การผุกร่อน: ประเภทและกระบวนการ - GEOGRAFÍA - 2025

การผุกร่อนคือการสลายตัวของหินโดยการแตกตัวทางกลและการสลายตัวทางเคมี หลายรูปแบบที่อุณหภูมิสูงและความกดดันที่ลึกลงไปในเปลือกโลก เมื่อสัมผัสกับอุณหภูมิและความกดดันที่ต่ำกว่าที่พื้นผิวและเผชิญกับอากาศน้ำและสิ่งมีชีวิตพวกมันจะสลายตัวและแตกหัก

สิ่งมีชีวิตยังมีบทบาทที่มีอิทธิพลต่อการผุกร่อนเนื่องจากส่งผลกระทบต่อหินและแร่ธาตุผ่านกระบวนการทางชีวฟิสิกส์และชีวเคมีต่างๆซึ่งส่วนใหญ่ไม่ทราบในรายละเอียด

Devil's Marbles หินที่ผุกร่อนจากสภาพอากาศประเทศออสเตรเลีย ที่มา: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:Cracked_boulder_DMCR.jpg

โดยทั่วไปมีสามประเภทหลัก ๆ ที่การผุกร่อนเกิดขึ้น ซึ่งอาจเป็นทางกายภาพเคมีหรือชีวภาพ แต่ละสายพันธุ์เหล่านี้มีลักษณะเฉพาะที่ส่งผลกระทบต่อหินในรูปแบบต่างๆ แม้ในบางกรณีอาจมีปรากฏการณ์หลายอย่างรวมกัน

การผุกร่อนทางกายภาพหรือ

กระบวนการทางกลจะลดหินให้เป็นชิ้นส่วนขนาดเล็กลงเรื่อย ๆ ซึ่งจะเพิ่มพื้นที่ผิวที่สัมผัสกับการโจมตีทางเคมี กระบวนการผุกร่อนเชิงกลหลักมีดังต่อไปนี้:

- การดาวน์โหลด

- การกระทำของน้ำค้างแข็ง

- ความเครียดจากความร้อนที่เกิดจากความร้อนและความเย็น

- การขยายตัว

- การหดตัวเนื่องจากการเปียกและการทำให้แห้งในภายหลัง

- แรงกดดันที่เกิดจากการเติบโตของผลึกเกลือ

ปัจจัยสำคัญในการผุกร่อนทางกลคือความเหนื่อยล้าหรือการสร้างความเครียดซ้ำ ๆ ซึ่งจะช่วยลดความทนทานต่อความเสียหาย ผลของความเหนื่อยล้าคือหินจะแตกหักในระดับความเครียดที่ต่ำกว่าชิ้นงานที่ไม่เหนื่อยล้า

ดาวน์โหลด

เมื่อการกัดเซาะขจัดวัสดุออกจากพื้นผิวความกดดันที่เกาะอยู่บนหินที่อยู่ข้างใต้จะลดลง ความดันที่ต่ำกว่าช่วยให้เม็ดแร่แยกตัวออกไปอีกและสร้างช่องว่าง หินขยายหรือขยายตัวและสามารถแตกหักได้

ตัวอย่างเช่นในหินแกรนิตหรือเหมืองหินที่มีความหนาแน่นสูงอื่น ๆ การปลดปล่อยแรงดันจากการขุดเหมืองอาจมีความรุนแรงและอาจทำให้เกิดการระเบิดได้

Exfoliation Dome ในอุทยานแห่งชาติโยเซมิตีสหรัฐอเมริกา ที่มา: Diliff จาก Wikimedia Commons

ตรึงรอยแตกหรือเจล

น้ำที่อยู่ในรูพรุนภายในหินจะขยายตัว 9% เมื่อถูกแช่แข็ง การขยายตัวนี้ก่อให้เกิดแรงกดดันภายในที่สามารถทำให้เกิดการแตกตัวทางกายภาพหรือการแตกหักของหิน

