أكثر

7.2: التجوية والتعرية - علوم الأرض

7.2: التجوية والتعرية - علوم الأرض


يشير Bedrock إلى الصخور البلورية الصلبة التي تشكل القشرة الخارجية للأرض. التجوية هي عملية تتحول حجر الأساس إلى جسيمات أصغر ، تسمى الرواسب أو تربة. تشمل التجوية الميكانيكية تمدد الضغط ، وتقييد الصقيع ، وتوت الجذور ، وتمدد الملح. المواد الكيميائية التجوية يشمل حمض الكربونيك والتحلل المائي والذوبان والأكسدة.

التآكل هو عملية ميكانيكية ، عادة ما تكون مدفوعة بالمياه أو الرياح أو الجاذبية أو الجليد ، والتي تنقل الرواسب والتربة من مكان التجوية. الماء السائل هو العامل الرئيسي للتآكل. عمليات الجاذبية والهدر الجماعي (انظر الفصل 10 ، الهدر الجماعي) تنقل الصخور والرواسب إلى مواقع جديدة. تعمل الجاذبية والجليد ، على شكل أنهار جليدية (انظر الفصل 14 ، الأنهار الجليدية) ، على تحريك شظايا صخرية كبيرة وكذلك رواسب دقيقة.

تعتبر مقاومة التآكل مهمة في خلق سمات جيولوجية مميزة. هذا واضح في منحدرات جراند كانيون. المنحدرات مصنوعة من الصخور التي تركت واقفة بعد أن تتآكل المواد الأقل مقاومة وتآكلها. تخلق الصخور ذات المستويات المختلفة من مقاومة التآكل أيضًا ميزات فريدة المظهر تسمى أغطية الرأس في متنزه برايس كانيون الوطني ومنتزه غوبلن فالي ستيت في يوتا.

التجوية الميكانيكية

التجوية الميكانيكية فيزيائيًا يكسر حجر الأساس إلى قطع أصغر. العوامل المعتادة للتجوية الميكانيكية هي الضغط ، ودرجة الحرارة ، ودورة التجميد / إذابة المياه ، والنشاط النباتي أو الحيواني ، وتبخر الملح.

تمدد الضغط

يقع حجر الأساس المدفون في أعماق الأرض تحت ضغط ودرجة حرارة عالية. عندما يجلب الرفع والتآكل صخر الأساس إلى السطح ، تنخفض درجة حرارته ببطء ، بينما ينخفض ​​ضغطه على الفور. يتسبب الانخفاض المفاجئ في الضغط في توسع الصخور وتشققها بسرعة ؛ هذا يسمى توسيع الضغط. الأغطية أو تقشير هو عندما ينكسر سطح الصخر في طبقات. التجوية الكروية هو نوع من التقشير ينتج ميزات مستديرة ويحدث عندما تتحرك التجوية الكيميائية على طول المفاصل في حجر الأساس.

الصقيع التوتيد

الصقيع التوتيد، الذي يُطلق عليه أيضًا اسم وتد الجليد ، يستخدم قوة توسع الجليد لتفتيت الصخور. يشق الماء طريقه إلى الشقوق والفراغات والشقوق المختلفة. عندما يتجمد الماء ، يتمدد بقوة كبيرة ، مستغلًا أي نقاط ضعف. عندما يذوب الجليد ، يتحرك الماء السائل أكثر في الفراغات المتسعة. الدورات المتكررة من التجميد والذوبان تؤدي في النهاية إلى فصل الصخور عن بعضها. يمكن أن تحدث الدورات يوميًا عندما تنتقل تقلبات درجات الحرارة بين النهار والليل من التجمد إلى الذوبان.

الوتد الجذر

مثل الوتد الصقيع ، آسفين الجذر يحدث عندما تعمل جذور النبات على إحداث شقوق ، مما يؤدي إلى فصل الصخور عن بعضها أثناء نموها. في بعض الأحيان قد تصبح هذه الجذور متحجرة. ريزوليث هو مصطلح لهذه الجذور المحفوظة في سجل الصخور [2]. تعد كائنات الأنفاق مثل ديدان الأرض والنمل الأبيض والنمل عوامل بيولوجية تحفز التجوية على غرار الوتد الجذري.

