Meteorizacin Weathering

1
Meteorización(Weathering)

• GEOL 4017 Cap. 3
• Prof. Lizzette Rodríguez

2
Introducción

• Meteorizacion es la desintegracion y
  descomposicion de rocas y minerales en la
  superficie de la Tierra como resultado de accion
  fisica y quimica.
• Incluye todos los procesos que destruyen el
  bedrock y lo convierten en fragmentos, iones en
  solucion o coloides.
• Los cambios son mayormente in situ y los
  movimientos de materiales meteorizados son
  locales o confinados al afloramiento.
• La meteorizacion facilita la erosion, debilitando
  la roca y haciendola mas susceptible a procesos
  gravitacionales y remocion por otros agentes de
  erosion.

3
Cont. Introduccion

• Los procesos en o cerca de la superficie
  envuelven los 3 estados de la materia agua
  liquida y sus solutos, minerales y solidos
  organicos, y gases atmosfericos.
• Esta zona refleja las interacciones entre la
  litosfera, atmosfera, hidrosfera y biosfera.
  Rocas creadas bajo tierra son menos estables en
  la superficie, y por lo tanto mas vulnerables a
  la meteorizacion.
• El destino geomorfico de un agregado de minerales
  depende de sus propiedades fisicas y quimicas
  (fuerza, permeabilidad, estructura, reactividad
  quimica), que estan determinados por la
  composicion, tamano, forma, estructura
  intergranular e intragranular.

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Cont. Introduccion

• La razon a la que ocurre la meteorizacion no es
  constante si no que varia de acuerdo a las
  diferencias en intensidad de los procesos en un
  punto dado.
• El tipo de meteorizacion que predomina en la
  superficie tambien varia de un lugar a otro.
• Los procesos de meteorizacion varian en climas
  humedos, aridos, polares y alpinos.

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Tipos de meteorizacion

• Meteorizacion mecanica
• Meteorizacion quimica

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Meteorizacion mecanica

• Desintegracion o rompimiento de roca por procesos
  fisicos, sin cambios en la composicion quimica o
  mineral.
• Ocurre debido a estreses que se originan en la
  roca y por otros aplicados externamente.

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Descompresion (Unloading)

• Las rocas expuestas en la superficie a menudo se
  formaron a grandes profundidades, en ambientes de
  alta P. Estimados de las profundidades de
  erosion llegan hasta 30 km en zonas montanosas.
• La alta P de confinamiento causada por el peso de
  las rocas, comprime las rocas elasticamente a un
  menor volumen, pero sin deformacion permanente,
  porque el confinamiento tambien aumenta la fuerza
  de las rocas. Con el levantamiento ocurre
  expansion, pero en T mas frias a menor
  profundidad, solo una porcion de la expansion
  causada por la liberacion de la presion se
  muestra.
• Cuando la roca es elevada y expuesta por erosion,
  la alta P se reduce, y ocurre expansion rapida
  (descompresion), incluso para producir fracturas
  y hasta estallidos por P (rock-burst).

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Cont. Descompresion

• Formacion de diaclasas (joints) paralelos a la
  superficie en la direccion de menor presion se
  ha visto que la distancia entre fracturas aumenta
  exponencialmente con la profundidad. Estos se
  conocen como diaclasas en capas (sheeting
  joints) o fracturas de exfoliacion, porque no
  son de origen tectonico. Rompen la roca en
  placas como capas o lentes anchos uno encima del
  otro. Lajeamiento.
• Exfoliacion proceso de meteorizacion en el que
  la roca se fisura en capas que son gradualmente
  removidas.
• Domos de exfoliacion ej. Half Dome en Yosemite
  se cree se formaron por exfoliacion concentrica
  de granito.

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(No Transcript)
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(No Transcript)
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Congelacion y deshielo

• H2O se congela y se expande 9 - congelacion del
  H2O en un espacio confinado ejerce gran P hacia
  afuera sobre las paredes del lugar donde se
  encuentra.
• Ej. de agua en un granito la P que ejerce esta
  al congelarse puede alcanzar su resistencia a
  compresion (balance entre la resistencia tensora
  y la resistencia a la compresion)
• Altas P no se alcanzan mucho en la naturaleza,
  porque sistemas perfectamente cerrados son raros
  y vulnerables a destruccion antes de que se
  alcancen las P altas.