การเจลเป็นกระบวนการที่สำคัญในสภาพแวดล้อมที่หนาวเย็นซึ่งวงจรการละลายน้ำแข็งจะเกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง

การผุกร่อนทางกายภาพของ "หิน" คอนกรีต ที่มา: LepoRello จาก Wikimedia Commons

รอบการทำความร้อนและความเย็น (เทอร์โมแคลสตี้)

หินมีการนำความร้อนต่ำซึ่งหมายความว่าพวกมันนำความร้อนออกจากพื้นผิวได้ไม่ดี เมื่อหินได้รับความร้อนพื้นผิวด้านนอกจะมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้นมากกว่าส่วนในของหิน ด้วยเหตุนี้ส่วนภายนอกจึงมีการขยายตัวมากกว่าส่วนภายใน

นอกจากนี้หินที่ประกอบด้วยคริสตัลที่แตกต่างกันจะแสดงความร้อนที่แตกต่างกัน: คริสตัลที่มีสีเข้มจะร้อนเร็วขึ้นและเย็นตัวช้ากว่าคริสตัลที่มีน้ำหนักเบา

ความเมื่อยล้า

ความเครียดจากความร้อนเหล่านี้สามารถทำให้เกิดการแตกตัวของหินและการก่อตัวของสะเก็ดเปลือกหอยและแผ่นขนาดใหญ่ การให้ความร้อนและความเย็นซ้ำ ๆ ก่อให้เกิดผลกระทบที่เรียกว่าความเมื่อยล้าซึ่งส่งเสริมการผุกร่อนจากความร้อนหรือที่เรียกว่าเทอร์โมแคลสตี้

โดยทั่วไปความล้าสามารถกำหนดได้ว่าเป็นผลกระทบของกระบวนการต่างๆที่ลดความทนทานต่อความเสียหายของวัสดุ

เกล็ดหิน

การขัดหรือการขัดผิวด้วยความร้อนยังรวมถึงการสร้างเกล็ดหิน ในทำนองเดียวกันความร้อนที่รุนแรงซึ่งเกิดจากไฟป่าและการระเบิดของนิวเคลียร์สามารถทำให้หินแตกออกจากกันและแตกในที่สุด

ตัวอย่างเช่นในอินเดียและอียิปต์ไฟถูกใช้เป็นเครื่องมือสกัดในเหมืองเป็นเวลาหลายปี อย่างไรก็ตามความผันผวนของอุณหภูมิในแต่ละวันซึ่งพบได้ในทะเลทรายยังต่ำกว่าระดับสูงสุดที่เกิดจากไฟไหม้ในพื้นที่

เปียกและแห้ง

วัสดุที่มีส่วนผสมของดินเช่นหินโคลนและหินดินดานจะขยายตัวมากเมื่อเปียกน้ำซึ่งสามารถกระตุ้นการก่อตัวของความผิดพลาดขนาดเล็กหรือไมโครแตกหัก (microcracks) หรือการขยายตัวของรอยแตกที่มีอยู่

นอกเหนือจากผลกระทบของความเหนื่อยล้าการขยายตัวและการหดตัวซึ่งเกี่ยวข้องกับการเปียกและการทำให้แห้งยังนำไปสู่การผุกร่อนของหิน

การผุกร่อนโดยการเติบโตของผลึกเกลือหรือการทำฮาโลเคลสตี้

ในบริเวณชายฝั่งและแห้งแล้งผลึกเกลือสามารถเติบโตได้ในสารละลายน้ำเกลือที่เข้มข้นโดยการระเหยของน้ำ

การตกผลึกของเกลือใน interstices หรือรูพรุนของหินก่อให้เกิดความเครียดที่ทำให้พวกมันกว้างขึ้นและสิ่งนี้นำไปสู่การแตกตัวของหิน กระบวนการนี้เรียกว่าการตากแดดด้วยน้ำเกลือหรือการทำปากกระจับ