تمدد الملح

يحدث تمدد الملح ، الذي يعمل بشكل مشابه لتكتل الصقيع ، في المناطق ذات التبخر العالي أو البيئات القريبة من البحر. يتسبب التبخر في ترسب الأملاح من المحلول والنمو والتوسع إلى شقوق في الصخر. التمدد الملح هو أحد أسباب تفوني، سلسلة من الثقوب في صخرة. التافوني والشقوق والثقوب هي نقاط ضعف تصبح عرضة لزيادة التجوية. هوبر الكريستال يصف بلورة مربعة الشكل ، عادة ما تكون مصنوعة من الملح ، محفوظة في الصخر.

التجوية الكيميائية

التجوية الكيميائية هي عملية التجوية السائدة في البيئات الدافئة والرطبة. يحدث ذلك عندما يؤدي الماء والأكسجين والمواد المتفاعلة الأخرى إلى تحلل المكونات المعدنية للصخر الأساسي كيميائيًا وتحويلها إلى أيونات قابلة للذوبان في الماء يمكن نقلها بعد ذلك عن طريق الماء. تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى تسريع معدلات التجوية الكيميائية.

تعمل التجوية الكيميائية والميكانيكية جنبًا إلى جنب عبر مفهوم أساسي يسمى نسبة مساحة السطح إلى الحجم. تحدث التجوية الكيميائية فقط على أسطح الصخور لأن الماء والمواد المتفاعلة لا يمكنها اختراق الصخور الصلبة. تخترق التجوية الميكانيكية حجر الأساس ، فتكسر الصخور الكبيرة إلى قطع أصغر وتشكل أسطحًا صخرية جديدة. هذا يعرض مساحة أكبر للعوامل الجوية الكيميائية ، مما يعزز آثارها. بعبارة أخرى ، تنتج النسب الأعلى من مساحة السطح إلى الحجم معدلات أعلى من التجوية الكلية.

حمض الكربونيك والتحلل المائي

حمض الكربونيك2كو3) عندما يذوب ثاني أكسيد الكربون ، خامس أكثر الغازات وفرة في الغلاف الجوي ، في الماء. يحدث هذا بشكل طبيعي في السحب ، وهذا هو السبب في أن التساقط يكون حمضيًا قليلاً. حمض الكربونيك عامل مهم في تفاعلين كيميائيين للتجوية ، التحلل المائي ، والذوبان.

يحدث التحلل المائي عن طريق نوعين من التفاعلات. في تفاعل واحد ، تتأين جزيئات الماء في H مشحونة إيجابياً+ و OH الأيونات واستبدال الكاتيونات المعدنية في الشبكة البلورية. في نوع آخر من التحلل المائي ، تتفاعل جزيئات حمض الكربونيك مباشرة مع المعادن ، خاصة تلك التي تحتوي على السيليكون والألمنيوم (مثل الفلسبار) ، لتكوين جزيئات من معادن الطين.

التحلل المائي هو العملية الرئيسية التي تكسر صخور السيليكات وتنتج معادن طينية. ما يلي هو تفاعل التحلل المائي الذي يحدث عندما يواجه الفلسبار الغني بالسيليكا حمض الكربونيك لإنتاج طين قابل للذوبان في الماء وأيونات أخرى:

الفلسبار + حمض الكربونيك (في الماء) → طين + كاتيونات معدنية (Fe++ملغ++، كاليفورنيا++، نا+، إلخ) + أنيون بيكربونات (HCO3-) + السيليكا (SiO2)

المعادن الطينية عبارة عن سيليكات صفائحية أو سيليكات صفائحية (انظر الفصل 3 ، المعادن) تشبه الميكا ، وهي المكونات الرئيسية للرواسب شديدة الحبيبات. قد تترسب المواد المذابة في وقت لاحق الصخور الرسوبية الكيميائية مثل التبخر والحجر الجيري ، وكذلك السيليكا غير المتبلورة أو العقيدات الصخرية.

