninen säänkesto työskentelevät käsi kädessä peruskäsitteen, jota kutsutaan pinta-ala / tilavuus -suhteeksi. Kemiallista säänkestoa esiintyy vain kalliopinnoilla, koska vesi ja reagoivat aineet eivät pääse tunkeutumaan kiinteään kiveen. Mekaaninen säänkesto tunkeutuu kallioperään, murtamalla suuret kivet pienemmiksi paloiksi ja luoden uusia kalliopintoja. Tämä altistaa enemmän pinta-alaa kemialliselle sään vaikutuksille, mikä lisää sen vaikutuksia. Toisin sanoen korkeammat pinta-ala-tilavuussuhteet tuottavat suurempia kokonaissääasteita.

Hiilihappo ja hydrolyysi

Hiilihappo (H2CO3) muodostuu, kun hiilidioksidi, ilmakehän viidenneksi suurin kaasu, liukenee veteen. Tämä tapahtuu luonnollisesti pilvissä, minkä vuoksi sateet ovat yleensä hieman happamia. Hiilihappo on tärkeä aine kahdessa kemiallisessa sään reaktiossa, hydrolyysissä ja liukenemisessa.

Hydrolyysi tapahtuu kahden tyyppisten reaktioiden kautta. Yhdessä reaktiossa vesimolekyylit ionisoituvat positiivisesti varautuneeksi H: ksi+ ja OH ioneja ja korvaa mineraalikationit kristallihilassa. Eräässä muussa hydrolyysityypissä hiilihappomolekyylit reagoivat suoraan mineraalien kanssa, erityisesti piitä ja alumiinia (ts. Maasälpä) sisältävien mineraalien kanssa, muodostaen savimineraalimolekyylejä.

Hydrolyysi on tärkein prosessi, joka hajottaa silikaattikiviä ja luo savimineraaleja. Seuraava on hydrolyysireaktio, joka tapahtuu, kun piidioksidipitoinen maasälpä kohtaa hiilihappoa vesiliukoisen saven ja muiden ionien tuottamiseksi:

maasälpä + hiilihappo (vedessä) → savi + metallikationit (Fe++, Mg++Ca++Na+jne.) + bikarbonaatti-anionit (HCO3-) + piidioksidi (SiO2)

Savimineraalit ovat plataanisilikaatteja tai filosilikaatteja (ks. Luku 3, Mineraalit), jotka ovat samanlaisia ​​kuin micat, ja ovat erittäin hienorakeisen sedimentin pääkomponentteja. Liuenneet aineet voivat myöhemmin saostua kemialliset sedimenttikivet kuten evaporiitti ja kalkkikivi sekä amorfinen piidioksidi tai chertti-kyhmyt.

Liukeneminen

Liukeneminen on hydrolyysireaktio, joka liuottaa mineraalit kallioperään ja jättää ionit liuokseen, yleensä veteen. Jotkut evaporiitit ja karbonaatit, kuten suola ja kalsiitti, ovat alttiimpia tälle reaktiolle; kaikki mineraalit voidaan kuitenkin liuottaa. Happamaton vesi, jonka neutraali pH on 7, liuottaa kaikki mineraalit, vaikka se voi tapahtua hyvin hitaasti. Vesi, jossa on korkeampi happopitoisuus, luonnollinen tai ihmisen aiheuttama, liuottaa kiviä nopeammin. Nestemäinen vesi on normaalisti hieman hapan johtuen hiilihapon ja vapaiden H + -ionien läsnäolosta. Luonnollinen sadevesi voi olla erittäin hapan, ja sen pH-arvo on niinkin alhainen kuin 2 [3]. Liukenemista voidaan tehostaa biologisella aineella, esimerkiksi silloin kun organismit, kuten jäkälä ja bakteerit, vapauttavat orgaanisia happoja kiviin, joihin ne ovat kiinnittyneet. Alueilla, joilla on korkea kosteus (ilmassa oleva kosteus) ja saostus, liukenee enemmän, koska kivien ja veden välinen kosketusaika on pitempi.

Goldich Dissolution -sarja osoittaa, että kemialliset sään vaikutukset liittyvät Bowenin reaktiosarjan kiteytymisluokituksiin (katso luku 4, magmakivi ja tulivuoren prosessit) [4]. Bowen-sarjan yläosassa olevat mineraalit kiteytyvät korkeissa lämpötiloissa ja paineissa, ja kemiallisesti sää sujuu nopeammin kuin pohjassa olevat mineraalit. Kvartsi, felsiininen mineraali, joka kiteytyy 700 ° C: ssa, kestää hyvin kemiallista sään. Korkeiden kiteytymispisteiden mafiummineraalit, kuten oliviini ja pyrokseeni (1250 ° C), säänkestävät suhteellisen nopeasti ja täydellisemmin. Oliviinia ja pyrokseenia esiintyy harvoin sään lopputuotteina, koska ne hajoavat alkuaine-ioneiksi.