เมื่อผลึกเกลือก่อตัวขึ้นภายในรูพรุนของหินได้รับความร้อนหรืออิ่มตัวไปกับน้ำพวกมันจะขยายตัวและออกแรงกดกับผนังรูพรุนในบริเวณใกล้เคียง สิ่งนี้ก่อให้เกิดความเครียดจากความร้อนหรือความเครียดจากความชุ่มชื้น (ตามลำดับ) ซึ่งทั้งสองอย่างนี้มีส่วนทำให้หินผุกร่อน

การผุกร่อนของสารเคมี

การผุกร่อนประเภทนี้เกี่ยวข้องกับปฏิกิริยาทางเคมีที่หลากหลายซึ่งทำหน้าที่ร่วมกันบนหินหลายประเภทในช่วงของสภาพอากาศ

ความหลากหลายที่ยิ่งใหญ่นี้สามารถแบ่งออกเป็นปฏิกิริยาเคมี 6 ประเภทหลัก (ทั้งหมดเกี่ยวข้องกับการสลายตัวของหิน) ได้แก่ :

- การสลายตัว

- ความชุ่มชื้น

- ออกซิเดชั่นและการลด

- คาร์บอเนต

- ไฮโดรไลซิส

การละลาย

เกลือแร่สามารถละลายในน้ำได้ กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับการแยกตัวของโมเลกุลออกเป็นแอนไอออนและไอออนบวกและความชุ่มชื้นของไอออนแต่ละตัว นั่นคือไอออนล้อมรอบตัวเองด้วยโมเลกุลของน้ำ

โดยทั่วไปแล้วการสลายตัวถือเป็นกระบวนการทางเคมีแม้ว่าจะไม่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่แท้จริง เนื่องจากการละลายเกิดขึ้นเป็นขั้นตอนเริ่มต้นสำหรับกระบวนการผุกร่อนทางเคมีอื่น ๆ จึงจัดอยู่ในประเภทนี้

การละลายจะย้อนกลับได้ง่าย: เมื่อสารละลายอิ่มตัวมากขึ้นวัสดุที่ละลายบางส่วนจะตกตะกอนเป็นของแข็ง สารละลายอิ่มตัวไม่มีความสามารถในการละลายของแข็งได้มากขึ้น

แร่ธาตุแตกต่างกันไปตามความสามารถในการละลายและในกลุ่มที่ละลายได้ในน้ำมากที่สุด ได้แก่ คลอไรด์ของโลหะอัลคาไลเช่นเกลือสินเธาว์หรือเฮไลท์ (NaCl) และเกลือโปแตช (KCl) แร่ธาตุเหล่านี้พบได้ในสภาพอากาศที่แห้งแล้งมากเท่านั้น

ยิปซั่ม ( CaSO ₄ .2H ₂ O) ยังละลายน้ำได้ค่อนข้างดีในขณะที่ควอตซ์มีความสามารถในการละลายต่ำมาก

ความสามารถในการละลายของแร่ธาตุหลายชนิดขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของไฮโดรเจนไอออนอิสระ (H ⁺ ) ในน้ำ ไอออน H ⁺วัดเป็นค่า pH ซึ่งบ่งบอกระดับความเป็นกรดหรือด่างของสารละลายในน้ำ

ไฮเดร

การผุกร่อนด้วยน้ำเป็นกระบวนการที่เกิดขึ้นเมื่อแร่ธาตุดูดซับโมเลกุลของน้ำบนพื้นผิวหรือดูดซับรวมทั้งภายในตาข่ายคริสตัลด้วย น้ำที่เพิ่มขึ้นนี้ทำให้ปริมาตรเพิ่มขึ้นซึ่งอาจทำให้หินแตกหักได้

ในสภาพอากาศชื้นของละติจูดกลางสีของดินมีความแตกต่างที่น่าสังเกต: สามารถสังเกตได้จากสีน้ำตาลไปจนถึงสีเหลือง สีเหล่านี้เกิดจากการได้รับน้ำของเฮมาไทต์เหล็กออกไซด์สีแดงซึ่งจะกลายเป็นโกเอไทต์สีออกไซด์ (เหล็กออกซีไฮดรอกไซด์)

