Erosin de Suelos Semana 2: Definicin

Erosin y Meteorizacin; Meteorizacin fsica

Dr. Andreas Fries

Definicin Erosin / Denudacin y su diferencia:

Erosin o denudacin = Ablacin de rocas y/o suelos

La erosin/ denudacion ocurre, porque la superficie terrestre busca un equilibrio (Base de Erosin).

Erosin = la ablacin en lnea o de gran extensin (local) - La ablacin en lnea se realiza por medio de ros o glaciares. - La ablacin de gran extensin se produce por el viento, el oleaje de los mares o por la lluvia.

Denudacin = ablacin y explanacin de toda la superficie (regional, continental)

El limite entre erosin de gran extensin y denudacin no es bien definida siempre!

a) Erosin fluvial (lnea) = erosin/ablacin de los ros

La intensidad de la erosin fluvial depende de: - Cantidad de agua - Turbulencia y material transportado - Pendiente/ Gradiente de la superficie - Tipo de las rocas subyacentes

Erosin y formacin de valles con el tiempo La depresin del valle = erosin de fondo La ampliacin del valle = erosin de lado

El material obtenido de la meteorizacin fsica o qumica es llevado con el agua.

Procesos de la Erosin

Generalmente la pendiente disminuye hacia la desembocadura y la habilidad del ro para transportar material grandes disminuye (Velocidad del agua). En las montaas los ros pueden transportar bloques y piedras; cerca de la desembocadura solo partculas pequeas.

Todo el material que el rio no puede transportar se deposita! El depsito no solo es una funcin del tamao del material, sino tambin de la velocidad de la corriente.

Diagrama de Hjulstrm

b) Erosin glacial (lnea)

En regiones fras (zona polar o tierras altas) se forman glaciares. Los glaciares se mueven valle abajo como el agua de los ros, pero solo algunos metros por ao. Las formas de erosin y depsito son tpicas, pero limitadas a la extensin del glaciar. Los ros forman valles en forma de V; los glaciares en forma de U!

Parque Nacional Cajas

c) Erosin marina o abrasin (gran extensin) El oleaje del mar deteriora la lnea costal (acantilados) del los continentes y erosiona las rocas. Con el tiempo se forman pequeas o grandes cavernas, las cuales debilitan la roca por debajo.

Otra forma de la erosin y deposito marina ocurre en las playas, donde la arena es llevada de un lugar y depositada en otro lugar.

Terrassa marina

d) Erosin elica o deflacin (gran extensin) El viento causa erosin si transporta material fino en suspensin (polvo o arena). Transporte elico El material transportado erosiona rocas sobre la superficie como una limpieza al chorro de arena. Ese tipo de erosin se encuentra en los desiertos, donde la vegetacin es escasa.

e) Erosin de suelo La erosin del suelo reduce la profundidad del suelo por medio de agua y/o viento. La intensidad depende de:

- Tipo de suelo - Cubertura vegetal - Relieve - Clima

Intensidad de lluvia y la escorrenta superficial! Adems: La influencia humana intensifica la erosin del suelo por la disminucin del la capa vegetal (calva, tala y quema, concentracin parcelaria, compactacin del suelo).

Erosin Splash (por medio de gotas de lluvia)

f) Erosin en masa Se habla de erosin en masa, cuando el material es erosionado por influencia de la gravedad y grandes cantidades de material estn involucrados. Incluyen los fenmenos de desprendimiento, transporte y deposito de grandes masas de suelo y/o rocas.

Existen diferentes tipos de erosin de masa, las cuales dependen de la rapidez del movimiento y del medio de transporte:

- por gravitacin (cada de rocas y piedras; rpido)

- por influencia de agua y hielo (suelo y piedras) a) Rpido (p.ej. Flujos de tierra, avalanchas) b) Lento (p.ej. Reptacin del suelo)

Meteorizacin

Meteorizacin tiene 3 significados:

1) Efecto de los procesos atmosfricas sobre las rocas 2) Adaptacin de las rocas a las condiciones ambientales 3) Preparacin de las rocas para la erosin

La meteorizacin (ingles: weathering) incluye todo los procesos del cambio directo o indirecto del material inorgnico/ roca provocado por el clima.

- Fluctuaciones de la temperatura

- Formacin de hielo

- Fluctuaciones de la humedad

- Efecto de materias qumicas (disueltas en la lluvia o en el agua subterrnea)

Meteorizacin: Como asimilacin de las rocas a las condicionen en la superficie terrestre

La mayora de la rocas se formaron bajo condiciones diferentes comparado con las condiciones en la superficie (Temperatura, Presin y Humedad).

