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7.3 : Influences sur l'altération - Géosciences

7.3 : Influences sur l'altération - Géosciences


Type de roche et de minéral

Les taux d'altération dépendent de plusieurs facteurs. Lorsqu'un minéral moins résistant se dissout, des grains minéraux plus résistants sont libérés de la roche.

Climat

Le climat d'une région influence fortement l'altération. Le climat est déterminé par la température d'une région plus la quantité de précipitations qu'elle reçoit. Le climat est une moyenne météorologique sur une longue période de temps. L'altération chimique augmente à mesure que :

  • La température augmente: Les réactions chimiques se déroulent plus rapidement à des températures plus élevées. Pour chaque augmentation de 10 degrés C de la température moyenne, la vitesse des réactions chimiques double.
  • Les précipitations augmentent: Plus d'eau permet plus de réactions chimiques. Étant donné que l'eau participe à la fois à l'altération mécanique et chimique, plus d'eau augmente fortement l'altération.

Alors, comment les différents climats influencent-ils les intempéries ? Un climat froid et sec produira le taux d'altération le plus faible. Un climat chaud et humide produira le taux d'altération le plus élevé. Plus un climat est chaud, plus il y aura de types de végétation et plus le taux d'altération biologique sera élevé. Cela se produit parce que les plantes et les bactéries se développent et se multiplient plus rapidement à des températures plus chaudes.


Érosion

Nos rédacteurs examineront ce que vous avez soumis et détermineront s'il faut réviser l'article.

Érosion, la désintégration ou l'altération de la roche dans sa position naturelle ou d'origine à ou près de la surface de la Terre par des processus physiques, chimiques et biologiques induits ou modifiés par le vent, l'eau et le climat.

Au cours du processus d'altération, la translocation de matériaux désintégrés ou altérés se produit à proximité immédiate de l'exposition rocheuse, mais la masse rocheuse reste in situ. L'altération se distingue de l'érosion par le fait que cette dernière comprend généralement le transport de la roche et du sol désintégrés loin du site de la dégradation. Une application plus large de l'érosion, cependant, inclut l'altération en tant que composante de la dénudation générale de tous les reliefs ainsi que l'action du vent et les processus fluviaux, marins et glaciaires. L'apparition d'altérations à la surface de la Terre ou à proximité la distingue également de l'altération physique et chimique de la roche par métamorphisme, qui a généralement lieu profondément dans la croûte à des températures beaucoup plus élevées.

L'altération implique des processus physiques, chimiques et biologiques agissant séparément ou, le plus souvent, ensemble pour réaliser la désintégration et la décomposition de la roche. L'altération physique provoque la désintégration de la roche par des processus mécaniques et dépend donc de l'application de la force. La désintégration implique la décomposition de la roche en ses minéraux ou particules constitutifs sans décomposition des minéraux formant la roche. Les principales sources d'altération physique sont la dilatation et la contraction thermiques de la roche, le relâchement de la pression sur la roche par l'érosion des matériaux de recouvrement, le gel et le dégel alternés de l'eau entre les fissures et les fissures dans la roche, la croissance cristalline dans la roche et la croissance des plantes et des organismes vivants. organismes dans la roche. L'altération de la roche implique généralement une altération chimique au cours de laquelle la composition minérale de la roche est modifiée, réorganisée ou redistribuée. Les minéraux de la roche sont exposés à la dissolution, à la carbonatation, à l'hydratation et à l'oxydation par les eaux en circulation. Ces effets sur la décomposition minérale s'ajoutent aux effets des organismes vivants et des plantes comme extraction de nutriments pour altérer la roche.

Plusieurs facteurs contrôlent le type d'altération et la vitesse à laquelle la roche s'altère. La composition minéralogique d'une roche déterminera le taux d'altération ou de désintégration. La texture de la roche affectera le type d'altération qui est le plus susceptible de se produire. La roche à grain fin sera généralement plus sensible à l'altération chimique mais moins sensible à la désintégration physique. La configuration des joints, des fractures et des fissures dans la roche peut permettre à l'eau de pénétrer. Ainsi, les masses rocheuses brisées et fracturées sont plus susceptibles de subir une altération que les structures monolithiques. Le climat contrôlera également le type et le taux d'altération en affectant la probabilité de cycles de gel-dégel et de réactions chimiques. L'altération chimique est plus susceptible de se produire et d'être plus efficace dans les climats tropicaux humides, et la désintégration de la roche due aux cycles de gel-dégel est plus susceptible de se produire et d'être plus efficace dans les climats subarctiques.


Climat

Le climat d'une région influence fortement l'altération. Le climat est déterminé par la température d'une région plus la quantité de précipitations qu'elle reçoit. Le climat est une moyenne météorologique sur une longue période de temps. L'altération chimique augmente à mesure que :

  • La température augmente: Les réactions chimiques se déroulent plus rapidement à des températures plus élevées. Pour chaque augmentation de 10 degrés C de la température moyenne, la vitesse des réactions chimiques double.
  • Les précipitations augmentent: Plus d'eau permet plus de réactions chimiques. Étant donné que l'eau participe à la fois à l'altération mécanique et chimique, plus d'eau augmente fortement l'altération.