การดูดซับน้ำโดยอนุภาคของดินเหนียวก็เป็นรูปแบบหนึ่งของการให้น้ำที่นำไปสู่การขยายตัวเช่นเดียวกัน จากนั้นเมื่อดินแห้งเปลือกโลกก็แตกออก

ออกซิเดชันและการลดลง

ออกซิเดชันเกิดขึ้นเมื่ออะตอมหรือไอออนสูญเสียอิเล็กตรอนเพิ่มประจุบวกหรือลดประจุลบ

หนึ่งในปฏิกิริยาออกซิเดชั่นที่มีอยู่เกี่ยวข้องกับการรวมกันของออกซิเจนกับสาร ออกซิเจนที่ละลายในน้ำเป็นตัวออกซิไดซ์ที่พบบ่อยในสิ่งแวดล้อม

การสึกหรอของออกซิเดทีฟส่วนใหญ่มีผลต่อแร่ธาตุที่มีธาตุเหล็กแม้ว่าธาตุต่างๆเช่นแมงกานีสกำมะถันและไทเทเนียมก็สามารถเกิดสนิมได้เช่นกัน

ปฏิกิริยาของเหล็กซึ่งเกิดขึ้นเมื่อออกซิเจนละลายในน้ำสัมผัสกับแร่ธาตุที่มีธาตุเหล็กมีดังนี้:

4Fe ²⁺ + 3O ₂ → 2Fe ₂ O ₃ + 2e ^-

ในนิพจน์นี้ e ^-แสดงถึงอิเล็กตรอน

เหล็กเฟอ^รัส (Fe ²⁺ ) ที่พบในแร่ที่ก่อตัวเป็นหินส่วนใหญ่สามารถเปลี่ยนเป็นรูปเฟอร์ริก (Fe ³⁺ ) ได้โดยการเปลี่ยนประจุเป็นกลางของโครงตาข่ายคริสตัล การเปลี่ยนแปลงนี้บางครั้งทำให้แร่พังทลายและทำให้แร่มีแนวโน้มที่จะถูกโจมตีทางเคมี

carbonation

คาร์บอเนตคือการก่อตัวของคาร์บอเนตซึ่งเป็นเกลือของกรดคาร์บอนิก (H ₂ CO ₃ ) คาร์บอนไดออกไซด์ละลายในน้ำธรรมชาติเพื่อสร้างกรดคาร์บอนิก:

CO ₂ + H ₂ O → H ₂ CO ₃

ต่อจากนั้นกรดคาร์บอนิกจะแยกตัวเป็นไฮโดรเจนไอออน (H ₃ O ⁺ ) และไอออนไบคาร์บอเนตตามปฏิกิริยาต่อไปนี้:

H ₂ CO ₃ + H ₂ O → HCO ₃ ^- + H ₃ O ⁺

กรดคาร์บอนิกโจมตีแร่ธาตุที่สร้างคาร์บอเนต คาร์บอเนตครอบงำการผุกร่อนของหินปูน (ซึ่ง ได้แก่ หินปูนและโดโลไมต์) ในแร่ธาตุหลักเหล่านี้คือแคลไซต์หรือแคลเซียมคาร์บอเนต (CaCO ₃ )

แคลไซต์ทำปฏิกิริยากับกรดคาร์บอนิกเพื่อสร้างแคลเซียมคาร์บอเนตที่เป็นกรด Ca (HCO ₃ ) ₂ซึ่งแตกต่างจากแคลไซต์ที่ละลายได้ง่ายในน้ำ นี่คือสาเหตุที่หินปูนบางส่วนมีแนวโน้มที่จะสลายตัวมาก

ปฏิกิริยาที่ย้อนกลับได้ระหว่างคาร์บอนไดออกไซด์น้ำและแคลเซียมคาร์บอเนตมีความซับซ้อน โดยสาระสำคัญสามารถสรุปกระบวนการได้ดังนี้