Rocas son descompuestas mas rpido, cuando:

- Muchos procesos diferentes a la meteorizacin actan juntos - La composicin qumica y mineral de la roca es mas compleja

La intensidad de la meteorizacin de una roca fija depende de los siguientes factores:

a) La capacidad de resistencia (solidez fsica y composicin qumica) b) Propiedades de clima c) Accesibilidad de la roca (poros, grietas o fisuras)

Diferencia meteorizacin y erosin: La erosin no afecta las rocas originales (excepciones: desplome de montaa y deflacin); si no capta el material suelto (sedimento, regolito o suelo), porque la energa necesaria es mucho menor (cohesin interior!)!!!

Meteorizacin fsica = cambio del la condicin de las rocas pero no afecta el compuesto qumico Cambio de la textura Cambio del resistencia Cambio de la cohesin interior

Se distinguen dos formas de la meteorizacin:

Meteorizacin qumica = cambio del compuesto qumico de las rocas Descomposicin Formacin de nuevas combinaciones qumicas

Una gran parte del material descompuesto se lleva el agua en disolucin!

En la naturaleza la meteorizacin fsica y qumica actan sobre la misma roca!

Modelo teortico de la meteorizacin fsica y qumica

La cuota de la meteorizacin consta de 2 componentes: - Roca (composicin qumica, solidez y permeabilidad/ accesibilidad) - Regolito (composicin, conductibilidad calorfica, permeabilidad y espesor)

La intensidad de la meteorizacin en general depende, aparte de las propiedades de la roca y el espesor del regolito, de las circunstancias climticas.

- Meteorizacin fsica: propiedades trmicas - Meteorizacin qumica: propiedades hdricas

Las variaciones de temperatura disminuyen exponencialmente con la profundidad (p.ej. calentamiento del Sol, enfriamiento del la nieve).

La meteorizacin fsica es una funcin exponencial negativa del espesor del regolito. Formula:

Donde: Wm = Meteorizacin fsica por tiempo, Wmo = Meteorizacin fsica de una roca descubierta, C = Espesor del regolito, k1 = Parmetro (< 1.0) y e = Base del logaritmo natural Lo mas grueso es C, la mas pequeo es Wm!

Si el regolito no es erosionado, la meteorizacin fsica disminuye continuamente con tiempo, porque el espesor del regolito aumenta. Si la capa del regolito queda fina (por erosin) la meteorizacin fsica queda activa. Erosin > Wm, espesor del regolito disminuye Erosin < Wm, espesor el regolito aumenta Adaptacin de Wm al espesor del regolito = equilibrio dinmico

En la zonas hmedas tropicales se encuentran capas de regolito con gran espesor (algunos m). Erosin < meteorizacin

En lugares donde se encuentran rocas descubiertas la situacin es contraria.

Erosin > meteorizacin Generalmente lugares con rocas descubiertas son pequeos en la superficie terrestre, no solo en las zonas tropicales hmedas.

La meteorizacin qumica llega a su mximo por debajo de una capa de un regolito optimo (Cc). Desde una capa de regolito de C = 0 hasta C = Cc aumenta la tasa de la meteorizacin qumica. El valor de Cc es una funcin del clima y la habilidad del regolito de guardar agua! En regiones hmedas Cc es pequeo, en regiones ridas grande.

La formulacin de los modelos de la meteorizacin qumica es:

Entre C = 0 y C = Cc:

Donde: Wc = Meteorizacin qumica por tiempo, Wco = Meteorizacin qumica sobre una roca descubierta, k2 = Parmetro (>= 2.0), C = Espesor del regolito, Cc = Espesor del regolito optimo

Para C = Cc:

Para C > Cc:

La combinacin de meteorizacin fsica y qumica muestra la situacin sobre las rocas en muchos climas de la Tierra!

Formas de la meteorizacin fsica a) Dilatacin Con una densidad especifica media de 2.7g/cm, la presin sobre una roca situada a gran profundidad es enorme. Al erosionarse, la presin sobre la roca disminuye y la roca se expande hacia arriba y/o a los lados por la falta de carga. Divisin de la roca en bloques paralelepipdicos (Formacin de rupturas o grietas)

b) Expansin y contraccin trmica La variacin entre calentamiento y enfriamiento en la superficie de la roca provoca una expansin y contraccin mnima en el volumen de la roca. La diferencia de la temperatura entre da y noche es mucho mas grande en la superficie de una roca que en el aire (40C de diferencia es muy comn, mas alto en desiertos ~85C). Adems la lluvia enfra la superficie muy rpido.

El coeficiente de la expansin (E) de las rocas es entre 510-6 y 2510-6 . Ejemplo: Roca de 2m de larga, calentamiento/ enfriamiento de 50C:

La roca sufre una expansin/ contraccin de 0.5mm!

Tensiones dentro de la roca, las cuales llevan en resolucin a la divisin de la roca (rupturas).