Alors, comment les différents climats influencent-ils l'altération ? Un climat froid et sec produira le taux d'altération le plus faible. Un climat chaud et humide produira le taux d'altération le plus élevé. Plus un climat est chaud, plus il y aura de types de végétation et plus le taux d'altération biologique sera élevé. Cela se produit parce que les plantes et les bactéries se développent et se multiplient plus rapidement à des températures plus chaudes.


Afin d'étudier l'effet de la glaciation sur l'altération minérale, la chimie de l'eau des cours d'eau et la composition de la communauté bactérienne ont été analysées dans deux bassins versants contenant des formations sédimentaires nominalement identiques mais qui différaient par l'étendue de la glaciation. Les eaux des cours d'eau ont été analysées pour les ions majeurs, δ 34 S, δ 18 OSO4 et 18OH2O et les sédiments fluviaux associés ont été analysés par séquençage marqué du gène de l'ARNr 16S.

Les sulfates représentaient 72 à 86 % et 35 à 45 % du bilan anionique d'été (en meq) dans les bassins versants non glaciaires et glaciaires respectivement. Cela indique que l'acide sulfurique généré par l'altération de la pyrite est un agent d'altération important dans les deux bassins versants. Sur la base des proportions relatives de cations, de sulfate et de bicarbonate, la chimie de l'eau du cours d'eau du bassin non glaciaire s'est avérée cohérente avec une oxydation des sulfures couplée à un processus d'altération de la dissolution des silicates alors que dans le bassin glaciaire, les carbonates et les silicates sont altérés à la fois par le sulfure et le carbonique. acides.

Les mesures des isotopes stables du sulfate, ainsi que les inférences des processus métaboliques catalysés par les communautés microbiennes résidentes, ont révélé que la réaction d'oxydation de la pyrite différait entre les deux bassins versants. Aucun fractionnement δ 34 S par rapport à la pyrite n'a été observé dans le bassin non glaciaire et cela a été interprété comme reflétant l'oxydation de la pyrite dans des conditions oxiques. En revanche, δ 34 S et δ 18 OSO4 les valeurs étaient positivement corrélées dans le bassin glaciaire et étaient positivement compensées par rapport à la pyrite. Cela a été interprété comme reflétant l'oxydation de la pyrite dans des conditions anoxiques avec perte d'intermédiaires S.

Cette étude suggère que la glaciation peut altérer la chimie de l'eau des cours d'eau et le mécanisme d'oxydation de la pyrite par une interaction de facteurs biologiques, physiques et chimiques.


Mots clés

Dr Predrag Miščević, est professeur titulaire et superviseur de doctorat à la Faculté de génie civil, d'architecture et de géodésie de l'Université de Split, en Croatie. Il a participé à 6 projets scientifiques en tant que chercheur et chef de projet, qui ont été financés par le ministère des Sciences, de l'Éducation et des Sports de la République de Croatie. Il a dirigé le groupe de travail d'un projet international Croatie-Japon. À ce jour, le Dr Miščevič a publié plus de 50 articles de revues et 2 livres, dont « Introduction à la mécanique des roches pour les ingénieurs civils » (en croate). Il a été l'un des présidents exécutifs du Symposium international ISRM 2013 à Wroclaw, en Pologne, sur le thème de la mécanique des roches pour les ressources, membre d'un conseil de la Société géotechnique croate, membre de la commission ISRM de la roche tendre.

Goran Vlastelica travaille actuellement en tant qu'assistant de recherche et d'enseignement au Département de génie géotechnique de la Faculté de génie civil, d'architecture et de géodésie de l'Université de Split, en Croatie. Il est doctorant en dernière année d'études avec le titre de sa thèse : « Influence de l'altération sur la stabilité des coupes dans les massifs rocheux tendres ». Il a participé activement à 2 projets scientifiques : « Développement d'un modèle d'altération pour les constructions géotechniques dans le flysch » soutenu par le ministère des Sciences, de l'Éducation et des Sports, République de Croatie en tant que chercheur novice scientifique et le projet de coopération Croatie-Japon « Identification des risques et terres -utiliser la planification pour l'atténuation des catastrophes des glissements de terrain et des inondations en Croatie », inclus dans le programme SATREPS financé par JST et JICA, en tant que chercheur principal. À ce jour, Goran Vlastelica a publié 8 articles de revues, 10 résumés dans un livre de résumés et 1 livre d'éditeur. Il a participé activement à une douzaine de conférences scientifiques et en tant que membre du comité d'organisation de 2 conférences internationales. Depuis 2010, il est membre de la Société croate de géotechnique, de l'ISRM (International Society for Rock Mechanics) et de l'ISSMGE (International Society for Soil Mechanics and Geotechnical Engineering).

Examen par les pairs sous la responsabilité de l'Institut de mécanique des roches et des sols, Académie chinoise des sciences.


Érosion

L'altération décrit la décomposition ou la dissolution des roches et des minéraux à la surface de la Terre. L'eau, la glace, les acides, les sels, les plantes, les animaux et les changements de température sont tous des agents d'altération.