CaCO ₃ + H ₂ O + CO ₂ ⇔Ca ₂ + + 2HCO ₃ ^-

การย่อยสลาย

โดยทั่วไปการย่อยสลายทางเคมีโดยการกระทำของน้ำเป็นกระบวนการหลักของการผุกร่อนทางเคมี น้ำสามารถสลายละลายหรือปรับเปลี่ยนแร่ธาตุหลักที่อ่อนแอในหินได้

ในกระบวนการนี้น้ำที่แยกตัวออกเป็นไฮโดรเจนไอออนบวก (H ⁺ ) และไฮดรอกซิลแอนไอออน (OH ^- ) จะทำปฏิกิริยาโดยตรงกับแร่ธาตุซิลิเกตในหินและดิน

ไฮโดรเจนไอออนจะถูกแลกเปลี่ยนด้วยไอออนบวกโลหะของแร่ซิลิเกตโดยทั่วไปโพแทสเซียม (K ⁺ ) โซเดียม (Na ⁺ ) แคลเซียม (Ca ^{2 +)}หรือแมกนีเซียม (Mg ^{2 +} ) ไอออนบวกที่ปล่อยออกมาจะรวมกับไอออนไฮดรอกซิล

ตัวอย่างเช่นปฏิกิริยาการไฮโดรไลซิสของแร่ที่เรียกว่า orthoclase ซึ่งมีสูตรทางเคมี KAlSi ₃ O ₈มีดังนี้:

2KAlSi ₃ O ₈ + 2H ⁺ + 2OH ^- → 2HAlSi ₃ O ₈ + 2KOH

ดังนั้น orthoclase จะถูกเปลี่ยนเป็นกรด aluminosilicic, HAlSi ₃ O ₈และโพแทสเซียมไฮดรอกไซด์ (KOH)

ปฏิกิริยาประเภทนี้มีบทบาทพื้นฐานในการก่อตัวของรูปนูนลักษณะบางอย่าง ตัวอย่างเช่นพวกเขามีส่วนร่วมในการก่อตัวของ karst relief

การผุกร่อนทางชีวภาพ

สิ่งมีชีวิตบางชนิดโจมตีหินโดยใช้กลไกทางเคมีหรือโดยการผสมผสานระหว่างกระบวนการทางกลและทางเคมี

พืช

รากของพืชโดยเฉพาะอย่างยิ่งของต้นไม้ที่เติบโตบนเตียงหินแบนสามารถก่อให้เกิดผลทางชีวกลศาสตร์ได้

ผลกระทบทางชีวกลศาสตร์นี้เกิดขึ้นเมื่อรากเติบโตขึ้นเมื่อความกดดันที่กระทำต่อสิ่งแวดล้อมโดยรอบเพิ่มขึ้น สิ่งนี้สามารถนำไปสู่การแตกหักของหินเบดราก

อุตุนิยมวิทยาทางชีวภาพ Tetrameles nudiflora สร้างขึ้นบนซากวัดในอังกอร์ประเทศกัมพูชา ที่มา: Diego Delso, delso.photo, CC-BY-SA License ผ่าน https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:Ta_Phrom,_Angkor,_Camboya,_2013-08-16,_DD_41.JPG

ไลเคน

ไลเคนเป็นสิ่งมีชีวิตที่ประกอบด้วยสอง symbionts: เชื้อรา (mycobiont) และสาหร่ายที่โดยทั่วไปคือไซยาโนแบคทีเรีย (phycobiont) สิ่งมีชีวิตเหล่านี้ได้รับรายงานว่าเป็นนักล่าอาณานิคมที่เพิ่มการผุกร่อนของหิน