تحلل

تحلل هو تفاعل تحلل مائي يذيب المعادن في صخر الأساس ويترك الأيونات في المحلول ، عادة في الماء. بعض المبخرات والكربونات ، مثل الملح والكالسيت ، تكون أكثر عرضة لهذا التفاعل ؛ ومع ذلك ، يمكن إذابة جميع المعادن. الماء غير الحمضي ، الذي يحتوي على درجة حموضة متعادلة 7 ، سوف يذيب أي معدن ، على الرغم من أنه قد يحدث ببطء شديد. الماء الذي يحتوي على نسب عالية من الأحماض ، طبيعي أو من صنع الإنسان ، يذيب الصخور بمعدل أعلى. عادة ما يكون الماء السائل حمضيًا قليلاً بسبب وجود حمض الكربونيك وأيونات H + الحرة. يمكن أن تكون مياه الأمطار الطبيعية شديدة الحموضة ، مع مستويات حموضة منخفضة تصل إلى 2 [3]. يمكن تعزيز الذوبان بواسطة عامل بيولوجي ، كما هو الحال عندما تطلق الكائنات الحية مثل الأشنة والبكتيريا أحماض عضوية على الصخور التي تلتصق بها. تشهد المناطق ذات الرطوبة العالية (الرطوبة المحمولة جواً) وهطول الأمطار مزيدًا من الذوبان بسبب زيادة وقت الاتصال بين الصخور والمياه.

ال سلسلة حل Goldich يوضح أن معدلات التجوية الكيميائية مرتبطة بترتيب التبلور في سلسلة تفاعل بوين (انظر الفصل 4 ، الصخور النارية والعمليات البركانية) [4]. تتبلور المعادن الموجودة في الجزء العلوي من سلسلة Bowen تحت درجات حرارة وضغوط عالية ، والطقس الكيميائي بمعدل أسرع من المعادن المصنفة في الأسفل. الكوارتز ، معدن فلسي يتبلور عند 700 درجة مئوية ، مقاوم جدًا للعوامل الجوية الكيميائية. معادن مافيك عالية نقطة التبلور ، مثل الزبرجد الزيتوني والبيروكسين (1250 درجة مئوية) ، تتأثر بسرعة نسبيًا وبشكل كامل. نادرًا ما يتم العثور على الزبرجد الزيتوني والبيروكسين كمنتجات نهائية للتجوية لأنها تميل إلى التفتت إلى أيونات عنصرية.

يعد الانحلال أيضًا جديرًا بالملاحظة للسمات الجيولوجية الخاصة التي يخلقها. في الأماكن التي تحتوي على طبقة صخرية وفيرة من الكربونات ، يمكن أن ينتج عن التجوية بالذوبان أ التضاريس الكارستية تتميز بحفر مجاري أو كهوف (انظر الفصل 10 ، الهدر الجماعي).

يعد نصب Timpanogos Cave National Monument في شمال ولاية يوتا ميزة معروفة جيدًا للانحلال. يوضح الشكل تكوين كهف ناتج عن الذوبان متبوعًا بالترسيب - تسربت المياه الجوفية المشبعة بالكالسيت إلى الكهف ، حيث تسبب التبخر في ترسب المعادن الذائبة.

أكسدة

أكسدة، التفاعل الكيميائي الذي يسبب الصدأ في الحديد المعدني ، يحدث جيولوجيًا عندما تترابط ذرات الحديد مع الأكسجين. يمكن أن تتأكسد أي معادن تحتوي على الحديد. قد تتخلل أكاسيد الحديد الناتجة صخرًا إذا كان غنيًا بمعادن الحديد. قد تشكل الأكاسيد أيضًا طلاءًا يغطي الصخور وحبوب الرواسب ، أو يبطن تجاويف الصخور والكسور. إذا كانت الأكاسيد أكثر عرضة للعوامل الجوية من حجر الأساس الأصلي ، فقد تخلق فراغات داخل كتلة الصخور أو تجاويف على الأسطح المكشوفة.

