風化

凍結風化とは、岩石の露頭内で氷が形成されることによって引き起こされる物理的風化の形態の総称です。長い間、これらのうち最も重要なのは凍結楔作用であると考えられていました。凍結楔作用とは、間隙水が凍結して膨張することによって岩石の亀裂や節理が広がる現象です。理論的および実験的な研究の蓄積により、過冷却水が岩石内に形成される氷のレンズに移動することによって起こる氷の分離の方がより重要なメカニズムであることが示唆されています。^{[ 8 ] [ 9 ] [ 10 ]}

水が凍ると、体積は 9.2% 増加します。この膨張は理論的には200 メガパスカル (29,000 psi)を超える圧力を発生させる可能性がありますが、より現実的な上限は14 メガパスカル (2,000 psi)です。これは、約4 メガパスカル (580 psi)の花崗岩の引張強度よりもはるかに大きい値です。このことから、間隙水が凍結し、その体積膨張によって周囲の岩石が破砕される凍結楔作用は、凍結風化の妥当なメカニズムであると考えられます。氷は、大きな圧力を発生させる前に、まっすぐな開いた亀裂から膨張するだけです。したがって、凍結楔作用は、小さく曲がりくねった亀裂でのみ発生します。^{[ 5 ]}また、岩石はほぼ完全に水で飽和している必要があり、そうでない場合は、氷は圧力をほとんど発生させることなく、不飽和の岩石の空気の隙間に膨張するだけです。これらの条件は非常に特殊であるため、凍結楔作用が凍結風化の主要なプロセスである可能性は低い。^{[ 11 ]}凍結楔作用は、水で飽和した岩石の融解と凍結が毎日繰り返される場所で最も効果的であるため、熱帯、極地、または乾燥気候では重要ではないと考えられる。^{[ 5 ]}   

氷の分離は、物理的風化のメカニズムとしてあまりよく解明されていないものです。^{[ 8 ]}これは、氷粒が常に表面に層を持ち、その層は氷点よりはるかに低い温度でも固体の氷よりも液体の水に似ているため起こります。この融解前の液体層は、岩石の暖かい部分から毛細管現象によって水を吸い込む強い傾向など、特異な性質を持っています。その結果、氷粒が成長し、周囲の岩石にかなりの圧力がかかります。 ^{[ 12 ]}これは、霜による楔作用で想定される圧力の最大10倍にもなります。このメカニズムは、平均温度が氷点直下、-4～-15 ℃（25～5 °F）の岩石で最も効果的です。氷の分離により、岩石の亀裂内に岩石表面に平行な氷針や氷レンズが成長し、徐々に岩石が引き裂かれていきます。^{[ 9 ]}  

熱応力風化は、温度変化による岩石の膨張と収縮によって生じる。熱応力風化は、加熱された岩石部分が周囲の岩石によって支えられ、一方向にのみ自由に膨張できる場合に最も効果的である。^{[ 13 ]}

熱応力風化には、熱衝撃と熱疲労の2 つの主要なタイプがあります。熱衝撃は、応力が非常に大きいため岩石がすぐに割れる場合に発生しますが、これはまれです。より一般的なのは熱疲労で、応力は岩石がすぐに破壊されるほど大きくはありませんが、応力と解放の繰り返しサイクルによって岩石が徐々に弱くなります。温度変動によって岩石の節理が弱まり、岩石が長方形のブロックに割れるブロック崩壊は、熱疲労に起因する可能性があります。^{[ 13 ] [ 10 ]}

熱ストレス風化は、日中の気温差が大きく、昼間は暑く、夜は寒い砂漠 において重要なメカニズムです。 ^{[ 14 ]}そのため、熱ストレス風化は日射風化と呼ばれることもありますが、これは誤解を招きます。熱ストレス風化は、強い日射だけでなく、あらゆる大きな温度変化によって引き起こされる可能性があります。寒冷気候でも、高温乾燥気候と同様に重要であると考えられます。^{[ 13 ]}山火事も、急速な熱ストレス風化の大きな原因となる可能性があります。^{[ 15 ]}

熱応力風化の重要性は、20世紀初頭の実験でその影響が重要でないように見えたことから、地質学者によって長らく軽視されてきた。 ^{[ 5 ] [ 9 ]}これらの実験は、岩石サンプルが小さく、研磨されており（亀裂の核生成が減少する）、支えられていなかったため、その後非現実的であると批判されている。そのため、これらの小さなサンプルは、実験用オーブ​​ンで加熱されるとあらゆる方向に自由に膨張することができ、自然環境で起こりそうな種類の応力を発生させることができなかった。また、これらの実験は熱疲労よりも熱衝撃に敏感であったが、熱疲労は自然界ではより重要なメカニズムであると考えられる。地形学者は、特に寒冷気候において、熱応力風化の重要性を改めて強調し始めている。^{[ 13 ]}