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Cont. Congelacion y deshielo

• H2O en la naturaleza se abre camino a traves de
  grietas de las rocas (Fracturacion hidraulica el
  agua en grietas pequenas puede permanecer liquida
  a muy bajas T, en cuyo caso las altas P causan
  que esta entre a microfracturas en las rocas) y,
  tras su congelacion, expande y aumenta el tamano
  de las aberturas. Despues de muchos ciclos de
  congelacion-deshielo, la roca se rompe en
  fragmentos angulares. Este proceso se llama
  rotura por cunas de hielo.
• P de crecimiento de cristales de hielo puede
  superar la causada por expansion de agua
  congelada contra un tapon de hielo (sistema
  cerrado).

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Cont. Congelacion y deshielo

• H2O se congela mas rapido en aberturas grandes y
  permanece liquida en poros pequenos por la P.
  Crecimiento de hielo crea segregaciones en forma
  de lentes que causan el alzamiento del suelo
  suprayacente.
• Crecimiento similar de cristales en rocas
  permeables puede desarrollar grietas entrelazadas
  y causar desintegracion.
• Condiciones optimas para que ocurra acunamiento
  por congelacion H2O, muchos ciclos de
  congelacion-deshielo, congelamiento sostenido a T
  bajo 0C para que crezcan masas de hielo y el
  congelamiento penetre en la tierra.
• Campos de bloques o felsenmeer en latitudes y
  elevaciones altas, donde ocurren a diario ciclos
  de congelacion-deshielo.
• Ejemplo destruccion de carreteras

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(No Transcript)
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Crecimiento de cristales

• Efectos mecanicos de la cristalizacion de
  minerales en la evaporacion del agua en el suelo
  o cerca de la superficie.
• Precipitacion de sulfatos, cloruros y carbonatos
  que contienen iones de K, Na y Mg pueden causar
  el craqueo y laminacion de fragmentos de rocas.

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Cont. Crecimiento de cristales

• Aguas salinas saturadas y supersaturadas dentro
  de rocas permeables la evaporacion del H2O
  cerca de la superficie causa la cristalizacion de
  ej. MgSO4, anhidrita, CaCO3, etc. Esto puede
  causar disagregacion de la superficie de la roca,
  sobre todo en rocas sedimentarias permeables.
• Ciclos de hidratacion/deshidratacion en algunas
  sales tambien causan disagregacion.
• Efectos de los cristales hidratados se pueden ver
  en muchos monumentos de roca. Ej. piramides de
  Egipto

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Expansion y contraccion termal

• Cambios en T extremos son suficientes para causar
  fisuracion y fragmentacion de la roca.
• Las rocas no conducen calor eficientemente, asi
  que una capa externa fina de roca se calienta mas
  que la de abajo, causando fisuracion en capas
  finas y fragmentos pequenos.
• Gradientes de T pueden causar deformacion interna
  entre los cristales en una roca y llevar tambien
  a desintegracion.

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(No Transcript)
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Mojamiento y secamiento

• Proceso responsible por la desintegracion del
  shale (lutita) algunos de sus minerales se
  expanden al mojarse y se encojen al secarse.
• La efectividad de este mecanismo es causada
  mayormente por cambios en volumen producidos por
  el hinchamiento de minerales de arcilla.
• Al mojarse una arcilla, la P del aire en los
  poros de arcilla seca puede aumentar suficiente
  para causar desintegracion.

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Arranque coloidal(Colloidal plucking)

• Pequenos fragmentos son extraidos de las
  superficies de rocas por coloides (ej. arcilla)
  en el suelo que esta en contacto con ellas.
• Los coloides al secarse se contraen y ejercen un
  fuerte esfuerzo tensil (tensile stress) a
  traves de la superficie a que estan adheridos.

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Impacto gravitacional

• La fragmentacion de rocas causada por el impacto
  de material en caida contribuye a meteorizacion
  mecanica, pero movimientos posteriores se
  consideran erosion.
• Ej. fragmentos formados por congelacion-deshielo

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Actividad organica

• Ej. crecimiento de raices en fracturas o estratos
  puede romper la roca
• Profundidad que pueden crecer raices se extiende
  a 3-7 m bajo la superficie
• Meteorizacion causada por animales ocurre por la
  mezcla de materiales no consolidados
• Ej. organismos excavadores mezclan material
  meteorizado y llevan material no meteorizado a
  encontrarse con agentes de meteorizacion quimica
  como el agua y el aire.