ตัวอย่างเช่นพบว่ามีการติดตั้ง Stereocaulon vesuvianum บนกระแสลาวาซึ่งช่วยเพิ่มอัตราการผุกร่อนได้ถึง 16 เท่าเมื่อเทียบกับพื้นผิวที่ไม่เป็นอาณานิคม อัตราเหล่านี้อาจเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าในสถานที่ชื้นเช่นในฮาวาย

นอกจากนี้ยังมีการสังเกตว่าเมื่อไลเคนตายพวกมันจะทิ้งคราบสีเข้มไว้บนพื้นผิวหิน จุดเหล่านี้ดูดซับรังสีมากกว่าบริเวณที่มีแสงโดยรอบของหินซึ่งจะช่วยส่งเสริมการผุกร่อนด้วยความร้อนหรือเทอร์โมแคลสตี้

Mytilus edulis หอยแมลงภู่หินน่าเบื่อ ที่มา: Andreas Trepte จาก Wikimedia Commons

สิ่งมีชีวิตในทะเล

สิ่งมีชีวิตในทะเลบางชนิดขูดผิวหินและเจาะรูเพื่อส่งเสริมการเจริญเติบโตของสาหร่าย สิ่งมีชีวิตที่เจาะเหล่านี้ ได้แก่ หอยและฟองน้ำ

ตัวอย่างของสิ่งมีชีวิตประเภทนี้ ได้แก่ หอยแมลงภู่สีน้ำเงิน (Mytilus edulis) และ Cittarium pica ที่กินพืชเป็นอาหาร

ไลเคน Stereocaulon vesuvianum เป็นโคโลไลเซอร์ที่ติดตั้งในกระแสลาวาหมู่เกาะคานารีฟวยร์เตเบนตูราและลันซาโรเตของสเปน ที่มา: Lairich Rig ผ่าน https://commons.wikimedia.org/wiki/File:A_lichen_-_Stereocaulon_vesuvianum_-_geograph.org.uk_-_1103503.jpg

chelation

Chelation เป็นอีกหนึ่งกลไกการผุกร่อนที่เกี่ยวข้องกับการกำจัดไอออนของโลหะและโดยเฉพาะอย่างยิ่งอลูมิเนียมเหล็กและแมงกานีสไอออนจากหิน

สิ่งนี้ทำได้โดยการจับและแยกตัวออกจากกรดอินทรีย์ (เช่นกรดฟุลวิคและกรดฮิวมิก) เพื่อสร้างสารประกอบเชิงซ้อนของโลหะอินทรีย์ที่ละลายน้ำได้

ในกรณีนี้สารคีเลตมาจากผลิตภัณฑ์ย่อยสลายของพืชและสารคัดหลั่งจากราก คีเลชั่นกระตุ้นให้เกิดการผุกร่อนทางเคมีและการถ่ายเทโลหะในดินหรือหิน

อ้างอิง

1. เปโดร, G. (1979). Caractérisationgénérale des processus de l'altération hydrolitique. Science du Sol 2, 93–105
2. เซลบี, MJ (1993). วัสดุและกระบวนการ Hillslope, 2nd edn. ด้วยการสนับสนุนของ APW Hodder Oxford: สำนักพิมพ์มหาวิทยาลัยออกซ์ฟอร์ด
3. ยืด, R. & Viles, H. (2002). ลักษณะและอัตราการผุกร่อนของไลเคนบนลาวาที่ไหลบนเกาะลันซาโรเต ธรณีสัณฐาน, 47 (1), 87–94. ดอย: 10.1016 / s0169-555x (02) 00143-5.
4. โทมัส, MF (1994). ธรณีสัณฐานวิทยาในเขตร้อน: การศึกษาการผุกร่อนและการปฏิเสธในละติจูดต่ำ ชิชิสเตอร์: John Wiley & Sons
5. White, WD, Jefferson, GL และ Hama, JF (1966) Quartzite karst ทางตะวันออกเฉียงใต้ของเวเนซุเอลา International Journal of Speleology 2, 309–14
6. ยัตสึ, E. (1988). ธรรมชาติของการผุกร่อน: บทนำ โตเกียว: โซโซชา