يتم إنتاج ثلاثة معادن شائعة عن طريق تفاعلات أكسدة الحديد: أحمر أو رمادي الهيماتيت، بنى الجيوثايت (تُنطق "GUR-tite") والأصفر ليمونيت. تقوم أكاسيد الحديد هذه بتغطية وربط الحبيبات المعدنية معًا في الصخور الرسوبية في عملية تسمى التثبيت ، وغالبًا ما تعطي هذه الصخور لونًا سائدًا. يقومون بتلوين الطبقات الصخرية لهضبة كولورادو ، بالإضافة إلى متنزهات صهيون والأقواس وغراند كانيون الوطنية. يمكن أن تتخلل هذه الأكاسيد صخرًا غنيًا بالمعادن الحاملة للحديد أو يمكن أن يكون طلاءًا يتشكل في التجاويف أو الكسور. عندما تكون المعادن التي تحل محل المعادن الموجودة في صخر الأساس مقاومة للعوامل الجوية ، فقد تحدث تكوينات الحديد في الصخور. عندما يتم استبدال حجر الأساس بأكاسيد أضعف ، عادة ما ينتج عن هذه العملية فراغات وضعف في جميع أنحاء كتلة الصخور وغالبًا ما تترك أجوفًا على أسطح الصخور المكشوفة.

التعرية

التعرية هي عملية ميكانيكية ، يقودها عادة الماء أو الجاذبية (انظر الفصل 10) أو الرياح أو الجليد (انظر الفصل 14) التي تزيل الرواسب من مكان التجوية. الماء السائل هو العامل الرئيسي للتآكل.

التعرية مقاومة مهم في خلق سمات جيولوجية مميزة. هذا واضح في منحدرات جراند كانيون. تخلق الصخور ذات المستويات المختلفة من مقاومة التآكل أيضًا ميزات فريدة المظهر تسمى أغطية الرأس في متنزه برايس كانيون الوطني ومنتزه غوبلن فالي ستيت في يوتا.

تربة

تربة هو مزيج من الهواء والماء والمعادن والمواد العضوية التي تتشكل عند الانتقال بين المحيط الحيوي والغلاف الأرضي. تتكون التربة عندما تكسر التجوية صخرة الأساس وتحولها إلى رواسب. إذا لم يزيل التعرية الرواسب بشكل كبير ، يمكن للكائنات الحية الوصول إلى المحتوى المعدني للرواسب. تقوم هذه الكائنات بتحويل المعادن والماء والغازات الجوية إلى مواد عضوية تساهم في تكوين التربة.

التربة هي خزان مهم للمكونات العضوية الضرورية للنباتات والحيوانات والكائنات الحية الدقيقة للعيش. يسمى المكون العضوي للتربة الدبال، مصدر غني للنيتروجين المتاح حيوياً. النيتروجين هو العنصر الأكثر شيوعًا في الغلاف الجوي ، ولكنه موجود في شكل لا تستطيع معظم أشكال الحياة استخدامه. توفر البكتيريا الخاصة الموجودة في التربة فقط معظم مركبات النيتروجين القابلة للاستخدام والمتوفرة بيولوجيًا عن طريق أشكال الحياة.

تمتص هذه البكتيريا المثبتة للنيتروجين النيتروجين من الجو وتحوله إلى مركبات نيتروجين. تمتص النباتات هذه المركبات وتستخدم لصنع الحمض النووي والأحماض الأمينية والإنزيمات. تحصل الحيوانات على النيتروجين المتاح بيولوجيًا عن طريق تناول النباتات ، وهذا هو مصدر معظم النيتروجين الذي تستخدمه الحياة. هذا النيتروجين مكون أساسي للبروتينات والحمض النووي. تتراوح التربة من الفقيرة إلى الغنية ، اعتمادًا على كمية الدبال التي تحتويها. يتم تحديد إنتاجية التربة من خلال محتوى الماء والمغذيات. تعتبر التربة البركانية التي تم إنشاؤها حديثًا ، والتي تسمى andisols ، والتربة الغنية بالطين والتي تحتوي على العناصر الغذائية والمياه أمثلة على التربة المنتجة.

يتم تحديد طبيعة التربة ، بمعنى خصائصها ، بشكل أساسي من خلال خمسة مكونات:

  1. معادن المادة الأم
  2. الطبوغرافيا
  3. التجوية
  4. مناخ
  5. الكائنات الحية التي تعيش في التربة.