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(No Transcript)
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Meteorizacion quimica

• Descomposicion de las rocas por procesos
  superficiales que cambian la composicion quimica
  del material original.
• Envuelve reacciones entre elementos en minerales
  de la roca con la atmosfera y/o agua subterranea.
• Relacion entre los tipos de meteorizacion la
  mecanica facilita la quimica
• Rocas comunmente estan fuera de equilibrio con
  las condiciones ambientales y reaccionan quimica-
  mente para formar compuestos mas estables.

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(No Transcript)
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Rol del agua

• Agente de meteorizacion disolvente mas
  importante. Actua como medio de intercambio de
  elementos entre rocas y la atmosfera, y ademas
  toma parte directa en reacciones quimicas.
• Meteorizacion quimica-mas activa en climas
  humedos.
• La mayoria de las propiedades del H2O se pueden
  explicar en terminos de la estructura de su
  molecula, la cual es dipolar y capaz de enlaces
  con iones positivos y negativos.

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Procesos de meteorizacion quimica

• Disolucion
• Oxidacion-reduccion
• Intercambio ionico
• Hidrolisis
• Carbonacion
• Hidratacion
• Quelacion (chelation)

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Disolucion

• Rompimiento de un mineral en sus iones o
  moleculas, en el agua. Proceso fundamental de
  meteorizacion.
• Le da mobilidad a los iones y los hace accesibles
  a otros procesos the meteorizacion quimica.
• Aumento en solubilidad de materiales cristalinos
  con el aumento en T resulta del aumento en
  velocidad molecular por el calentamiento.
• La circulacion acelera la disolucion, removiendo
  iones disueltos de las cercanias de la superficie
  mineral y sustituyendolos con agua fresca.

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Cont. Disolucion

• En algunas reacciones de disolucion todos los
  iones liberados permanecen en solucion
  (congruente) y en otras algunos de los iones se
  recombina para precipitar un nuevo compuesto
  (incongruente).
• Disolucion de calcita (congruente) es importante
  porque el CO2(g) se disuelve facilmente en la
  lluvia, formando un acido debil (acido
  carbonico), que es muy importante para la
  meteorizacion quimica, especialmente en zonas de
  carso.
• Disolucion de feldespatos en minerales arcillosos
  (incongruente)

30
Disolucion de halita
31
Oxidacion/Reduccion

• Ox ocurre cuando un ion en una estructura mineral
  pierde un e- a un ion de oxigeno.
• En minerales formadores de roca que son ricos en
  Fe reacciones de ox envuelven la conversion de
  Fe a Fe , por la combinacion con O2 en
  presencia de H2O.
• Reacciones rapidas y dejan una cubierta amarilla,
  marron o rojiza en las superficies de las rocas.
• Ej. silicatos ferrosos (oliv, px, amph, biot)
  forman hematita (casi insoluble) y oxidos de Fe
  acuosos

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Cont. Oxidacion/Reduccion

• Ox ocurre en rocas recien expuestas y forma
  cortezas de meteorizacion (weathering rinds)
  que aumentan de tamano con el tiempo.
• Remocion de Fe de los minerales tambien
  contribuye a hacerlos mas susceptibles a otros
  procesos.
• Reduccion es el proceso opuesto, pero esta
  restringido a zonas bajo el nivel freatico.

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Reacciones de intercambio de iones

• Envuelven la sustitucion de iones en minerales
  por iones en solucion sin rearreglar la
  estructura mineral.
• Cationes que mas se intercambian H, K, Na,
  Ca, Mg, Fe, Si, Al
• Mobilidad de cationes se expresa por el
• Potencial Ionico (IP) Z/r
• IPlt3 pueden permanecer en solucion
• IPgt3 se precipitan en hidroxidos
• Los cationes intercambiables estan aguantados por
  absorpcion en la superficie de coloides.
• La poblacion cationica de minerales arcillosos
  refleja la concentracion de cationes en las aguas
  que los rodean. Cada mineral arcilloso tiene una
  capacidad de intercambio de cationes diferente.

