Meteorización: tipos y procesos

La meteorización es la descomposición de las rocas por desintegración mecánica y descomposición química. Muchas se forman a altas temperaturas y presiones en lo profundo de la corteza terrestre; al exponerse a temperaturas y presiones más bajas en la superficie y encontrarse con aire, agua y organismos, se descomponen y se fracturan.

Los seres vivos también tienen un papel influyente en la meteorización, puesto que afectan las rocas y minerales a través de varios procesos biofísicos y bioquímicos, la mayoría de los cuales no se conocen en detalle.

Canica del diablo (Devil’s Marbles), una roca agrietada por la intemperie, Australia. Fuente: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:Cracked_boulder_DMCR.jpg

Básicamente existen tres tipos principales a través de los cuales tiene lugar la meteorización; esta puede ser física, química o biológica. Cada una de estas variantes tiene características específicas que afectan a las rocas de distinta manera; incluso, en algunos casos puede haber una combinación de varios fenómenos.

Meteorización física o mecánica

Los procesos mecánicos reducen las rocas en fragmentos progresivamente más pequeños, lo que a su vez aumenta la superficie expuesta al ataque químico. Los principales procesos de meteorización mecánica son los siguientes:

– La descarga.

– La acción de las heladas.

– El estrés térmico causado por el calentamiento y el enfriamiento.

– La expansión.

– El encogimiento debido a la humectación con posterior secado.

– Las presiones ejercidas por el crecimiento de cristales de sal.

Un factor importante en la meteorización mecánica es la fatiga o generación repetida de estrés, que disminuye la tolerancia al daño. El resultado de la fatiga es que la roca se fracturará a un nivel de estrés más bajo que un espécimen no fatigado.

Descarga

Cuando la erosión elimina el material de la superficie, disminuye la presión de confinamiento sobre las rocas subyacentes. La presión más baja permite que los granos minerales se separen más y se creen vacíos; la roca se expande o se dilata y puede fracturarse.

Por ejemplo, en las minas de granito u otras rocas densas, la liberación de presión por efecto de los cortes para la extracción puede ser violenta e incluso causar explosiones.

Cúpula de exfoliación en el Parque Nacional Yosemite, EEUU. Fuente: Diliff [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) or GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html)], from Wikimedia Commons

Fractura por congelamiento o gelifracción

El agua que ocupa los poros dentro de una roca se expande en un 9 % al congelarse. Esta expansión genera una presión interna que puede causar la desintegración física o fractura de la roca.

La gelifracción es un proceso importante en los ambientes fríos, en donde ocurren ciclos de congelación y descongelación constantemente.

Meteorización física de un “mojón” de concreto. Fuente: LepoRello. [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) or GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html)], from Wikimedia Commons

Ciclos de calentamiento-enfriamiento (termoclastia)

Las rocas tienen una baja conductividad térmica, lo que significa que no son buenas para conducir el calor lejos de sus superficies. Cuando las rocas se calientan, la superficie externa aumenta su temperatura mucho más que la parte interna de la roca. Por esto, la parte externa sufre mayor dilatación que la interna.

Adicionalmente, las rocas compuestas por cristales diferentes presentan un calentamiento diferencial: los cristales de coloración más oscura se calientan más rápidamente y se enfrían más lentamente que los cristales más claros.

Fatiga

Estas tensiones térmicas pueden causar la desintegración de la roca y la formación de escamas, conchas y láminas enormes. El calentamiento y el enfriamiento repetidos producen un efecto llamado fatiga que promueve la meteorización térmica, también llamada termoclastia.

De forma general, la fatiga puede definirse como el efecto de varios procesos que disminuyen la tolerancia de un material al daño.

Escamas de roca

La exfoliación o producción de láminas por estrés térmico incluye también la generación de escamas de roca. Así mismo, el calor intenso generado por los incendios forestales y por las explosiones nucleares puede causar que la roca se deshaga y, finalmente, se rompa.

Por ejemplo, en la India y en Egipto el fuego fue utilizado durante muchos años como una herramienta de extracción en canteras. Sin embargo, las fluctuaciones diarias de la temperatura, encontradas incluso en los desiertos, están muy por debajo de los extremos alcanzados por los incendios locales.

Humectación y secado

Los materiales que contienen arcillas —como la piedra de barro y el esquisto— se expanden considerablemente al humedecerse, lo cual puede inducir la formación de microfallas o microfracturas (microcracks en inglés), o la ampliación de las grietas existentes.

Además del efecto de la fatiga, los ciclos de expansión y encogimiento —asociados con el humedecimiento y el secado— conducen a la meteorización de la roca.

Meteorización por crecimiento de cristales de sal o haloclastia

En las regiones costeras y áridas pueden crecer cristales de sal en las soluciones salinas que se concentran por evaporación del agua.

La cristalización de la sal en los intersticios o poros de las rocas produce tensiones que las ensanchan, y esto conduce a la desintegración granular de la roca. Este proceso se conoce como meteorización salina o haloclastia.