Dentro de la roca las variaciones de temperatura son mucho menor. La variacin al interior de la roca/ regolito disminuye exponencialmente. Lo mismo vale para los das con una variacin de temperatura sobre 0C. La expansin y la contraccin es mucho menor dentro del suelo comparado con la superficie!

Expansin y contraccin

Rocas descubiertos son mas afectados a estas variaciones que rocas cubiertos con regolito o suelo. Lo mas grueso es la capa de regolito, lo mas protegido es la roca!

Tamao de la roca Sobre bloques y piedras grandes la diferencia de la temperatura entre la superficie y el interior es mayor, porque en comparacin con su masa tienen una superficie pequea. En pierdas pequeas la nivelacin de la temperatura es rpida (menor diferencia de la temperatura interior y exterior) = Menos tensin interior!

Las variaciones diarias de la temperatura afectan los suelos hasta una profundidad de ~50cm; las variaciones anuales ~5m 10m de profundidad.

c) Crecimiento de cristales

1) Fracturacin por Hielo Variaciones de temperatura son mas potentes cuando pasan los 0C y adicionalmente hay humedad presente. Agua alcanza su mxima densidad a los 4C. Bajo 0C el agua se convierte en hielo y se expande por ~10%. La presin que produce la transformacin de agua en hielo dentro los poros y grietas de las rocas llenos de agua, puede dividir bloques grandes en mas pequeos (fracturacin) o liberar granos de la roca.

Las variaciones de la temperatura en las rocas tienen su origen en la superficie terrestre. El agua se congela cerca de la superficie primero, y despus en profundidades mas bajas.

Cuando todas las grietas y poros estn llenos con agua la expansin del hielo presiona el agua liquida en la profundidad (presin criostatico). La presin se transfiere a todas los grietas y poros coherentes La fracturacin de la roca puede llegar mucho mas adentro de la roca que la congelacin (ingles: hydrofracturing)

La fracturacin por hielo es mas importante en las zonas polares, sub-polares y en regiones montaosas!

Fracturacin por Hielo

2) Fracturacin por Sales El agua en los poros y grietas contiene sales solubles, las cuales provienen de la meteorizacin qumica o fueron disueltas en las gotas de lluvia. Cuando evapora el agua, las sales son eliminadas/precipitadas en forma cristalina. Presin de cristalizacin La presin de cristalizacin aumenta cuando los cristales se hidratan (hinchazn). Si ocurre la hidratacin y deshidratacin una y otra vez, la roca se fractura (rocas gneas, rocas metamrficas) o libera de granos (rocas sedimentarias). Este tipo de fracturacin es importante en regiones ridas!

d) Mojadura y secamiento En material arcilloso el agua provoca una hinchazn y la evaporacin un reduccin.

La hinchazn es causada por las molculas del agua, las cuales se acumulan en las partculas de arcilla. La extensin de la hinchazn depende de:

- la cantidad del agua - la cantidad de arcilla - el tipo de arcilla.

Minerales de arcilla con estructura de 3 capas se hinchan mas (p.ej. montmorillonita, 2 capas de laminas de Si4O10 y 1 capa de iones de Al) que minerales de arcilla con estructura de 2 capas (p.ej. caolinita, 1 capa de lamina de SiO4 y 1 capa de iones de Al) La reduccin durante el secamiento provoca grietas, la cuales permiten la penetracin mas profunda del agua durante las prximas lluvias.

En la superficie de rocas arcillosas, rocas sedimentarias con un aglomerantes arcillosos o suelos arcillosos, la mojadura lleva a la descomposicin y inicia la erosin (ingles: slaking).

e) Actividad orgnica La races de las plantas en crecimiento pueden abrir las grietas dentro de las rocas. La celulosa de las paredes de las clulas de las plantas es mas fuerte que muchos metales. Las races alcanzan profundidades de metros!

Los lquenes muertos intensifican la meteorizacin de las rocas tambin, porque dejan un color obscuro en las rocas. Absorcin mas alta que la radiacin solar y calentamiento (Expansin y contraccin trmica) El lodo de los pjaros es generalmente blanco, y con el lodo disminuye el calentamiento en esta parte de la roca. Animales y microorganismos cavan dentro de los suelos y cambian el lugar de las partculas. Aumento de la permeabilidad (aire y agua) del suelo, porque el agua puede penetrar mas profundo.

- El descubrimiento de las rocas en las canteras de piedra y la construccin de carreteras; peor: la excavacin de rocas mediante explosivos. - La construccin de casas y calles esta sellando el suelo y el agua no puede infiltrar. - La agricultura aumenta la porosidad del suelo y la infiltracin aumenta. - Riegos, drenaje y la construccin de pozos cambia el flujo de agua en el suelo y la economa hdrica de las rocas y del suelo.

Pero: El hombre tiene la influencia mas grande sobre la meteorizacin en los ltimos miles de aos!

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