Sciences de la Terre, Géologie, Géographie, Géographie physique

Photographie de George F. Mobley, National Geographic

Montagnes altérées
Les Appalaches, dans l'est de l'Amérique du Nord, s'élevaient autrefois à plus de 9 000 mètres (30 000 pieds) de hauteur, soit plus que le mont Everest ! Au cours de millions d'années, les intempéries et l'érosion les ont usés. Aujourd'hui, le plus haut sommet des Appalaches n'atteint que 2 037 mètres (6 684 pieds).

composé chimique qui réagit avec une base pour former un sel. Les acides peuvent corroder certains matériaux naturels. Les acides ont des niveaux de pH inférieurs à 7.

précipitation avec des niveaux élevés d'acides nitrique et sulfurique. Les pluies acides peuvent être d'origine humaine ou se produire naturellement.

produits chimiques nocifs dans l'atmosphère.

ayant à voir avec la matière déposée par l'eau qui coule (alluvions).

(CaSO4) minéral gris-blanc trouvé dans les roches sédimentaires. Également connu sous le nom de sulfate de calcium anhydre.

couches de gaz entourant une planète ou un autre corps céleste.

processus dans lequel des organismes vivants ou autrefois vivants contribuent à la désintégration des roches et des minéraux (altération).

affleurement rocheux isolé en forme de dôme à parois abruptes d'au moins 30 mètres (100 pieds) de hauteur.

(vers 563-483 avant notre ère) Prince indien, chef spirituel et fondateur de la religion bouddhiste. Aussi appelé Prince Siddhartha et Gautama Bouddha.

substance créée par la production d'un autre matériau.

vallée étroite et profonde aux versants escarpés.

absorption ou réaction avec le dioxyde de carbone.

produit chimique produit lorsque le dioxyde de carbone se dissout dans l'eau.

chambre souterraine qui s'ouvre sur la surface. Les entrées des grottes peuvent être sur terre ou dans l'eau.

attraction entre des atomes, des ions ou des molécules qui permet la formation de composés chimiques.

Le processus change la composition des roches, les transformant souvent lorsque l'eau interagit avec les minéraux pour créer diverses réactions chimiques.

type de roche sédimentaire qui peut être façonnée lorsqu'elle est mouillée.

combustible fossile sombre et solide extrait de la terre.

processus d'altération chimique au cours duquel le cycle de gel-dégel de la glace fissure et désintègre la roche. Aussi appelé altération par le gel.

type de minéral qui est clair et, lorsqu'il est observé au microscope, a un motif répétitif d'atomes et de molécules.

superficie de terre qui ne reçoit pas plus de 25 centimètres (10 pouces) de précipitations par an.

processus d'effritement des roches dû à la pluie, au vent ou à d'autres conditions atmosphériques. Aussi appelée altération mécanique et altération physique.

se briser ou se désintégrer.

série de tuyaux, gouttières ou autres cours d'eau utilisés pour évacuer l'excès d'eau.

acte dans lequel la terre est usée, souvent par l'eau, le vent ou la glace.

passer d'un liquide à un gaz ou à une vapeur.

processus décrivant le décollement des couches externes, telles que l'écorce des arbres ou les feuilles de roche.

capable de produire des récoltes ou de soutenir l'agriculture.

Forme de relief en forme de C constituée d'une paroi rocheuse concave formée par l'altération et l'érosion des roches souterraines. Aussi appelé &ldquowave rock.&rdquo

modèle météorologique de températures inférieures à 0 degrés Celsius (32 degrés Fahrenheit).

processus d'altération chimique au cours duquel le cycle de gel-dégel de la glace fissure et désintègre la roche. Aussi appelée cryofracturation.

ayant à voir avec les formations physiques de la Terre.

pierre marquant le lieu de sépulture d'une personne, souvent gravée avec le nom de la personne et les dates de naissance et de décès.

l'eau trouvée dans un aquifère.

(sulfate de calcium hydraté, CaSO4) minéral doux, incolore ou blanc.

type d'altération physique causée par la croissance de cristaux de sel dans et autour des roches.

processus d'une substance ou d'une solution se combinant chimiquement avec de l'eau.

processus dans lequel un composé est divisé en d'autres composés par réaction avec de l'eau.

événement ou symbole représentant une croyance, une nation ou une communauté.

enregistrement qui a été coupé, imprimé, peint ou écrit sur une surface dure.

paysage fait de calcaire.

une caractéristique importante qui guide la navigation ou marque un site.

les caractéristiques géographiques d'une région.

la roche en fusion, ou magma, qui jaillit des volcans ou des fissures à la surface de la Terre.

type de roche sédimentaire principalement constituée de carbonate de calcium provenant de coquilles et de squelettes d'organismes marins.

processus d'effritement des roches dû à la pluie, au vent ou à d'autres conditions atmosphériques. Aussi appelée altération physique.

nutriment nécessaire pour aider les cellules, les organes et les tissus à fonctionner.

pour réduire la gravité d'une condition naturelle ou humaine.

avoir à voir avec la plus petite unité physique d'une substance.

grande structure représentant un événement, une idée ou une personne.

type de combustible fossile composé principalement de méthane gazeux.

série de liens le long desquels le mouvement ou la communication peut avoir lieu.

substance dont un organisme a besoin pour son énergie, sa croissance et sa vie.

processus chimique d'une substance se combinant avec l'oxygène pour modifier la structure physique et moléculaire de la substance.