圧力解放または除荷は、深く埋もれた岩石が地表に露出したときに見られる物理的風化の一形態です。花崗岩などの貫入火成岩は、地球の表面の奥深くで形成されます。それらは、上層の岩石物質のために非常に大きな圧力を受けています。侵食によって上層の岩石物質が除去されると、これらの貫入岩が露出し、それらにかかっていた圧力が解放されます。すると、岩石の外側の部分は膨張する傾向があります。この膨張によって応力が発生し、岩石の表面に平行な亀裂が形成されます。時間が経つにつれて、露出した岩石から亀裂に沿って岩石のシートが剥がれ落ちます。このプロセスは剥離として知られています。圧力解放による剥離は、シート剥離とも呼ばれます。^{[ 16 ]}

熱風化と同様に、圧力解放は支柱岩で最も効果的です。この場合、支柱のない表面に向かう差応力は最大で35メガパスカル（5,100 psi）にもなり、岩石を粉砕するのに十分です。このメカニズムは、鉱山や採石場での剥離や、岩の露頭での節理の形成にも関係しています。 ^{[ 17 ]} 

上層の氷河の後退も、圧力解放による剥離を引き起こす可能性がある。これは他の物理的な摩耗メカニズムによって促進される可能性がある。^{[ 18 ]}

塩の結晶化（塩風化、塩楔作用、またはハロクラスティとも呼ばれる）は、塩水溶液が岩石の亀裂や節理に浸透して蒸発し、塩の結晶を残すことで岩石の崩壊を引き起こします。氷の分離と同様に、塩の粒子の表面は毛細管現象によってさらに溶解した塩を引き込み、周囲の岩石に高い圧力をかける塩レンズの成長を引き起こします。ナトリウム塩とマグネシウム塩は、塩風化を引き起こすのに最も効果的です。塩風化は、堆積岩中の黄鉄鉱が化学的に風化して硫酸鉄(II)と石膏になり、それが塩レンズとして結晶化する場合にも起こります。^{[ 9 ]}

塩の結晶化は、蒸発によって塩が濃縮される場所ならどこでも起こり得る。そのため、強い加熱によって強い蒸発が起こる乾燥気候や海岸沿いで最もよく見られる。 ^{[ 9 ]}塩の風化は、洞窟状の岩石風化構造であるタフォニの形成において重要であると考えられる。 ^{[ 19 ]}

生物は機械的風化だけでなく化学的風化にも寄与する可能性がある（下記の§ 生物風化を参照）。地衣類やコケ類は、ほぼむき出しの岩石表面に生育し、より湿潤な化学的微小環境を作り出す。これらの生物が岩石表面に付着することで、岩石表面の微細層の物理的および化学的分解が促進される。地衣類は、菌糸（根のような付着構造）でむき出しの頁岩から鉱物粒子を剥がし、その破片を体内に引き込むことが観察されている。この過程は「摘み取り」と呼ばれている^{[ 16 ]}。そして破片は体内で消化に似た化学的風化の過程を経る^{[ 20 ]} 。より大きなスケールでは、岩の割れ目に芽生えた実生や植物の根が物理的な圧力をかけるとともに、水や化学物質の浸透経路を提供する^{[ 7 ] 。}

溶解（単純溶解または同質溶解とも呼ばれる）は、鉱物が新しい固体物質を生成せずに完全に溶解するプロセスです。^{[ 24 ]}雨水は岩塩や石膏などの可溶性鉱物を容易に溶解しますが、十分な時間があれば石英などの非常に溶解しにくい鉱物も溶解することができます。^{[ 25 ]}水は結晶内の原子間の結合を切断します。^{[ 26 ]}

石英溶解の全体反応は

SiO₂ + _2H₂O → _{H₄SiO₄​}​_​

溶解した石英はケイ酸の形態をとる。

特に重要な溶解形態は炭酸塩溶解であり、これは大気中の二酸化炭素が溶液風化を促進する。炭酸塩溶解は、石灰岩やチョークなど、炭酸カルシウムを含む岩石に影響を与える。これは、雨水が二酸化炭素と結合して弱酸である炭酸を形成し、炭酸カルシウム（石灰岩）を溶解して可溶性の重炭酸カルシウムを形成するときに起こる。反応速度は遅いものの、このプロセスは低温で熱力学的に有利である。これは、冷たい水にはより多くの溶解二酸化炭素ガスが含まれるためである（ガスの逆行溶解度による）。したがって、炭酸塩溶解は氷河風化の重要な特徴である。^{[ 27 ]}