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Hidrolisis

• Adicion quimica de iones de H y OH- en agua a la
  estructura interna de un mineral para producir un
  nuevo mineral.
• Iones de H son los que atacan y sustituyen a
  otros cationes.
• Proceso favorecido por el abastecimiento de H y
  la remocion de los productos de reemplazo.

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Cont. Hidrolisis

• Condiciones que favorecen la hidrolisis
• Lixivacion (leaching) repetida por H2O fresca
• Introduccion de H, que se combinan con iones
  OH-, removiendolos del H2O, y desplazan cationes
  de sus estructuras.
• Precipitacion de iones como compuestos
  relativamente insolubles
• Remocion de iones en complejos organicos
• Absorpcion y asimilacion de los productos por
  plantas y animales
• Absorpcion de los productos por sustancias
  coloidales

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Hidrolisis por plantas

• Iones de H liberados en el metabolismo de
  plantas son concentrados en sus raices, donde son
  intercambiados por cationes metalicos.

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Carbonacion

• Minerales que contienen Ca, Mg, Na o K son
  cambiados a carbonatos por la accion del acido
  carbonico (H2CO3).
• Atmosfera - 0.03 CO2 - se disuelve en H2O para
  formar H2CO3 debil que puede disolver muchos
  compuestos mas que el agua pura.
• CO2 tambien es anadido al agua subterranea por
  actividad biologica en el suelo.
• CO2 es mas soluble en agua fria y en P altas.
• CO2 aumenta hasta que CaCO3 sea precipitado en
  el suelo, desarrollando horizontes ricos en
  carbonato.
• El proceso facilita la hidrolisis intensificada
  en presencia de H2CO3.

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Hidratacion

• Combinacion con H2O. Ej. cambio de anhidrita
  (CaSO4) a yeso (CaSO4 . 2H2O).
• Causa una expansion estructural
• Afecta la desintegracion granular de rocas igneas
  y metamorficas de grano grueso
• Otra forma de hidratacion es la absorpcion de
  moleculas de H2O a la superficie de coloides por
  cargas debiles y residuales. Ej.
  montmorillonite.
• Hidratacion a veces sucede junto con la
  carbonacion durante la descomposicion. Ej.
  meteorizacion de feldespato an arcilla
  (caolinita).

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Quelacion (Chelation)

• Reaccion de equilibrio entre un ion metalico y un
  agente complejo, caracterizado por formacion de
  mas de un enlace entre el metal y la molecula del
  agente complejo, y resultando en la formacion de
  una estructura en forma de anillo incorporando el
  ion metalico.
• En este, metales ionicos (Fe, Al) que normalmente
  son inmobiles durante meteorizacion, se envuelven
  en las reacciones bajo condiciones que
  normalmente no resultarian en su mobilizacion.

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Cont. Quelacion

• La mayoria de los agentes de quelacion son
  sustancias organicas producidas por procesos
  biologicos en el suelo y por liquenes creciendo
  en las rocas.
• Los liquenes secretan agentes de quelacion que
  afectan las rocas en las cuales crecen y aumentan
  la meteorizacion.
• Ej. se ha encontrado mas meteorizacion en
  basaltos cubiertos por liquenes que en los que no

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Controles de velocidad ycaracter de la
meteorizacion

• Roca madre
• Estabilidad mineral
• Clima
• Vegetacion
• Topografia
• Tiempo
• Rapidez de meteorizacion (rates)

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Roca madre (parent material)

• Prop. fisicas quimicas del bedrock que esta
  siendo meteorizado
• Diferencias en resistencia de roca madre -
  controladas por resistencia de sus minerales, ej.
  qtz en arenisca y cuarcita
• Resistencia al ambiente local, ej. calizas y
  marmol (mayormente calcita)-solubles en climas
  humedos (con aguas carbonatadas), muy resistentes
  en aridos
• Rasgos (ej. estratificacion, diaclasamiento,
  porosidad) afectan permiten percolacion de H2O a
  traves de roca
• Importancia de roca madre disminuye a medida que
  el residuo de meteorizacion cambia a un producto
  (suelo)

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Estabilidad mineral

• Minerales muy solubles (halita, yeso, calcita,
  aragonita, dolomita) los menos resitentes a met.
  quim.
• Minerales productos de met. quim. los mas
  resitentes (ej. ilita, caolinita, montmorilonita,
  hematita)
• Algunos minerales accesorios (ej. rutile,
  corundum) son muy resitentes porque son bastante
  inertes y tienen solubilidades bien bajas