combustible fossile formé à partir des restes d'organismes anciens. Aussi appelé pétrole brut.

processus d'effritement des roches dû à la pluie, au vent ou à d'autres conditions atmosphériques. Aussi appelée altération mécanique.

marqué de nombreuses petites entailles.

plein de petits trous, ou capable d'être pénétré par l'eau.

force exercée sur un objet par un autre objet ou une autre condition, telle que la gravité.

matériaux laissés par un organisme mort ou absent.

substance naturelle composée de matière minérale solide.

partie d'une plante qui la retient dans le sol, obtient de l'eau et des nutriments et stocke souvent la nourriture fabriquée par les feuilles.

se dissoudre et former un revêtement cassant, comme le fer le fait lorsqu'il est exposé à l'air et à l'humidité.

(chlorure de sodium, NaCl) minéral cristallin souvent utilisé comme assaisonnement ou conservateur pour les aliments.

structure formée lorsque l'eau s'évapore d'un lac salé ou d'une mer. Le sel restant est enterré par les sédiments, mais finit par percer la roche, formant une colline.

processus dans lequel les dômes de sel souterrains se dilatent, impactant les couches rocheuses environnantes.

matière solide transportée et déposée par l'eau, la glace et le vent.

roche formée à partir de fragments d'autres roches ou de restes de plantes ou d'animaux.

partie d'une plante à partir de laquelle une nouvelle plante pousse.

type d'altération physique dans lequel une seule couche de roche est rompue. Aussi appelé altération des contours.

trou formé dans une roche ou un autre matériau solide par le poids ou le mouvement de l'eau.

couche supérieure de la surface de la Terre où les plantes peuvent pousser.

substance dans laquelle un gaz, un liquide ou un solide est uniformément réparti dans un autre milieu.

sous la surface ou la couche supérieure.

degré de chaud ou de froid mesuré par un thermomètre à échelle numérique.

contrainte sur le matériau généralement associée à l'expansion et à la contraction dues aux changements de température.

roche, terre et gravier laissés par un glacier en retrait ou en fonte.

existant sous les tropiques, les latitudes comprises entre le tropique du Cancer au nord et le tropique du Capricorne au sud.

la décomposition ou la dissolution des roches et des minéraux de la surface de la Terre.

Crédits médias

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Éditeur

Jeannie Evers, édition d'Emdash

Producteur

Caryl-Sue, National Geographic Society

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Ressources associées

Le cycle de la roche

De nombreux processus clés de la Terre fonctionnent par cycles et le cycle de la roche ne fait pas exception. Le cycle de la roche est un réseau de processus qui décrit comment chacun des trois principaux types de roches & mdashigneous, métamorphique et sédimentaire & mdash se forme et se décompose en fonction des différentes applications de chaleur et de pression au fil du temps. Par exemple, le schiste rocheux sédimentaire devient de l'ardoise lorsque la chaleur et la pression sont ajoutées. Plus vous ajoutez de chaleur et de pression, plus la roche se métamorphose jusqu'à devenir du gneiss. Si elle est chauffée davantage, la roche fondra complètement et se reformera en une roche ignée. Donnez à vos élèves les moyens d'en apprendre davantage sur le cycle de la roche avec cette collection de ressources.

Éléments et composés

Un élément est une substance qui ne peut pas être décomposée dans un format plus simple. Ils se distinguent par un numéro atomique unique. Les éléments sont organisés par leur numéro atomique dans le tableau périodique, qui met en évidence les éléments ayant des propriétés similaires. L'eau est un exemple de composé, un mélange de deux éléments ou plus, et est créée lorsque deux atomes d'hydrogène se lient à un atome d'oxygène. Utilisez ces ressources pour examiner les propriétés et les utilisations des éléments et des composés.

Érosion

L'altération est le processus d'affaiblissement et de décomposition des roches, des métaux et des objets fabriqués par l'homme. Il existe deux principaux types d'altération : chimique et physique. Un exemple d'altération chimique est la pluie acide. Causées principalement par la combustion de combustibles fossiles, les pluies acides sont une forme de précipitation avec des niveaux élevés d'acide sulfurique, qui peuvent provoquer l'érosion des matériaux avec lesquels elles entrent en contact. Un exemple d'altération physique est le vent qui souffle sur les plages du désert. Ce processus fait que les roches forment une forme pyramidale spécifique et elles sont appelées ventifacts. Choisissez parmi ces ressources pour en apprendre davantage sur le processus d'altération dans votre classe.a

Roches sédimentaires

Les roches sédimentaires sont l'un des trois principaux types de roches, avec les roches ignées et métamorphiques. Ils sont formés sur ou près de la surface de la Terre à partir de la compression des sédiments océaniques ou d'autres processus.

Le cycle de la roche

Le cycle de la roche est une série de processus qui créent et transforment les types de roches dans la croûte terrestre.

Roches métamorphiques

Les roches métamorphiques commencent comme un seul type de roche et, avec la pression, la chaleur et le temps, se transforment progressivement en un nouveau type de roche.