炭酸塩の溶解には以下の手順が含まれます。

CO₂ + _H₂O → _H₂CO₃​​_​

二酸化炭素 + 水 → 炭酸

H ₂ CO ₃ + CaCO ₃ → Ca(HCO ₃ ) ₂

炭酸 + 炭酸カルシウム → 炭酸水素カルシウム

節理の発達した石灰岩の表面で炭酸塩が溶解すると、石灰岩の舗装が浸食される。このプロセスは節理に沿って最も効果的であり、節理を広げ、深くする。^{[ 28 ]}

汚染されていない環境では、二酸化炭素が溶け込んでいるため、雨水の pHは約5.6です。酸性雨は、二酸化硫黄や窒素酸化物などのガスが大気中に存在するときに発生します。これらの酸化物は雨水中で反応してより強い酸を生成し、pHを4.5または3.0まで低下させる可能性があります。二酸化硫黄（SO ₂）は火山噴火または化石燃料から発生し、雨水中で硫酸になり、雨が降る岩石の溶解風化を引き起こす可能性があります。^{[ 29 ]}

加水分解（不均一溶解とも呼ばれる）は、鉱物の一部のみが溶解する化学的風化の一形態である。鉱物の残りの部分は、粘土鉱物などの新しい固体物質に変化する。^{[ 30 ]}例えば、フォルステライト（マグネシウムオリビン）は加水分解されて固体のブルサイトと溶解したケイ酸になる。

Mg₂SiO₄ + 4H₂O _{⇌ 2Mg} ( _OH ) _₂ + _{H₄SiO₄​}

フォルステライト + 水 ⇌ ブルサイト + ケイ酸

鉱物の風化における加水分解の大部分は酸加水分解であり、酸性水に存在するプロトン（水素イオン）が鉱物結晶の化学結合を攻撃する。^{[ 31 ]}鉱物中の異なる陽イオンと酸素イオン間の結合は強度が異なり、最も弱い結合が最初に攻撃される。その結果、火成岩中の鉱物は、最初に形成されたのとほぼ同じ順序で風化する（ボーエンの反応系列）。^{[ 32 ]}相対的な結合強度は次の表に示す。^{[ 26 ]}

この表は風化の順序の概略を示すものです。イライトなどの鉱物は非常に安定していますが、ケイ素と酸素の結合の強さを考えると、シリカは非常に不安定です。^{[ 33 ]}

水に溶けて炭酸を形成する二酸化炭素はプロトンの最も重要な供給源ですが、有機酸も酸性の重要な天然源です。^{[ 34 ]}溶解した二酸化炭素からの酸加水分解は炭酸化と呼ばれることもあり、一次鉱物が二次炭酸塩鉱物に風化する結果となることがあります。^{[ 35 ]}例えば、フォルステライトの風化によって、反応によりブルサイトの代わりにマグネサイトが生成されることがあります。

Mg₂SiO₄ ₊ 2CO₂ + _2H₂O ⇌ _2MgCO₃ + _{H₄SiO₄​}​_​​_​

フォルステライト + 二酸化炭素 + 水 ⇌ マグネサイト + ケイ酸溶液

炭酸はケイ酸塩風化によって消費され、重炭酸塩のためにアルカリ性の溶液が生成される。これは大気中の_CO2量を制御する上で重要な反応であり、気候に影響を与える可能性がある。^{[ 36 ]}

ナトリウムイオンやカリウムイオンなどの溶解度の高い陽イオンを含むアルミノケイ酸塩は、酸加水分解の際に溶解した重炭酸イオンとして陽イオンを放出する。

2 KAlSi ₃ O ₈ + 2 H ₂ CO ₃ + 9 H ₂ O ⇌ Al ₂ Si ₂ O ₅ (OH) ₄ + 4 H ₄ SiO ₄ + 2 K ⁺ + 2 HCO ₃ ⁻

正長石（アルミノケイ酸塩長石）＋炭酸＋水 ⇌カオリナイト（粘土鉱物）＋溶液中のケイ酸＋溶液中のカリウムイオンと重炭酸イオン

風化環境下では、さまざまな金属の化学的酸化が起こります。最も一般的に観察されるのは、酸素と水によるFe ²⁺ (鉄) の酸化で、ゲータイト、リモナイト、ヘマタイトなどのFe ³⁺酸化物や水酸化物が形成されます。これにより、影響を受けた岩石の表面は赤褐色になり、崩れやすくなり、岩石が弱くなります。他の多くの金属鉱石や鉱物も酸化および水和して着色した堆積物を生成します。例えば、黄銅鉱や CuFeS ₂などの硫化物鉱物の風化中に硫黄が酸化されて水酸化銅や酸化鉄になる場合などです。^{[ 37 ]}

