Geografia fisica - degradazione meteorica ed erosione

Degradazione meteorica ed erosione

Per quanto indistruttibili possano apparire, anche le rocce più dure finiscono per diventare fragili e per frantumarsi quando rimangono esposte all'acqua e ai gas atmosferici. La degradazione meteorica è il complesso di processi attraverso i quali le rocce vengono demolite dagli agenti atmosferici. Questi processi producono tutte le argille del mondo, tutti i suoli, e le sostanze disciolte che i corsi d’acqua portano fino al mare. In genere si distinguono:

• Processi di degradazione chimica, che consistono nell'alterazione o nella dissoluzione dei minerali presenti in una roccia. L’evanescenza o la scomparsa delle scritte su una vecchia lapide o su un monumento sono prodotte prevalentemente da processi di natura chimica.
• Processi di degradazione fisica, che provocano la frammentazione meccanica delle rocce ma non fanno mutare la loro composizione chimica.

In realtà, questi due gruppi di processi si svolgono congiuntamente, influenzandosi e rafforzandosi a vicenda.

La degradazione meteorica, l’erosione e il ciclo delle rocce

I sistemi montuosi vengono demoliti dagli agenti esogeni, che operano mediante i processi di degradazione meteorica e di erosione. Con il termine erosione si indica l’insieme dei processi mediante i quali gli agenti esogeni – quali le correnti, i ghiacciai, il vento e il mare – producono nuovi frammenti rocciosi e prendono in carico i detriti di roccia già degradata per trasportarli e deporli in luoghi diversi. Quando i processi erosivi asportano il materiale solido degradato, espongono alla degradazione meteorica una nuova roccia inalterata.

Operando insieme alla tettonica e al vulcanismo, la degradazione meteorica e l’erosione cambiano le forme del rilievo terrestre, modificano la composizione dei materiali rocciosi e trasformano le rocce in materiali detritici, dai quali si sviluppano i suoli. In vari casi la degradazione meteorica e l’erosione sono processi geomorfologici inscindibili. Se una roccia evaporitica si degrada, i suoi minerali si sciolgono nell’acqua piovana e non resta un residuo solido; tutto il materiale viene disciolto e asportato sotto forma di ioni in soluzione: questo è un caso in cui degradazione meteorica ed erosione avvengono come processi congiunti.

Perché alcune rocce si degradano più velocemente di altre?

Tutte le rocce si degradano, ma non tutte nello stesso modo o con la stessa velocità. I fattori che controllano la disgregazione e l’alterazione delle rocce sono quattro: le proprietà della roccia, il clima, la presenza o l’assenza di suolo e di vegetazione e la durata dell’esposizione agli agenti atmosferici.

Proprietà della roccia madre

La natura della roccia madre condiziona la degradazione meteorica perché:

• I diversi minerali costituenti le rocce si degradano con velocità differente.
• La struttura della roccia influenza la predisposizione alla rottura e alla frammentazione.

Le vecchie iscrizioni sulle pietre tombali offrono una chiara testimonianza della diversa velocità con cui le rocce si degradano chimicamente. Le lettere incise su una lapide eretta di recente spiccano nettamente sulla superficie levigata della pietra. Dopo un centinaio di anni, in un clima moderatamente piovoso, una stele di calcare appare opaca e i profili delle lettere si arrotondano e diventano confusi. Una lapide di granito, invece, subisce modificazioni assai minori. Le differenze nell’entità della disgregazione cui sono sottoposte le due rocce dipende dalla loro diversa composizione mineralogica.

Anche una roccia resistente come il granito, però, dopo un intervallo di tempo abbastanza lungo finisce per essere degradata. Se osserviamo con una lente di ingrandimento il granito degradato dagli agenti atmosferici, vediamo che i suoi granuli minerali non sono tutti alterati nella stessa misura. I feldspati presentano segni di corrosione e la loro superficie è coperta da una sottile pellicola di argilla tenera: le parti più esterne dei granuli hanno subito una modificazione nella composizione chimica e si sono trasformate in un nuovo minerale. I cristalli di quarzo, invece, sono immodificati e inalterati.

La struttura di una roccia influenza anche la disgregazione fisica. I monumenti di granito possono rimanere interi e non fessurati anche per secoli, nonostante presentino segni di una certa alterazione chimica. Le rocce ignee intrusive, possono essere massive, cioè presentarsi come ammassi rocciosi che non mostrano variazioni nella loro composizione e nella loro struttura. Le rocce massive non hanno piani di debolezza che possano contribuire alla rottura e alla frammentazione; per contro, le argille, rocce sedimentarie che si sfaldano facilmente in sottili livelli, si disgregano in minuti frammenti così velocemente che soltanto alcuni anni dopo il loro taglio artificiale si riducono in una massa di detriti.