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Éléments et composés

Un élément est une substance qui ne peut pas être décomposée dans un format plus simple. Ils se distinguent par un numéro atomique unique. Les éléments sont organisés par leur numéro atomique dans le tableau périodique, qui met en évidence les éléments ayant des propriétés similaires. L'eau est un exemple de composé, un mélange de deux éléments ou plus, et est créée lorsque deux atomes d'hydrogène se lient à un atome d'oxygène. Utilisez ces ressources pour examiner les propriétés et les utilisations des éléments et des composés.

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Les roches sédimentaires sont l'un des trois principaux types de roches, avec les roches ignées et métamorphiques. Ils sont formés sur ou près de la surface de la Terre à partir de la compression des sédiments océaniques ou d'autres processus.

Le cycle de la roche

Le cycle de la roche est une série de processus qui créent et transforment les types de roches dans la croûte terrestre.

Roches métamorphiques

Les roches métamorphiques commencent comme un seul type de roche et, avec la pression, la chaleur et le temps, se transforment progressivement en un nouveau type de roche.


5.2 Altération chimique

L'altération chimique résulte de modifications chimiques des minéraux qui deviennent instables lorsqu'ils sont exposés aux conditions de surface. Les types de changements qui se produisent sont très spécifiques au minéral et aux conditions environnementales. Certains minéraux, comme le quartz, ne sont pratiquement pas affectés par l'altération chimique, tandis que d'autres, comme le feldspath, sont facilement altérés. En général, le degré d'altération chimique est le plus élevé dans les climats chauds et humides, et moindre dans les climats froids et secs. Les caractéristiques importantes des conditions de surface qui conduisent à l'altération chimique sont la présence d'eau (dans l'air et à la surface du sol), l'abondance d'oxygène et la présence de dioxyde de carbone, qui produit de l'acide carbonique faible lorsqu'il est combiné avec de l'eau. Ce processus, qui est fondamental pour la plupart des altérations chimiques, peut être illustré comme suit :

eau + dioxyde de carbone —-> acide carbonique puis acide carbonique —-> ion hydrogène + ion carbonate

Ici, nous avons de l'eau (par exemple, sous forme de pluie) plus du dioxyde de carbone dans l'atmosphère, se combinant pour créer de l'acide carbonique. Ensuite, l'acide carbonique se dissocie (se sépare) pour former des ions hydrogène et carbonate. La quantité de CO2 dans l'air est suffisant pour ne produire que de l'acide carbonique très faible, mais il y a généralement beaucoup plus de CO2 dans le sol, de sorte que l'eau qui s'infiltre dans le sol peut devenir beaucoup plus acide.

Il existe deux principaux types d'altération chimique. D'une part, certains minéraux se transforment en d'autres minéraux. Par exemple, le feldspath est altéré — par hydrolyse - à des minéraux argileux. D'autre part, certains minéraux se dissolvent complètement et leurs composants se dissolvent. Par exemple, la calcite (CaCO3) est soluble dans les solutions acides.

L'hydrolyse du feldspath peut s'écrire ainsi :

plagioclase + acide carbonique —-> kaolinite + calcium dissous + ions carbonate

Cette réaction montre du feldspath de plagioclase calcique, mais des réactions similaires pourraient également être écrites pour les feldspaths de sodium ou de potassium. Dans ce cas, nous nous retrouvons avec la kaolinite minérale, ainsi que des ions calcium et carbonate en solution. Ces ions peuvent éventuellement se combiner (probablement dans l'océan) pour former la calcite minérale. L'hydrolyse du feldspath en argile est illustrée à la figure 5.9, qui montre deux images de la même roche granitique, une surface fraîche récemment brisée à gauche et une surface altérée argileuse à droite. D'autres minéraux silicatés peuvent également subir une hydrolyse, bien que les résultats finaux soient un peu différents. Par exemple, le pyroxène peut être converti en minéraux argileux chlorite ou smectite, et l'olivine peut être convertie en serpentine minérale argileuse.

Figure 5.9 Surfaces non altérées (à gauche) et altérées (à droite) du même morceau de roche granitique. Sur les surfaces non altérées, les feldspaths sont encore frais et vitreux. Sur la surface altérée, le feldspath a été altéré en kaolinite minérale d'aspect crayeux. [SE]

Oxydation est un autre processus chimique très important d'altération. L'oxydation du fer dans un silicate ferromagnésien commence par la dissolution du fer. Pour l'olivine, le processus ressemble à ceci, où l'olivine en présence d'acide carbonique est convertie en fer dissous, carbonate et acide silicique :

olivine + (acide carbonique) —> fer dissous + carbonate dissous + acide silicique dissous

En présence d'oxygène, le fer dissous est alors rapidement transformé en hématite :

fer dissous + bicarbonate + oxygène + eau—->hematite + acide carbonique

L'équation présentée ici concerne l'olivine, mais elle pourrait s'appliquer à presque tous les autres silicates ferromagnésiens, y compris le pyroxène, l'amphibole ou la biotite. Le fer contenu dans les minéraux sulfurés (par exemple, la pyrite) peut également être oxydé de cette manière. Et l'hématite minérale n'est pas le seul résultat final possible, car il existe une large gamme de minéraux d'oxyde de fer qui peuvent se former de cette manière. Les résultats de ce processus sont illustrés à la figure 5.10, qui montre une roche granitique dans laquelle une partie de la biotite et de l'amphibole a été altérée pour former la limonite, un minéral d'oxyde de fer.