Cuando los cristales de sal formados dentro de los poros de la roca se calientan o se saturan con agua, se expanden y ejercen presión contra las paredes de poros cercanos; esto produce estrés térmico o estrés de hidratación (respectivamente), los cuales contribuyen a la meteorización de la roca.

Meteorización química

Este tipo de meteorización implica una gran variedad de reacciones químicas, que actúan en conjunto sobre muchos tipos diferentes de roca en toda la gama de condiciones climáticas.

Esta gran variedad se puede agrupar en seis tipos de reacciones químicas principales (todas involucradas en la descomposición de la roca), a saber:

– La disolución.

– La hidratación.

– La oxidación y reducción.

– La carbonatación.

– La hidrólisis.

Disolución

Las sales minerales se pueden disolver en agua. Este proceso involucra la disociación de las moléculas en sus aniones y cationes, y la hidratación de cada ion; es decir, los iones se rodean de moléculas de agua.

Generalmente la disolución se considera un proceso químico, aunque no involucra transformaciones químicas propiamente dichas. Como la disolución se produce como paso inicial para otros procesos químicos de meteorización, se incluye en esta categoría.

La disolución se revierte fácilmente: cuando la solución se sobresatura, parte del material disuelto precipita como sólido. Una solución saturada no tiene capacidad de disolver más sólido.

Los minerales varían en su solubilidad y entre los más solubles en agua se encuentran los cloruros de los metales alcalinos, como la sal de roca o halita (NaCl) y sal de potasa (KCl). Estos minerales se encuentran solo en climas muy áridos.

El yeso (CaSO4.2H2O) también es bastante soluble, mientras que el cuarzo tiene una solubilidad muy baja.

La solubilidad de muchos minerales depende de la concentración de iones de hidrógeno (H+) libres en el agua. Los iones H+ se miden como el valor de pH, el cual indica el grado de acidez o de alcalinidad de una solución acuosa.

Hidratación

La meteorización por hidratación es un proceso que ocurre cuando los minerales adsorben moléculas de agua en su superficie o la absorben, incluyéndolas dentro de sus redes cristalinas. Esta agua adicional genera un aumento de volumen que puede producir la fractura de la roca.

En climas húmedos de latitudes medias los colores del suelo presentan notorias variaciones: puede observarse desde el color parduzco hasta el amarillento. Estas coloraciones son causadas por la hidratación de la hematita de óxido de hierro rojizo, que pasa a goethita (oxihidróxido de hierro) de color óxido.

La captación de agua por las partículas de arcilla también es una forma de hidratación que conduce a la expansión de la misma. Luego, al irse secando la arcilla, se resquebraja la corteza.

Oxidación y reducción

La oxidación ocurre cuando un átomo o un ion pierden electrones, aumentando su carga positiva o disminuyendo su carga negativa.

Una de las reacciones de oxidación existente implica la combinación de oxígeno con una sustancia. El oxígeno disuelto en el agua es un agente oxidante frecuente en el medio ambiente.

El desgaste por oxidación afecta principalmente a los minerales que contienen hierro, aunque elementos como el manganeso, el azufre y el titanio también pueden oxidarse.

La reacción para el hierro —que ocurre cuando el oxígeno disuelto en el agua entra en contacto con minerales que contienen hierro— es la siguiente:

4Fe2+ +  3O2 → 2Fe2O3 + 2e

En esta expresión e representa los electrones.

El hierro ferroso (Fe2+) que se encuentra en la mayoría de los minerales formadores de roca se puede convertir en su forma férrica (Fe3+) alterando la carga neutra de la red cristalina. Este cambio a veces provoca su colapso y hace que el mineral sea más propenso al ataque químico.

Carbonatación

La carbonatación es la formación de carbonatos, que son las sales del ácido carbónico (H2CO3). El dióxido de carbono se disuelve en las aguas naturales para formar ácido carbónico:

CO+ H2O  → H2CO3

Posteriormente, el ácido carbónico se disocia en un ion hidrógeno hidratado (H3O+) y un ion bicarbonato, siguiendo la siguiente reacción:

H2CO3 + H2O  → HCO3  +  H3O+

El ácido carbónico ataca los minerales formando carbonatos. La carbonatación domina la meteorización de las rocas calcáreas (que son las calizas y dolomitas); en estas el mineral principal es la calcita o carbonato de calcio (CaCO3).

La calcita reacciona con el ácido carbónico para formar carbonato ácido de calcio, Ca(HCO3)2 que, a diferencia de la calcita, se disuelve fácilmente en agua. Es por esto que algunas calizas son tan propensas a la disolución.

Las reacciones reversibles entre el dióxido de carbono, el agua y el carbonato de calcio son complejas. En esencia, el proceso puede ser resumido de la siguiente forma:

CaCO3 + H2O + CO2⇔Ca2+ + 2HCO3

Hidrólisis

En general, la hidrólisis —la ruptura química por acción del agua— es el proceso principal de la meteorización química. El agua puede descomponer, disolver o modificar los minerales primarios susceptibles de las rocas.