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Cont. Estabilidad mineral

• Silicatos (84 de atomos en minerales formadores
  de roca) resistencia controlada por los enlaces,
  tetraedros formando cadenas simples, dobles,
  laminas o redes tridimensionales
• Orden de met quim de silicatos orden de
  cristalizacion (Bowens reaction series)

45
Estructuras tetraedrales - silicatos
46
Meteorizacion de silicatos comunes
47
Cont. Estabilidad mineral

• Tamano de granos
• Rocas de cristales gruesos a menudo muestran
  caracteristicas de meteorizacion mas
  desarrolladas que aquellas de cristales pequenos
• Presencia de mineral debil causa disminucion en
  resitencia

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Clima

• Establece condiciones de T y humedad en
  superficie control principal de meteorizacion a
  largo plazo
• Patron mundial de tipos de suelo refleja la
  zonacion de climas
• Ambiente optimo altas T alta humedad

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(No Transcript)
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Vegetacion

• Depende mucho del clima
• Cantidad y tipo afecta la razon de la cantidad de
  H2O que penetra la tierra a la cantidad que se
  derrama (runs off) en la superficie. Mas
  vegetacion inhibe runoff, mas met. quim. y
  desarrollo de suelo
• Importante factor en formacion de suelo
  retencion de H2O promueve met. quim. en el suelo,
  accion de raices promueve rompimiento mecanico
  del bedrock, acidos organicos atacan la roca
  quimicamente, material organico de la
  desintegracion de plantas es anadida al suelo.

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Topografia

• Elementos importantes altura pendiente
• Ej. (1) congelacion-deshielo en areas polares,
  (2) en alturas menores menos vegetacion, menos
  congelacion-deshielo, mas met. quim.
• Afecta el drenaje -- afecta cant. de H2O
  disponible para meteorizacion
• Infiltracion inversamente propocional a pendiente
• Runoff directamente relacionado a pendiente
• Aspecto de la pendiente (hacia donde se dirige)

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Relacion topografia-grosor suelo
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Tiempo

• Afecta la cantidad de meteorizacion
• Equilibrio se alcanza productos de meteorizacion
  se remueven a la misma razon que son formados
• 2 extremos
• Un acantilado vertical con capa fina de granos
  meteorizados
• Suelo residual grueso y bien formado en una
  superficie de pendiente suave

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Rapidez (rates) de meteorizacion

• Estimados de rates a corto plazo
• Estudios experimentales (rapidez de muchos
  procesos quimicos disminuyen con el tiempo)
• Estudios de meteorizacion de lapidas, monumentos
  y construcciones datadas
• Estudios de elementos disueltos en corrientes
• Estimados de rates a largo plazo
• Estudios de muestras geologicas datadas

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Lapidas granito vs. marmol
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Efectos de meteorizacion

• Formacion de arcillas
• Desintegracion granular
• Weathering pits
• Meteorizacion esferoidal
• Formacion de picos de roca (tor formation)
• Meteorizacion cavernosa
• Formacion de suelos

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Minerales arcillosos

• Silicatos hidratados de Al, Fe y Mg arreglados en
  laminas de octaedros de Si y alumina
  (filosilicatos o silicatos en capas)
• Estructura basica
• Filosilicatos de capa 11 caolinita, haloisita
  (estructura no expande en presencia de H2O, baja
  capacidad de intercambio de cationes)

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Cont. Minerales arcillosos

• Filosilicatos de capa 21 esmectitas (ej.
  montmorilonita, enlaces debiles, intercambio de
  H2O y cationes, se expanden al mojarse) micas
  (ej. ilita, enlaces fuertes, capacidad de
  intercambio de cationes y expansion al mojarse
  intermedias)
• Filosilicatos de capa 211 clorita (enlaces
  fuertes, no hay expansion)

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Desintegracion granular

• De rocas cristalinas de grano grueso -- forma
  fragmentos esparcidos de granos meteorizados
  grus
• Ej. DG de rocas sedimentarias clasticas
  arenizca a traves de meteorizacion y solucion
  del cemento

60
Weathering pits

• Depresiones en forma de platillo grabadas en la
  roca por la DG y la fisuracion de laminas
  delgadas de roca
• Comun en terrenos graniticos