Figure 5.10 Une roche granitique contenant de la biotite et de l'amphibole qui ont été altérées près de la surface de la roche en limonite, qui est un mélange de minéraux d'oxyde de fer. [SE]

Un type particulier d'oxydation a lieu dans les zones où les roches ont des niveaux élevés de minéraux sulfurés, en particulier la pyrite (FeS2). La pyrite réagit avec l'eau et l'oxygène pour former de l'acide sulfurique, comme suit :

pyrite + oxygène + eau —–> ions fer + acide sulfurique + ions hydrogène

Le ruissellement des zones où ce processus a lieu est connu sous le nom de drainage rocheux acide (ARD), et même une roche avec 1% ou 2% de pyrite peut produire un ARD significatif. Certains des pires exemples de DRA se trouvent sur les sites de mines de métaux, en particulier lorsque des roches et des déchets contenant de la pyrite ont été extraits des profondeurs du sous-sol, puis empilés et laissés exposés à l'eau et à l'oxygène. Un exemple de cela est le mont. Mine Washington près de Courtenay sur l'île de Vancouver (figure 5.11), mais il existe de nombreux sites similaires au Canada et dans le monde.

Figure 5.11 Roches oxydantes et acidogènes exposées et déchets miniers au mont abandonné. Mine Washington, C.-B. (à gauche) et un exemple de drainage acide en aval du site minier (à droite). [SE]

Sur de nombreux sites ARD, le pH des eaux de ruissellement est inférieur à 4 (très acide). Dans ces conditions, les métaux tels que le cuivre, le zinc et le plomb sont assez solubles, ce qui peut entraîner une toxicité pour les organismes aquatiques et autres. Pendant de nombreuses années, la rivière en aval du mont. La mine Washington contenait tellement de cuivre dissous qu'il était toxique pour le saumon. Des travaux d'assainissement ont depuis été effectués à la mine et la situation s'est améliorée.

L'hydrolyse du feldspath et d'autres minéraux silicatés et l'oxydation du fer dans les silicates ferromagnésiens servent à créer des roches plus molles et plus faibles qu'elles ne l'étaient au départ, et donc plus sensibles à l'altération mécanique.

Les réactions d'altération dont nous avons discuté jusqu'à présent impliquaient la transformation d'un minéral en un autre minéral (par exemple, du feldspath en argile) et la libération de certains ions en solution (par exemple, Ca 2+ ). Certains processus d'altération impliquent la dissolution complète d'un minéral. La calcite, par exemple, se dissoudra dans un acide faible, pour produire des ions calcium et bicarbonate. L'équation est la suivante :

calcite + ions hydrogène + bicarbonate —–> ions calcium + bicarbonate

La calcite est le principal composant du calcaire (généralement plus de 95 %) et, dans des conditions de surface, le calcaire se dissoudra à des degrés divers (selon les minéraux qu'il contient, autres que la calcite), comme le montre la figure 5.12. Le calcaire se dissout également à des profondeurs relativement faibles sous terre, formant des grottes calcaires. Ceci est discuté plus en détail au chapitre 14, où nous examinons eaux souterraines.

Figure 5.12 Un affleurement calcaire sur l'île Quadra, en Colombie-Britannique. Le calcaire, qui est principalement composé de calcite minérale, a été dissous à des degrés divers dans différentes zones en raison de différences de composition. Les bandes de couleur chamois sont de la roche volcanique, qui n'est pas soluble. [SE]

Exercice 5.2 Altération chimique

Les principaux processus d'altération chimique sont hydrolyse, oxydation, et dissolution. Remplissez le tableau suivant en indiquant quel processus est principalement responsable de chacun des changements d'altération chimique décrits :

Changement chimique Traiter?
Pyrite à hématite
Calcite en ions calcium et bicarbonate
Feldspath à argile
Olivine à serpentine
Pyroxène en oxyde de fer


7.3 Tectonique des plaques et métamorphisme

Tous les processus importants de métamorphisme que nous connaissons peuvent être directement liés aux processus géologiques causés par la tectonique des plaques. Les relations entre la tectonique des plaques et le métamorphisme sont résumées à la figure 7.14, et plus en détail aux figures 7.15, 7.16, 7.17 et 7.19.

Figure 7.14 Environments of metamorphism in the context of plate tectonics: (a) regional metamorphism related to mountain building at a continent-continent convergent boundary, (b) regional metamorphism of oceanic crust in the area on either side of a spreading ridge, (c) regional metamorphism of oceanic crustal rocks within a subduction zone, (d) contact metamorphism adjacent to a magma body at a high level in the crust, and (e) regional metamorphism related to mountain building at a convergent boundary. [SE]

Most regional metamorphism takes place within continental crust. While rocks can be metamorphosed at depth in most areas, the potential for metamorphism is greatest in the roots of mountain ranges where there is a strong likelihood for burial of relatively young sedimentary rock to great depths, as depicted in Figure 7.15. An example would be the Himalayan Range. At this continent-continent convergent boundary, sedimentary rocks have been both thrust up to great heights (nearly 9,000 m above sea level) and also buried to great depths. Considering that the normal geothermal gradient (the rate of increase in temperature with depth) is around 30°C per kilometre, rock buried to 9 km below sea level in this situation could be close to 18 km below the surface of the ground, and it is reasonable to expect temperatures up to 500°C. Metamorphic rocks formed there are likely to be foliated because of the strong directional pressure of converging plates.