En este proceso el agua disociada en cationes de hidrógeno (H+) y aniones hidroxilo (OH) reacciona directamente con los minerales de silicato en las rocas y en los suelos.

El ion hidrógeno se intercambia con un catión metálico de los minerales de silicato, comúnmente potasio (K+), sodio (Na+), calcio (Ca2 +) o magnesio (Mg2 +). Entonces, el catión liberado se combina con el anión hidroxilo.

Por ejemplo, la reacción para la hidrólisis del mineral llamado ortoclasa, que tiene la fórmula química KAlSi3O8, es la siguiente:

2KAlSi3O8 + 2H+ + 2OH → 2HAlSi3O8 + 2KOH

Así que la ortoclasa se convierte en ácido aluminosilícico, HAlSi3O8 e hidróxido de potasio (KOH).

Este tipo de reacciones tiene un papel fundamental en la formación de algunos relieves característicos; por ejemplo, están involucradas en la formación del relieve kárstico.

Meteorización biológica

Algunos organismos vivos atacan las rocas mecánicamente, químicamente o por una combinación de procesos mecánicos y químicos.

Plantas

Las raíces de las plantas —especialmente las de árboles que crecen en lechos rocosos planos— pueden ejercer un efecto biomecánico.

Este efecto biomecánico sucede al crecer la raíz, pues aumenta la presión ejercida por esta en su medio circundante. Esto puede conducir a la fractura de las rocas del lecho de las raíces.

Meterorización biológica. Tetrameles nudiflora creciendo sobre ruina de un templo en Angkor, Camboya. Fuente: Diego Delso, delso.photo, Licencia CC-BY-SA vía https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:Ta_Phrom,_Angkor,_Camboya,_2013-08-16,_DD_41.JPG

Líquenes

Los líquenes son organismos constituidos por dos simbiontes: un hongo (micobionte) y un alga que generalmente es cianobacteria (ficobionte). Estos organismos se han reportado como colonizadores que aumentan la meteorización de rocas.

Por ejemplo, se ha encontrado que el Stereocaulon vesuvianum se instala sobre flujos de lava, logrando potenciar hasta 16 veces su tasa de meteorización cuando se compara con superficies no colonizadas. Estas tasas pueden llegar a duplicarse en lugares húmedos, como sucede en Hawai.

También se ha notado que, al morir los líquenes, dejan una mancha oscura en las superficies de la roca. Estas manchas absorben más radiación que las áreas claras circundantes de la roca, promoviendo así la meteorización térmica o termoclastia.

Mytilus edulis un mejillón perforador de rocas. Fuente: Andreas Trepte [CC BY-SA 2.5 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5)], from Wikimedia Commons

Organismos marinos

Ciertos organismos marinos raspan la superficie de las rocas y las perforan, promoviendo el crecimiento de algas. Estos organismos perforadores incluyen a moluscos y esponjas.

Ejemplos de este tipo de organismos son el mejillón azul (Mytilus edulis) y el gasterópodo herbívoro Cittarium pica.

El liquen Stereocaulon vesuvianum un colonizador que se instala en los flujos de lava, Islas Canarias Fuerteventura y Lanzarote de España. Fuente: Lairich Rig vía https://commons.wikimedia.org/wiki/File:A_lichen_-_Stereocaulon_vesuvianum_-_geograph.org.uk_-_1103503.jpg

Quelación

La quelación es otro mecanismo de meteorización que implica la eliminación de los iones metálicos y, en particular, de los iones de aluminio, hierro y manganeso de las rocas.

Esto lo consigue mediante la unión y el secuestro por ácidos orgánicos (como el ácido fúlvico y el ácido húmico), para formar complejos solubles de materia orgánica-metal.

En este caso, los agentes quelantes provienen de los productos de descomposición de las plantas y de secreciones de las raíces. La quelación fomenta la meteorización química y la transferencia de metales en el suelo o en la roca.

Referencias

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  2. Selby, M. J. (1993). Hillslope Materials and Processes, 2nd edn. With a contribution by A. P. W. Hodder. Oxford: Oxford University Press.
  3. Stretch, R. & Viles, H.  (2002). The nature and rate of weathering by lichens on lava flows on Lanzarote. Geomorphology, 47(1), 87–94. doi:10.1016/s0169-555x(02)00143-5.
  4. Thomas, M. F. (1994). Geomorphology in the Tropics: A Study of Weathering and Denudation in Low Latitudes. Chichester: John Wiley & Sons.
  5. White, W. D., Jefferson, G. L., and Hama, J. F. (1966) Quartzite karst in southeastern Venezuela. International Journal of Speleology 2, 309–14.
  6. Yatsu, E. (1988). The Nature of Weathering: An Introduction. Tokyo: Sozosha.
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Biólogo egresada de la Universidad de Los Andes.

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