Il clima: precipitazioni e temperatura

Un esame delle lapidi da un estremo all’altro di un continente rivela che la velocità con cui procedono sia l’alterazione chimica che la disgregazione meccanica varia non soltanto in funzione del tipo di roccia ma anche del clima, ossia dalla quantità di precipitazioni e dei valori della temperatura. Temperature elevate e precipitazioni abbondanti favoriscono la crescita degli organismi e quindi anche i processi chimici di degradazione; al contrario, condizioni di aridità e temperature basse inibiscono questi processi.

Le antiche lapidi delle regioni con climi caldi e umidi presentano una profonda alterazione chimica, mentre quelle coeve delle regioni calde e aride sono pressoché intatte; le lapidi poste nelle regioni antartiche, fredde e aride, sono ancora meno alterate chimicamente di quelle delle regioni calde e aride. Nei climi freddi l’acqua, spesso alla stato solido, non riesce a disciogliere i minerali; nelle regioni aride l’acqua è disponibile in quantità assai modeste. In entrambi i casi gli organismi viventi sono molto pochi e l’alterazione chimica procede lentamente.

D’altra parte, le condizioni climatiche che inibiscono l’alterazione chimica possono accelerare la disgregazione meccanica. Ad esempio, l’acqua allo stato solido può agire come un cuneo, ampliando le eventuali fratture e producendo la frammentazione delle rocce.

La presenza o l’assenza di suolo

Il suolo, una delle risorse più preziose per l’uomo, è composto da frammenti rocciosi e da sostanza organica derivante dagli organismi che vivono nel suolo. Sebbene il suolo sia esso stesso un prodotto della degradazione meteorica, la sua presenza influenza l’alterazione chimica e la disgregazione meccanica di altri materiali. Un minerale presente nel suolo di un fondovalle può essere fortemente alterato, mentre lo stesso minerale esposto in una vicina scarpata rocciosa sarà molto meno aggredito dalla degradazione chimica.

Anche se la roccia nuda su una scarpata è esposta a piogge occasionali, per la maggior parte del tempo essa resta asciutta e la degradazione procede molto lentamente; sulla parete rocciosa non si forma suolo poiché le particelle vengono rapidamente asportate e trasportate dalle acque di pioggia verso valle, dove vanno ad accumularsi.

La formazione del suolo è un “processo a retroazione positiva” (feedback positivo): il prodotto di tale processo agisce in modo da favorire lo sviluppo del processo stesso. Una volta che il suolo ha cominciato a formarsi, esso funziona come un agente geologico che accelera la degradazione della roccia madre e quindi determina la formazione di nuovo suolo.

Il suolo trattiene l’acqua e ospita una varietà di organismi vegetali, di batteri e di altri esseri viventi. Queste forme di vita rendono l’ambiente acido; e ciò, in combinazione con la presenza di umidità, accelera i processi di alterazione chimica dei minerali. Le radici delle piante e gli organismi escavatori, contribuendo alla fessurazione delle rocce, favoriscono la disgregazione fisica. La degradazione meteorica, a sua volta, conduce alla produzione di nuovo suolo.

Il fattore tempo

Più lungo è il tempo disponibile per la disgregazione meteorica, maggiori sono l'alterazione (o dissoluzione) e la disgregazione delle rocce. Le masse rocciose esposte in superficie da molte migliaia di anni presentano spesse croste di materiale degradato che rivestono la roccia inalterata. Nei climi aridi alcune di queste croste si sono accresciute al ritmo di 0.006 mm in 1000 anni.

Le lave e i depositi di ceneri appena emesse dai vulcani non mostrano segni di degradazione. Poiché si conoscono le date delle eruzioni precedenti, come quelle del Mount Saint Helens del 1980, si possono misurare gli intervalli di tempo necessari affinché si producano vari gradi di degradazione meteorica. Negli anni che sono trascorsi da quella eruzione, le ceneri hanno subito una notevole alterazione e si sono trasformate in altri minerali, mentre nello stesso intervallo di tempo le masse di lava solidificata sono rimaste quasi immodificate. La differenza è dovuta principalmente al fatto che le ceneri sono formate da particelle piccolissime che si degradano più velocemente delle rocce vulcaniche massive.