Figure 7.15 a: Regional metamorphism beneath a mountain range related to continent-continent collision (typical geothermal gradient). (Example: Himalayan Range) [SE]

At an oceanic spreading ridge, recently formed oceanic crust of gabbro and basalt is slowly moving away from the plate boundary (Figure 7.16). Water within the crust is forced to rise in the area close to the source of volcanic heat, and this draws more water in from farther out, which eventually creates a convective system where cold seawater is drawn into the crust and then out again onto the sea floor near the ridge. The passage of this water through the oceanic crust at 200° to 300°C promotes metamorphic reactions that change the original pyroxene in the rock to chlorite and serpentine. Because this metamorphism takes place at temperatures well below the temperature at which the rock originally formed (

1200°C), it is known as retrograde metamorphism. The rock that forms in this way is known as greenstone if it isn’t foliated, or greenschist if it is. Chlorite ((Mg5Al)(AlSi3)O10(OH)8) and serpentine ((Mg, Fe)3Si2O5(OH)4) are both “hydrated minerals” meaning that they have water (as OH) in their chemical formulas. When metamorphosed ocean crust is later subducted, the chlorite and serpentine are converted into new non-hydrous minerals (e.g., garnet and pyroxene) and the water that is released migrates into the overlying mantle, where it contributes to flux melting (Chapter 3, section 3.2).

Figure 7.16 b: Regional metamorphism of oceanic crustal rock on either side of a spreading ridge. (Example: Juan de Fuca spreading ridge) [SE]

At a subduction zone, oceanic crust is forced down into the hot mantle. But because the oceanic crust is now relatively cool, especially along its sea-floor upper surface, it does not heat up quickly, and the subducting rock remains several hundreds of degrees cooler than the surrounding mantle (Figure 7.17). A special type of metamorphism takes place under these very high-pressure but relatively low-temperature conditions, producing an amphibole mineral known as glaucophane (Na2(Mg3Al2)Si8O22(OH)2), which is blue in colour, and is a major component of a rock known as blueschist.

If you’ve never seen or even heard of blueschist, it’s not surprising. What is surprising is that anyone has seen it! Most blueschist forms in subduction zones, continues to be subducted, turns into eclogite at about 35 km depth, and then eventually sinks deep into the mantle — never to be seen again. In only a few places in the world, where the subduction process has been interrupted by some tectonic process, has partially subducted blueschist rock returned to the surface. One such place is the area around San Francisco the rock is known as the Franciscan Complex (Figure 7.18).

Figure 7.17 c: Regional metamorphism of oceanic crust at a subduction zone. (Example: Cascadia subduction zone. Rock of this type is exposed in the San Francisco area.) [SE]

Figure 7.18 Franciscan Complex blueschist rock exposed north of San Francisco. The blue colour of rock is due to the presence of the amphibole mineral glaucophane. [SE]

Magma is produced at convergent boundaries and rises toward the surface, where it can form magma bodies in the upper part of the crust. Such magma bodies, at temperatures of around 1000°C, heat up the surrounding rock, leading to contact metamorphism (Figure 7.19). Because this happens at relatively shallow depths, in the absence of directed pressure, the resulting rock does not normally develop foliation. The zone of contact metamorphism around an intrusion is very small (typically metres to tens of metres) compared with the extent of regional metamorphism in other settings (tens of thousands of square kilometres).

Figure 7.19 d: Contact metamorphism around a high-level crustal magma chamber (Example: the magma chamber beneath Mt. St. Helens.) e: Regional metamorphism in a volcanic-arc related mountain range (volcanic-region temperature gradient) (Example: The southern part of the Coast Range, B.C.) [SE]

Regional metamorphism also takes place within volcanic-arc mountain ranges, and because of the extra heat associated with the volcanism, the geothermal gradient is typically a little steeper in these settings (somewhere between 40° and 50°C/km). As a result higher grades of metamorphism can take place closer to surface than is the case in other areas (Figure 7.19).

Another way to understand metamorphism is by using a diagram that shows temperature on one axis and depth (which is equivalent to pressure) on the other (Figure 7.20). The three heavy dotted lines on this diagram represent Earth’s geothermal gradients under different conditions. In most areas, the rate of increase in temperature with depth is 30°C/km. In other words, if you go 1,000 m down into a mine, the temperature will be roughly 30°C warmer than the average temperature at the surface. In most parts of southern Canada, the average surface temperature is about 10°C, so at 1,000 m depth, it will be about 40°C. That’s uncomfortably hot, so deep mines must have effective ventilation systems. This typical geothermal gradient is shown by the green dotted line in Figure 7.20. At 10 km depth, the temperature is about 300°C and at 20 km it’s about 600°C.

In volcanic areas, the geothermal gradient is more like 40° to 50°C/km, so the temperature at 10 km depth is in the 400° to 500°C range. Along subduction zones, as described above, the cold oceanic crust keeps temperatures low, so the gradient is typically less than 10°C/km. The various types of metamorphism described above are represented in Figure 7.20 with the same letters (a through e) used in Figures 7.14 to 7.17 and 7.19.

