Quá trình phong hóa là quá trình phân hủy đá và khoáng, đồng thời cũng là quá trình tổng hợp nên các khoáng mới. Các đá và khoáng nguyên sinh bị phá hủy bởi sự phân rã vật lý và phân giải hóa học. Nếu không có sự tác động của các thành phần cấu tạo của chúng, đá và khoáng chỉ phân rã vật lý tạo nên các hạt cát và thịt có kích thước nhỏ hơn so với kích thước ban đầu. Nhưng trong quá trình phong hóa vật lý, thành phần hóa học của đá và khoáng được giải phóng thành các chất hòa tan, chúng sẽ tổng hợp nên các loại khoáng mới. Các khoáng mới này có thể bền vững, nhưng cũng có thể tiếp tục bị phân rã và tái tổng hợp lại thành các khoáng khác. Trong quá trình biến đổi hóa học, kích thước các hạt khoáng dần dần nhỏ lại và hòa tan trong dung dịch đất. Các chất hòa tan này có thể bị rửa trôi hoặc tái két hợp lại thành các khoáng thứ sinh.
Các quá trình phong hóa
Quá trình phong hóa có thể phân chia thành 2 loại:
Phong hóa vật lý (sự phân rã).
Là quá trình làm phân rã các các đá và khoáng từ kích thuớc to thành các mảnh vụn, hạt có kích thước nhỏ dần. Trong tự nhiên, có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phong hóa vật lý:
- Nhiệt độ: Do sự thay đổi nhiệt độ giữa ngày và đêm sẽ làm vỡ các cấu trúc khoáng. Sự phá vỡ này do các tính chất co trương khác nhau của loại khoáng khác nhau. Sự thay đổi nhiệt độ sẽ làm các khoáng nứt ra và bị vỡ. Thường bề mặt ngoài của đá luôn chịu sự tác động của nhiệt độ mạnh (nóng hoặc lạnh hơn bên trong), nên một số loại đá thường bị phong hóa bởi sự tróc dần từng lớp vỏ bề mặt.
- Sự bào mòn của nước, băng hà và gió: khi di chuyển với hàm lượng chất lơ lửng cao, nước sẽ có sức bào mòn rất lớn. Điều này dễ nhận thấy trên các tảng đá bị bào mòn dưới lòng sông. Gió bụi, cát và băng hà cũng có thể bào mòn các loại đá.
- Thực vật và động vật: rễ thực vật đôi khi cũng len lõi vào các vết nứt của đá và tách chúng ra, nên đá bị phá vỡ. Động vật đào hang cũng có thể làm vỡ một phần đá. Tuy nhiên, các yếu tố này có ảnh hưởng rất nhỏ đến sự hình thành mẫu chất so với tác động của nước và gió.
Phong hóa vật lý, bào mòn của nước
Phong hóa hóa học (sự phân giải).
Phong hóa vật lý đóng vai trò nổi bật trong sự phong hóa ở các vùng khô, lạnh. Nhưng quá trình phong hóa hóa học rất có ý nghĩa trên các vùng khí hậu nóng ẩm. Tuy nhiên cả 2 quá trình này xảy ra đồng thời và có ảnh hưởng tương hổ lẫn
Phong hóa hóa học do tác động của nước, O2, và các acid hữu cơ và vô cơ được giải phóng từ các hoạt động hóa sinh trong đất. Các tác nhân này tác động làm biến đổi các khoáng nguyên sinh (như felspars và mica) thành khoáng thứ sinh (như sét silicates) và giải phóng các chất dinh dưỡng dưới dạng hòa tan vào dung dịch đất.
Các phản ứng sau đây thường xảy ra trong quá trình phong hóa hóa học
(1) Phản ứng thủy hợp: Các phân tử nước kết hợp với khoáng bằng tiến trình gọi là phản ứng thủy hợp.
Các oxide Fe, và Al ngậm nước (như Al2O3.3H2O) là sản phẩm phổ biến của phản ứng thủy hợp.
(2) Phản ứng thủy phân: trong phản ứng thủy phân, phân tử nước phân ly thành H+ và OH–. H+ và OH– thường thay thế các cation trên cấu trúc khoáng. Ví dụ phản ứng thủy phân của nước đến khoáng microline (một loại khoáng feldspar chứa Kali).