Liuottaminen on myös huomionarvoista sen luomien erityisten geologisten ominaisuuksien suhteen. Paikoissa, joissa on runsaasti karbonaattista kallioperää, liukenemissää voi tuottaa a karstin topografia jolle on tunnusomaista sinkholes tai luolat (ks. luku 10, joukkojätteet).

Timpanogos-luolan kansallinen muistomerkki Pohjois-Utahissa on tunnettu hajoamisominaisuus. Kuvassa on esitetty luolan muodostuminen, joka syntyi liukenemisesta ja sen jälkeen saostumisesta - kalsiitilla kyllästetty pohjavesi imeytyi luolaan, jossa haihtuminen aiheutti liuenneiden mineraalien saostumisen.

Hapetus

Hapetus, kemiallinen reaktio, joka aiheuttaa ruosteen metalliraudassa, tapahtuu geologisesti, kun rautatomit mineraalissa sitoutuvat happeen. Kaikki rautaa sisältävät mineraalit voidaan hapettaa. Tuloksena olevat rautaoksidit voivat läpäistä kiven, jos siinä on runsaasti rautamineraaleja. Oksidit voivat myös muodostaa päällysteen, joka peittää kivet ja sedimentinjyvät tai viivaa kivien onteloita ja murtumia. Jos oksidit ovat alttiimpia sään vaikutuksille kuin alkuperäinen kallioperä, ne voivat luoda tyhjiä tiloja kalliomassan sisään tai onttoja paljaille pinnoille.

Rauta-hapetusreaktioissa tuotetaan kolme yleisesti löydettyä mineraalia: punainen tai harmaa hematiitti, ruskea goethite (lausutaan "GUR-tite") ja keltainen limoniitti. Nämä rautaoksidit päällystävät ja sitovat mineraalirakeet yhteen sedimenttikiviksi prosessissa, jota kutsutaan sementoitumiseksi, ja antavat näille kiville usein hallitsevan värin. Ne värittävät Coloradon tasangon kalliokerrokset sekä Zionin, Archesin ja Grand Canyonin kansallispuistot. Nämä oksidit voivat läpäistä kiven, jossa on runsaasti rautaa sisältäviä mineraaleja, tai ne voivat olla päällyste, joka muodostuu onteloihin tai murtumiin. Kun kallioperän olemassa olevia mineraaleja korvaavat mineraalit ovat säänkestäviä, kalliossa voi esiintyä rautapitoisuuksia. Kun kallioperä korvataan heikommilla oksideilla, tämä prosessi johtaa yleensä tyhjiin tiloihin ja heikkouteen koko kalliomassaan ja jättää usein onteloita paljaille kalliopinnoille.

Eroosio

Eroosio on mekaaninen prosessi, jota yleensä ohjaa vesi, painovoima (katso luku 10), tuuli tai jää (katso luku 14), joka poistaa sedimentin sääpaikasta. Nestemäinen vesi on tärkein eroosiota aiheuttava aine.

Eroosio vastus on tärkeä luonteenomaisten geologisten piirteiden luomisessa. Tämä näkyy hyvin Grand Canyonin kallioilla. Eri eroosiota kestävät kivet luovat myös ainutlaatuisen näköisiä ominaisuuksia, joita kutsutaan hoodoiksi Bryce Canyonin kansallispuistossa ja Goblin Valley State Parkissa Utahissa.

Maaperä

Maaperä on ilman, veden, mineraalien ja orgaanisen aineen yhdistelmä, joka muodostuu siirtymässä biosfäärin ja geosfäärin välillä. Maaperä syntyy, kun sään myötä kallioperä hajoaa ja muuttuu sedimentiksi. Jos eroosio ei poista sedimenttiä merkittävästi, organismit pääsevät sedimenttien mineraalipitoisuuteen. Nämä organismit muuttavat mineraalit, veden ja ilmakehän kaasut orgaanisiksi aineiksi, jotka vaikuttavat maaperään.

Maaperä on tärkeä orgaanisten komponenttien varasto, joka tarvitaan kasvien, eläinten ja mikro-organismien elämään. Maaperän orgaaninen komponentti, nimeltään humus, on runsas biologisesti saatavan typen lähde. Typpi on ilmakehän yleisin alkuaine, mutta sitä on sellaisessa muodossa, jota useimmat elämänmuodot eivät pysty käyttämään. Erityiset bakteerit, jotka löytyvät vain maaperästä, tuottavat suurimman osan typpiyhdisteistä, jotka ovat käyttökelpoisia, biologisesti saatavilla, elämänmuotojen kautta.