Figure 7.20 Types of metamorphism shown in the context of depth and temperature under different conditions. The metamorphic rocks formed from mudrock under regional metamorphosis with a typical geothermal gradient are listed. The letters a through e correspond with those shown in Figures 7.14 to 7.17 and 7.19. [SE]

By way of example, if we look at regional metamorphism in areas with typical geothermal gradients, we can see that burial in the 5 km to 10 km range puts us in the zeolite [1] and clay mineral zone (see Figure 7.20), which is equivalent to the formation of slate. At 10 km to 15 km, we are in the greenschist zone (where chlorite would form in mafic volcanic rock) and very fine micas form in mudrock, to produce phyllite. At 15 km to 20 km, larger micas form to produce schist, and at 20 km to 25 km amphibole, feldspar, and quartz form to produce gneiss. Beyond 25 km depth in this setting, we cross the partial melting line for granite (or gneiss) with water present, and so we can expect migmatite to form.

Exercise 7.3 Metamorphic Rocks in Areas with Higher Geothermal Gradients

Metamorphic Rock Type Depth (km)
Ardoise
Phyllite
Schist
Gneiss
Migmatite

Figure 7.20 shows the types of rock that might form from mudrock at various points along the curve of the “typical” geothermal gradient (dotted green line). Looking at the geothermal gradient for volcanic regions (dotted yellow line in Figure 7.20), estimate the depths at which you would expect to find the same types of rock forming from a mudrock parent.


One of the major gaps within the field of biogeochemistry is the lack of a detailed and deep understanding of the mechanism behind the microbial inducement of mineral dissolution. The association of microorganisms with the mineral surfaces is an important issue for understanding processes like mineral weathering, biomineralization, bioremediation and biofouling. The present study aims to investigate the performance of attached and unattached soil fungal and bacterial species in biotite weathering and in the selectivity of elements from biotite. Sterilized microplate devices were filled with biotite (> 2 mm) followed by an iron limited liquid growth medium and were inoculated separately with six different microbial species isolated from podzol soil: Erwinia amylovora, Pseudomonas stutzeri, Pseudomonas mendocina, Streptomyces pilosus, Neurospora crassa et Penicillium melinii. The experiment was designed in two set-ups: 1) attached form, in which the microorganisms were inoculated directly to the biotite surface, and 2) unattached form, in which 0.4 μm PET track etched devices were used to separate the microbial cells from the biotite surface.

Our findings indicate that the surface attached microorganisms led to a greater dissolution of elements from biotite than the unattached microorganisms that was evidenced by 1) higher dissolution of Fe, Al and Si, 2) greater decrease in pH of the liquid growth medium, and 3) relatively higher production of siderophores. Furthermore, there was no significant difference in the capability of element selectivity between the attached and unattached microbial forms. The biotite dissolution was promoted initially by complexation processes and later by acidification processes for most of the attached and unattached microorganisms. Thus, we conclude that despite the mineral dissolution induced by microbial attachment on the mineral surface, the element composition of the biotite and nutritional need of the microorganisms were the main factors affecting the element selectivity.


Geochemistry of the Amazon: 2. The influence of geology and weathering environment on the dissolved load

In the Amazon Basin, substrate lithology and erosional regime (seen in terms of transport-limited and weathering-limited denudation) exert the most fundamental control on the chemistry of surface waters within a catchment. Secondary effects, such as the precipitation of salts within soils and in stream beds, biological uptake and release, and cyclic salt inputs, are more difficult to discern. Samples can be separated into four principal groupings based on relationships between total cation charge (TZ+) and geology. (1) Rivers with 0<TZ+<200 μeq/l drain the most intensely weathered materials (Upper Tertiary sediments, soils of the Negro Basin, and similarly weathered regions). These rivers show high levels of Fe, Al, H + , and coloration and are enriched in Si relative to other major species they exhibit cation ratios similar to those of substrate rocks. (2) Rivers with 200<TZ+<450μeq/l drain siliceous terrains. These rivers are also rich in silica relative to other species. Rivers draining weathering-limited siliceous terrains exhibit the highest TZ+ and their cation load is typically preferentially enriched in Na over K and Ca over Mg when compared to the rocks in their catchments. (3) Rivers with 450<TZ+<3000 μeq/l drain marine sediments or red beds with high cation concentrations (resulting from the presence of carbonates and minor evaporites in the Peruvian Andes and reduced shales and minor carbonates in the Bolivian Andes). These rivers exhibit relatively high levels of Ca, Mg, alkalinity, and SO4 (in rivers draining reduced shales and minor evaporites). (4) Rivers with TZ+>3000 μeq/l drain massive evaporites. These rivers are rich in Na and Cl. In the third and fourth categories, rivers tend to have 1:1 (equivalent) ratios of Na:Cl and (Ca+Mg):(alkalinity+SO4), caused primarily by the weathering of carbonates and evaporites. Supplement available with entire article on microfiche. Order from the American Geophysical Union, 2000 Florida Avenue, N.W., Washington, DC 20009. Document C83-002 $2.50. Payment must accompany order.

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