Kali được giải phóng dưới dạng hòa tan và được hấp phụ trên bề mặt các keo đất, hấp phụ bởi thực vật, và rửa trôi. Silicic acid cũng là chất hòa tan nên có thể bị rửa trôi theo nước hoặc tái tổng hợp thành các khoáng thứ sinh như sét silicates.
(3) Phản ứng hòa tan: Nước có khả năng hòa tan nhiều loại khoáng do phản ứng thủy hợp với các cation và anion cho đến khi chúng phân ly và được bao bọc bởi các phân tử nước. Ví dụ sự hòa tan thạch cao trong nước:
(4) Phản ứng Carbonate hóa và các phản ứng chua khác: Cường độ phong hóa sẽ gia tăng khi có sự hiện diện của các acid, do acid làm gia tăng nồng độ ion H+ trong nước. Vì khi sự hoạt động của vi sinh vật giải phóng khí CO2, khí này hòa tan trong nước hình thành carbonic acid, sẽ làm tăng tốc độ hòa tan khoáng calcite trong đá vôi hay đá hoa:
Đất cũng có thể chứa các acid mạnh khác như HNO3, H2SO4, và nhiều acid hữu cơ khác, ion H+ cũng có thể kết hợp với sét trong đất. Các acid này đều góp phần vào phản ứng với các khoáng trong đất.
(5) Oxi hóa-khử: Các khoáng có chứa Fe, Mn và S rất nhạy cảm với các phản ứng oxi hóa khử. Fe nằm trong các khoáng nguyên sinh và dưới dạng có hóa trị 2 Fe(II)(ferrous). Khi các đá này phơi bày ra không khí và nước, Fe sẽ dễ dàng bị oxi hóa (mất 1 điện tử) hình thành Fe(III)(ferric). Nếu Fe bị oxi hóa từ Fe(II) thành Fe(III), do sự thay đổi về hóa trị và bán kính ion sẽ làm cấu trúc tinh thể của khoáng bị mất ổn định, và bị phá vỡ.
Một ví dụ khác là Fe(II) khi được giải phóng từ khoáng có thể bị oxi hóa ngay thành Fe(III), như sự thủy hợp của khoáng olivine giải phóng Fe(II), chúng có thể bị oxi hóa ngay tức khắc thành ferric oxyhydroxide (goethite).
(6) Phản ứng tạo phức chất: các acid hữu cơ được hình thành trong quá trình sinh học trong đất như oxalic, citric, và tartric acid, cũng như các phân tử acid humic và fulvic. Ngoài việc H+ có thể làm hòa tan các khoáng Al, Si, chúng còn có thể tạo phức với Al3+ trong cấu trúc của khoáng silicate (tạo chelate). Bằng cách này, Al3+ được tách ra khỏi khoáng, sau đó chúng sẽ bị biến đổi tiếp. Ví dụ oxalic acid hình thành phức với Al trong khoáng muscovite, khi phản ứng này xảy ra, cấu trúc khoáng muscovite bị phá vỡ và giải phóng ion K+ hòa tan trong dung dịch đất.
Các phản ứng hóa học xảy ra nhanh chóng khi có sự tham gia của các sinh vật đất.
Sự tương tác của các phản ứng hóa học
Các tiến trình phong hóa hóa học khác nhau xảy ra đồng thời và bổ sung cho nhau. Ví dụ, sự thủy phân khoáng nguyên sinh giải phóng Fe(II), Fe(II) nhanh chóng bị oxi hóa thành Fe(III), Fe(III) sẽ bị thủy hợp thành oxide Fe ngậm nước. Phản ứng thủy phân hay tạo phức cũng có thể giải phóng các cation hòa tan, silicic acid, và các hợp chất Fe, Al. Trong môi trường ẩm, các cation và silicic acid sẽ bị mất do rửa trôi. Các chất hòa tan cũng có thể tái tổng hợp thành các sét silicates và các khoáng silicate thứ sinh khác. Bằng tiến trình tổng hợp này, các vật liệu nguyên sinh chuyển dạng thành các hợp chất hình thành nên vật thể đất.