La degradazione chimica

Le rocce si degradano chimicamente quando i minerali che le costituiscono reagiscono con l’aria e con l’acqua. Con queste reazioni chimiche alcuni minerali si disciolgono, mentre altri si combinano con l’acqua e con i costituenti dell’atmosfera, come l’ossigeno e l’anidride carbonica, per formare nuovi composti chimici: i minerali originati dalla degradazione meteorica.

Il ruolo dell’acqua nella degradazione chimica: i feldispati e gli altri silicati

I feldispati sono i minerali essenziali di numerose rocce ignee, sedimentarie e metamorfiche. L’alterazione chimica dei feldispati porta, come per la maggior parte dei silicati, alla formazione di minerali in grado di ritenere l’acqua nella struttura cristallina, noti come minerali delle argille. Dunque, il comportamento dei feldispati durante la degradazione dà un notevole contributo alla comprensione del processo di degradazione in generale, essenziale per due motivi:

• Nella Terra c’è un'enorme abbondanza di minerali silicati;
• Gli stessi processi di alterazione e dissoluzione che caratterizzano la degradazione dei feldispati riguardano anche altri tipi di minerali.

Un esempio più spinto di degradazione dei feldispati è quello dei massi di granito nei suoli delle regioni tropicali umide, dove tutti i fattori che promuovono l’alterazione raggiungono i massimi valori. Questi massi sono così fragili che un calcio o un colpo di martello li riduce facilmente in un mucchietto di granuli minerali sciolti. La maggior parte delle particelle di feldispati presente in questi massi, infatti, è stata trasformata in argilla. I granuli residui feldispati, osservati al microscopio elettronico a forte ingrandimento, appaiono corrosi e rivestiti da una pellicola di argilla, a differenza dei cristalli di quarzo, che risultano trasparenti e inalterati.

In un campione di granito inalterato il materiale roccioso è duro e ben solido poiché il reticolo interconnesso di quarzo, di feldispato e di altri cristalli lo tiene unito con intense forze di coesione. Quando invece i feldispati sono alterati, fino ad essere trasformati in argilla incoerente, il reticolo è debole e i granuli minerali si separano. In questo caso l’alterazione chimica, producendo argilla, favorisce anche la disgregazione fisica, poiché ora la roccia si rompe facilmente lungo le fessure ai margini dei minerali. Il minerale argilloso, di colore bianco crema, prodotto dall’alterazione chimica dei feldispati è la caolinite, un silicato d’alluminio idrato che deve il suo nome alla collina di Kao-ling, nella Cina sudoccidentale, dove questa argilla è stata estratta per la prima volta. Soltanto nei climi estremamente aridi di alcuni deserti e di alcune regioni polari i feldispati si mantengono relativamente inalterati.

Durante tale reazione, detta idrolisi, i feldispati vengono rotti e perdono diversi componenti chimici. Il processo si può spiegare mediante l’analogia con la reazione chimica che si svolge quando si prepara il caffè. Il caffè solido reagisce chimicamente con l’acqua calda per formare in soluzione: il caffè liquido. La reazione estrae dai chicchi di caffè macinati la caffeina e altri componenti, lasciando come residuo i fondi di caffè. Similmente, le acque di precipitazione penetrano nel terreno e alterano il feldspato delle particelle rocciose, lasciando come residuo la caolinite.

Poiché l’unica parte di un solido che è disponibile per la reazione con un fluido è la superficie, più si aumenta l’estensione della superficie, più si accelera la reazione. Ad esempio, quando si macinano più finemente i chicchi di caffè, si aumenta il rapporto tra la superficie e il volume delle particelle; quindi, più fine è la polvere di caffè, più veloce è la loro reazione con l’acqua e più forte diventa la bevanda. Analogamente, più piccoli sono i frammenti di minerali e le rocce, maggiore è l’estensione della loro superficie. Il rapporto tra l’estensione della superficie e il volume aumenta notevolmente al diminuire delle dimensioni delle particelle.

Dissoluzione dei feldispati in acqua pura

Per conoscere meglio come avviene la degradazione di un feldspato, si può eseguire un esperimento di laboratorio. Si macina un feldspato che è comune nei graniti, l’ortoclasio (KAlSi₃O₈), trasformandolo in una polvere fine per accelerare la sua dissoluzione aumentandone la superficie esposta all’acqua; si immerge poi la polvere in acqua pura e si analizza la soluzione per identificare le sostanze che si sono disciolte. Dopo un certo tempo, si prelevano i campioni della soluzione e si analizzano: vi si trovano piccole quantità di potassio e di silice (SiO₂), disciolte nell’acqua.