على سبيل المثال ، تميل التربة إلى التآكل بسرعة أكبر على المنحدرات شديدة الانحدار ، لذا قد تكون طبقات التربة في هذه المناطق أرق مما هي عليه في السهول الفيضية ، حيث تميل إلى التراكم. تؤثر كمية وكيمياء المادة العضوية للتربة على مقدار أنواع الحياة التي يمكن أن تحافظ عليها وأنواعها. تعتمد درجة الحرارة وهطول الأمطار ، وهما عاملان رئيسيان في العوامل الجوية ، على المناخ. تساهم الفطريات والبكتيريا في المواد العضوية وقدرة التربة على استدامة الحياة ، وتتفاعل مع جذور النباتات لتبادل النيتروجين والعناصر الغذائية الأخرى [5].

في التربة جيدة التكوين ، هناك ترتيب مميز لطبقات متميزة يسمى آفاق التربة [6]. يمكن رؤية آفاق التربة هذه في قطع الطرق التي تكشف الطبقات الموجودة على حافة القطع. تشكل آفاق التربة ملف التربة. يعكس كل أفق تربة المناخ ، والتضاريس ، وعوامل أخرى لتنمية التربة ، بالإضافة إلى المواد العضوية وتكوين الرواسب المعدنية. يتم تخصيص أسماء وحروف للآفاق. تعتمد الاختلافات في مخططات التسمية على المنطقة أو نوع التربة أو موضوع البحث. يوضح الشكل ملف تعريف تربة مبسطًا يستخدم الأسماء والحروف المعينة بشكل شائع.

يا أفق: الأفق العلوي عبارة عن طبقة رقيقة من المواد العضوية في الغالب ، مثل الأوراق والأغصان وأجزاء النبات الأخرى التي تتحلل بشكل نشط إلى الدبال.

أفق: الطبقة التالية تسمى التربة السطحية، يتكون من دبال ممزوج بالرواسب المعدنية. عندما تتسرب الأمطار من خلال هذه الطبقة ، فإنها تتسرب من المواد الكيميائية القابلة للذوبان. في المناخات الرطبة مع هطول الأمطار الغزيرة ، ينتج عن هذا الترشيح طبقة منفصلة تسمى الأفق E ، منطقة الترشيح أو الطور.

ب الأفق: وتسمى أيضا باطن الأرضتتكون هذه الطبقة من رواسب مختلطة مع الدبال المستخرج من الطبقات العليا. باطن التربة هو المكان الذي يتم فيه التجوية الكيميائية للرواسب المعدنية. تقل كمية المواد العضوية ودرجة التجوية مع العمق. تسمى منطقة باطن الأرض العليا الثرى، عبارة عن مزيج مسامي من الدبال والرواسب شديدة التجوية. في المنطقة السفلية ، سابروليت، يتم خلط المواد العضوية الشحيحة مع الصخور الأم غير المعدلة إلى حد كبير.

ج الأفق: هذه هي الطبقة التحتية وهي منطقة التجوية الميكانيكية. هنا ، شظايا حجر الأساس مكسورة جسديًا ولكن لم يتم تغييرها كيميائيًا. هذه الطبقة لا تحتوي على مواد عضوية.

R الأفق: تتكون الطبقة النهائية من الأب غير المصنوع من الريش حجر الأساس وشظايا.

تستخدم الهيئة الحاكمة للزراعة في الولايات المتحدة ، وزارة الزراعة الأمريكية ، تصنيفًا تصنيفيًا لتحديد أنواع التربة ، والتي تسمى أوامر التربة. Xoxisols أو تربة اللاتريت هي تربة فقيرة بالمغذيات توجد في المناطق الاستوائية. في حين أنها غير مناسبة لزراعة المحاصيل ، فإن الزوسيسول هي موطن لمعظم خام الألمنيوم القابل للتعدين في العالم (البوكسيت). يتشكل Ardisol في المناخات الجافة ويمكن أن يكوّن طبقات من الكالسيت المتصلب ، تسمى caliche. تنشأ Andisols من رواسب الرماد البركاني. يحتوي الفيسول على معادن طينية من السيليكات. تعتبر هاتان الرتبتان من التربة منتجة للزراعة بسبب محتواها العالي من العناصر الغذائية المعدنية. بشكل عام ، يمكن أن يكون اللون عاملاً مهمًا في فهم ظروف التربة. تميل التربة السوداء إلى أن تكون ناقصة الأكسجين وغنية بالأكسجين الأحمر والأخضر فقيرة بالأكسجين (أي مخفضة). وينطبق هذا أيضًا على العديد من الصخور الرسوبية.