Nämä typpeä sitovat bakteerit imevät typpeä ilmakehästä ja muuttavat sen typpiyhdisteiksi. Nämä yhdisteet imeytyvät kasveihin ja käytetään DNA: n, aminohappojen ja entsyymien valmistamiseen. Eläimet saavat biologisesti saatavaa typpeä syömällä kasveja, ja tämä on suurin osa elämän käyttämästä typestä. Tämä typpi on olennainen osa proteiineja ja DNA: ta. Maaperä vaihtelee köyhästä rikkaaseen sen sisältämän humusmäärän mukaan. Maaperän tuottavuus määräytyy veden ja ravinnepitoisuuden perusteella. Tuoreet tulivuoren maaperät, joita kutsutaan andoleiksi, ja savipitoiset maaperät, joissa on ravinteita ja vettä, ovat esimerkkejä tuottavista maista.

Maaperän luonne, tarkoittaen sen ominaisuuksia, määritetään ensisijaisesti viidellä komponentilla:

  1. Perusmateriaalin mineralogia
  2. Topografia
  3. Sään
  4. Ilmasto
  5. Maaperässä asuvat organismit.

Esimerkiksi maaperä pyrkii kulumaan nopeammin jyrkissä rinteissä, joten maaperäkerrokset näillä alueilla voivat olla ohuempia kuin tulvatasanteilla, joihin se yleensä kerääntyy. Maaperän orgaanisen aineen määrä ja kemia vaikuttavat siihen, kuinka paljon ja millaisia ​​elämänlajeja se voi ylläpitää. Lämpötila ja sateet, kaksi tärkeintä sään aiheuttajaa, ovat riippuvaisia ​​ilmastosta. Sienet ja bakteerit edistävät orgaanista ainesta ja maaperän kykyä ylläpitää elämää vuorovaikutuksessa kasvien juurien kanssa vaihtaakseen typpeä ja muita ravintoaineita [5].

Hyvin muodostuneissa maaperissä on havaittavissa oleva erillisten kerrosten järjestely maaperän horisontit [6]. Nämä maaperän horisontit voidaan nähdä tienleikkauksissa, jotka paljastavat kerrokset leikkauksen reunalla. Maaperän horisontit muodostavat maaperän profiilin. Jokainen maaperän horisontti heijastaa ilmastoa, pinnanmuodostusta ja muita maaperän kehitystekijöitä sekä sen orgaanista ainesta ja mineraalisten sedimenttien koostumusta. Horisontteille on annettu nimet ja kirjaimet. Nimeämisjärjestelmien erot riippuvat alueesta, maaperän tyypistä tai tutkimusaiheesta. Kuvassa on yksinkertaistettu maaprofiili, jossa käytetään yleisesti nimettyjä nimiä ja kirjaimia.

O Horisontti: Ylähorisontti on ohut kerros pääasiassa orgaanista ainetta, kuten lehtiä, oksia ja muita kasvinosia, jotka hajoavat aktiivisesti humukseksi.

Horisontti: Seuraava kerros, nimeltään pintamaata, koostuu humuksesta, johon on sekoitettu mineraalisia sedimenttejä. Kun sakka imeytyy tämän kerroksen läpi, se huuhtoutuu liukoisiin kemikaaleihin. Märässä ilmastossa, jossa on rankkasateita, tämä huuhtoutuminen tuottaa erillisen kerroksen, jota kutsutaan horisontiksi E, huuhtoutumis- tai poistumisvyöhykkeeksi.

B Horisontti: Kutsutaan myös maaperä, tämä kerros koostuu sedimentistä, johon on sekoitettu ylemmistä kerroksista poistettua humusta. Pohjamaassa mineraaliset sedimentit ovat kemiallisesti siedettyjä. Orgaanisen materiaalin määrä ja sään aste pienenevät syvyyden mukana. Ylempi maaperän alue, nimeltään regoliitti, on huokoinen seos humusta ja voimakkaasti rapautuneita sedimenttejä. Ala-alueella saproliitti, niukka orgaaninen materiaali sekoitetaan pääosin muuttumattomaan peruskallioon.

C Horisontti: Tämä on substraatti ja mekaanisen sään vyöhyke. Tässä kallioperän fragmentit ovat fyysisesti rikkoutuneet, mutta niitä ei ole muutettu kemiallisesti. Tämä kerros ei sisällä orgaanista ainetta.

R Horizon: Viimeinen kerros koostuu sääolosuhteista, vanhemmasta kallioperä ja sirpaleita.