61
Meteorizacion esferoidal

• Produce formas redondeadas o esfericas cuando el
  H2O ataca fragmentos rocosos angulosos a traves
  de las grietas. Las esquinas son afectadas mas
  facilmente por su mayor area de superficie.
• Descamacion esferica capas externas se
  desprenden y la met. quim. penetra mas en roca
• PQ? Minerales se meteorizan a arcillas,
  aumentando tamano (por adicion de H2O) y
  ejerciendo fuerza al exterior debilitando la roca
  y causando el desprendimiento de capas
  concentricas

62
Meteorizacion esferoidal de roca diaclasada
63
(No Transcript)
64
Tors (pico de roca, pinnacle)

• Afloramientos que se levantan solos como torres
  de rocas con alturas de metros a decenas de
  metros
• Rasgos residuales desarrollados por la remocion
  de la roca que los rodea (meteorizada y
  descompuesta)

65
Meteorizacion cavernosa

• Forma huecos (tafoni) poco separados, parecido
  al queso suizo o celdas de un panal estructura
  llamada rejilla de piedra (stone lattice)
• Meteorizacion alveolar o de panal opuesto a
  meteorizacion esferoidal

66
Desarrollo de suelos

• Residuo de met. que ha sido diferenciado en
  horizontes con la profundidad
• Clima tiempo factores importantes
• Perfiles de suelos sobre roca madre horizontes
  se desarrollan por
• Acumulacion de materia organica
• Lixivacion de roca madre al punto que grandes
  cantidades de minerales y sus productos de met.
  se han removido
• Acumulacion de material organico (humus) en parte
  superior
• Acumulacion de productos de met. en profundidad

67
Principales componentes del suelo½ volumen
mezcla de roca desintegrada y descompuesta
(materia mineral) humus ½ volumen espacios
porosos entre particulas solidas donde circula
H2O y aire
68
Perfil del suelo ideal
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Horizontes

• Horizonte O (negro)
• acumulacion de mat. organica debajo de vegetacion
• caracterizado por material de plantas
  descompuesto
• Horizonte A (marron)
• compuesto por materia mineral
• actividad biologica se encuentra humus, a veces
  hasta 30
• Zona de lixivacion percolacion de H2O hacia
  abajo remueve elementos del A y los lleva al B

70
Cont. Horizontes

• Horizonte B
• Zona de acumulacion material acumulado por
  percolacion hacia abajo de la capa de encima
• Horizonte Bt se desarrolla acumulacion de
  particulas arcillosas finas, color marron rojizo
  (por oxidos de Fe)
• regiones aridas-semiaridas evaporacion de H2O
  puede precipitar CaCO3 (caliche) horizonte Bk

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Cont. Horizontes

• Horizonte C
• roca madre parcialmente alterada no ha pasado
  por la lixivacion y acumulacion al grado de otros
  horizontes
• bloques o fragmentos angulares, grus, piedras
  esferoidales encima de roca madre (Horizonte R)

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Madurez del suelo

• Estado estacionario de desarrollo, independiente
  del tiempo, alcanzado a medida que la formacion
  de suelo decelera
• Suelo maduro uno en el que una serie de
  horizontes con caracteristicas bien definidas han
  sido producidos por meteorizacion
• Grosor del suelo inversamente proporcional a
  intensidad de erosion

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Erosion del suelo(A) 1 mm de suelo perdido
produce 5 tons,(B) erosion en surcos o
hondonadas
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Paleosuelos

• Suelos antiguos que han sido removidos de la zona
  de formacion de suelo, usualmente por
  enterramiento por sedimentos mas jovenes
• Preservacion depende grado original de
  diferenciacion entre horizontes proteccion
  contra danos por los procesos que llevaron al
  enterramiento
• Delinean disconformidades representan una
  superficie que ha sobrevivido lo suficiente para
  ser meteorizada a un tipo de suelo distintivo
• Estudios de evolucion de terrenos, condiciones
  ambientales (climas) y vegetacion
• Otras aplicaciones pausas en actividad volcanica
  (dataciones)

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Clasificacion de suelos

• Agrupados por caracteristicas de sus perfiles en
  series de suelo
• No hay un sistema reconocido mundialmente
• EU usa el sistema SCS o 7th Approximation
• 10 ordenes de suelos, subdivididos en 47
  subordenes, etc. etc. etc.