التربة ليست فقط ضرورية للحياة الأرضية في الطبيعة ، ولكن أيضًا الحضارة الإنسانية عن طريق الزراعة. يمكن أن يؤدي النشاط البشري غير المبالي أو غير المطلع إلى إلحاق أضرار جسيمة بخصائص التربة الداعمة للحياة. وخير مثال على ذلك كارثة Dust Bowl الشهيرة في الثلاثينيات من القرن الماضي ، والتي أثرت على الغرب الأوسط للولايات المتحدة. حدث الضرر بسبب محاولات واسعة النطاق لتطوير أراضي البراري في جنوب كنساس وكولورادو وغرب تكساس وأوكلاهوما إلى أراضٍ زراعية [7]. أدى الفهم الضعيف لجيولوجيا المنطقة ، وبيئتها ، ومناخها إلى ممارسات زراعية أفسدت شكل التربة.

تتكيف تربة البراري والنباتات المحلية جيدًا مع المناخ الجاف نسبيًا. بتشجيع من الحكومة ، انتقل المستوطنون إلى المنطقة. لقد حرثوا مساحات شاسعة من البراري في صفوف طويلة ومستقيمة وحبوب مزروعة. أدى الحرث إلى كسر المظهر الجانبي المستقر للتربة ودمر الأعشاب والنباتات الطبيعية التي كانت لها جذور طويلة تثبت طبقات التربة. كانت الحبوب التي زرعوها ذات جذور ضحلة وتم حرثها كل عام ، مما جعل التربة عرضة للتآكل. تمت محاذاة الأخاديد المحروثة في صفوف مستقيمة تنحدر إلى أسفل ، مما أدى إلى تآكل وفقدان التربة السطحية.

لا ينتج المناخ المحلي هطولًا كافيًا لدعم محاصيل الحبوب غير المحلية ، لذلك قام المزارعون بحفر الآبار وضخ المياه من طبقات المياه الجوفية. تعطلت محاصيل الحبوب بسبب نقص المياه ، تاركة التربة العارية التي جردتها رياح البراري من الأرض. ترسبت جزيئات تربة البراري في الغرب الأوسط على طول الساحل الشرقي وبعيدًا مثل أوروبا. جعلت العواصف الترابية الضخمة التي تسمى العواصف الثلجية السوداء الحياة لا تطاق ، وغادر أصحاب المنازل الذين كانوا يأملون في السابق بأعداد كبيرة. مسرح رواية جون شتاينبك الشهيرة وفيلم جون فورد ، عناقيد الغضب، هي أوكلاهوما خلال هذا الوقت. والسؤال الذي طال انتظاره هو ما إذا كنا قد تعلمنا دروس وعاء الغبار ، لتجنب إعادة إنشائه مرة أخرى [8].

مراجع

2. كلابا ، سي إف.الجذور الحجرية في الكربونات الأرضية: التصنيف ، التمييز ، التكوين ، الأهمية. علم الرواسب 27, 613–629 (1980).

3. ويلي ، ج. وآخرون. تأثير نوع العاصفة على تكوين مياه الأمطار في جنوب شرق ولاية كارولينا الشمالية. بيئة. علوم. تكنول. 22, 41–46 (1988).

4. Goldich، S. S. A دراسة في التجوية الصخرية. J. جيول. 46, 17–58 (1938).

5. جيني ، هـ. عوامل تكوين التربة: نظام علم التربة الكمي. (شركة كوريير ، 1994).

6. Gerlach ، A. C. أقسام ملف تعريف التربة. جيوج. 48, 344–349 (1949).

7. وورستر ، د. وعاء الغبار: السهول الجنوبية في الثلاثينيات. (مطبعة جامعة أكسفورد ، 2004).

8. إيكهولم ، إي. خسارة الأرض. البيئة: العلم والسياسة من أجل التنمية المستدامة 18, 6–11 (1976).


شاهد الفيديو: مادة العلوم للصف الخامس الابتدائى. التجوية والتعرية