Yhdysvaltain maatalouden hallintoelin, USDA, käyttää taksonomista luokitusta tunnistamaan maaperätyypit, joita kutsutaan maaperän tilauksiksi. Ksoksisolit tai lateriittimaat ovat ravinteiden puutteellisia maaperöitä, joita esiintyy trooppisilla alueilla. Vaikka ksosolit soveltuvat huonosti viljelykasvien viljelyyn, niissä asuu suurin osa maailman kaivettavasta alumiinimalmista (bauksiitti). Ardisoli muodostuu kuivassa ilmastossa ja voi kehittää kovettunutta kalsiittikerrosta, jota kutsutaan calicheksi. Andisolit ovat peräisin tulivuoren tuhkatalletuksista. Alfisolit sisältävät silikaattisavimineraaleja. Nämä kaksi maaperätilausta tuottavat maataloutta korkean mineraaliravinteiden vuoksi. Yleensä väri voi olla tärkeä tekijä maaperän olosuhteiden ymmärtämisessä. Mustalla maaperällä on taipumus olla hapoton, punainen happirikas ja vihreä happipitoinen (ts. Vähentynyt). Tämä pätee myös moniin sedimenttikiviin.

Maaperä ei ole vain välttämätön luonnossa elävälle maanpäälliselle elämälle, vaan myös ihmissivilisaatio maatalouden kautta. Huolimaton tai tietämätön ihmisen toiminta voi vahingoittaa vakavasti maaperän elämää ylläpitäviä ominaisuuksia. Hyvä esimerkki on 1930-luvun kuuluisa Dust Bowl -katastrofi, joka vaikutti Yhdysvaltojen keskilänteen. Vahinko johtui laaja-alaisista yrityksistä kehittää preeria-alue Etelä-Kansasissa, Coloradossa, Länsi-Texasissa ja Oklahomassa viljelysmaaksi [7]. Huono ymmärrys alueen geologiasta, ekologiasta ja ilmastosta johti viljelykäytäntöihin, jotka pilasivat maaperän profiilin.

Preeriamaat ja kotoperäiset kasvit ovat hyvin sopeutuneet suhteellisen kuivaan ilmastoon. Hallituksen kannustuksella uudisasukkaat muuttivat kotiseudulle. He kyntivät valtavia preerian alueita pitkiksi, suoriksi riveiksi ja istuttivat viljaa. Kyntö rikkoi vakaan maaprofiilin ja tuhosi luonnolliset ruohot ja kasvit, joilla oli pitkät juuret, jotka ankkuroivat maaperän kerrokset. Heidän istuttamillaan viljoilla oli matalampi juuristo, ja ne kynnettiin joka vuosi, mikä teki maaperästä altis eroosiolle. Kynnetyt vakot kohdistettiin alamäkeen suuntautuviin suoriin riveihin, mikä suosi eroosion ja pintamaan menetystä.

Paikallinen ilmasto ei tuota riittävästi sateita ei-alkuperäisten viljakasvien tukemiseksi, joten maanviljelijät porasivat kaivoja ja pumpasivat vettä maanalaisista pohjavesialueista. Viljakasvit epäonnistuivat veden puutteen takia, jättäen paljaan maan, jonka preerian tuulet irrotti maasta. Keskilännen preeriamaisen maaperän hiukkaset kerääntyivät itärannikolle ja niin pitkälle kuin Eurooppaan. Valtavat pölymyrskyt, joita kutsutaan mustiksi lumimyrskyiksi, tekivät elämästä sietämätöntä, ja aikoinaan toiveikkaat kotitaloudet lähtivät joukkoina. John Steinbeckin kuuluisan romaanin ja John Fordin elokuvan puitteet, Vihan hedelmät, on Oklahoma tänä aikana. Viipyvä kysymys on, onko olemme oppineet pölykulhon opetukset välttääksesi sen luomisen uudelleen [8].

Viitteet

2. Klappa, C. F. Rhizolithit maanpäällisissä karbonaateissa: luokittelu, tunnistaminen, synty ja merkitys. Sedimentologia 27, 613–629 (1980).

3. Willey, J. D. et ai. Myrskytyypin vaikutus sadeveden koostumukseen Kaakkois-Pohjois-Carolinassa. Ympäristö Sci. Technol. 22, 41–46 (1988).

4. Goldich, S. S. Tutkimus kallion säästä. J. Geol. 46, 17–58 (1938).

5. Jenny, H. Maaperän muodostumisen tekijät: kvantitatiivisen pedologian järjestelmä. (Courier Corporation, 1994).

6. Gerlach, A. C. Maaperäprofiilit. Geog. 48, 344–349 (1949).

7. Worster, D. Pölykulho: eteläiset tasangot 1930-luvulla. (Oxford University Press, 2004).

8. Eckholm, E. Menetys. Ympäristö: Tiede ja kestävän kehityksen politiikka 18, 6–11 (1976).


Katso video: Meteorización y Erosión Español