鉱物の水和は、水分子またはH+イオンとOH-イオンが鉱物の原子や分子に強固に結合する化学的風化の一形態である。顕著な溶解は起こらない。例えば、酸化鉄は水酸化鉄に変化し、無水石膏の水和によって石膏が形成される。^{[ 38 ]}

鉱物のバルク水和は溶解、加水分解、酸化に比べて重要度は低いが、結晶表面の水和は加水分解の重要な第一歩である。 ^{[ 37 ]}鉱物結晶の新鮮な表面には、電荷が水分子を引き付けるイオンが露出している。これらの分子の一部は、露出した陰イオン（通常は酸素）に結合する H+ と、露出した陽イオンに結合する OH- に分解される。これにより表面がさらに破壊され、さまざまな加水分解反応を受けやすくなる。追加のプロトンが表面に露出した陽イオンを置き換え、陽イオンを溶質として遊離させる。陽イオンが除去されるにつれて、ケイ素-酸素結合とケイ素-アルミニウム結合が加水分解を受けやすくなり、ケイ酸と水酸化アルミニウムが遊離して浸出したり、粘土鉱物を形成したりする。^{[ 33 ] [ 39 ]}実験室での実験では、長石結晶の風化は結晶表面の転位やその他の欠陥から始まり、風化層はわずか数原子の厚さであることが示されている。鉱物粒子内の拡散は重要ではないようである。^{[ 40 ]}

 鉱物の風化は、土壌微生物によっても開始または促進されることがあります。土壌微生物は、一般的な土壌の約 10 mg/cm ³を占めており、実験室での実験では、アルバイトと白雲母は、無菌土壌に比べて生きた土壌では 2 倍の速さで風化することが実証されています。岩石上の地衣類は、化学的風化の最も効果的な生物学的要因の 1 つです。^{[ 34 ]}例えば、米国ニュージャージー州の角閃石花崗岩に関する実験的研究では、地衣類で覆われた表面の下では、最近露出したむき出しの岩石表面と比較して、風化速度が 3 倍から 4 倍増加することが実証されています。^{[ 41 ]}

生物風化の最も一般的な形態は、植物によるキレート化合物（特定の有機酸やシデロフォアなど）および二酸化炭素と有機酸の放出によって生じます。根は、粘土鉱物へのCO _{2の吸着と土壌からの}CO ₂の非常に遅い拡散速度によって、土壌ガス全体の 30% まで二酸化炭素のレベルを蓄積することができます。^{[ 42 ]} CO ₂と有機酸は、その下の土壌中のアルミニウムと鉄を含む化合物の分解を助けます。根は負の電荷を持ち、根の近くの土壌中のプロトンによってバランスが取られており、これらはカリウムなどの必須栄養素の陽イオンと交換することができます。[ ^{43 ]}土壌中の枯れた植物の腐敗した残骸は、有機酸を生成する可能性があり、それが水に溶けると化学的風化を引き起こします。^{[ 44 ]キレート化合物、主に低分子量の}有機酸は、むき出しの岩石表面から金属イオンを除去することができ、アルミニウムとケイ素は特に影響を受けやすいです。^{[ 45 ]}地衣類はむき出しの岩を分解する能力により、乾燥地の最初の定着者の一つとなる。^{[ 46 ]}キレート化合物の蓄積は周囲の岩や土壌に容易に影響を与え、土壌のポドゾル化につながる可能性がある。^{[ 47 ] [ 48 ]}

樹木の根系に共生する菌根菌は、アパタイトや黒雲母などの鉱物から無機栄養素を放出し、これらの栄養素を樹木に供給することで、樹木の栄養に貢献します。^{[ 49 ]} また、細菌群集が鉱物の安定性に影響を与え、無機栄養素の放出につながることも最近明らかになりました。^{[ 50 ]}さまざまな属の幅広い細菌株または群集が鉱物表面に定着したり、鉱物を風化させたりできることが報告されており、その一部では植物の成長促進効果が実証されています。^{[ 51 ]} 細菌が鉱物を風化させるために使用する実証済みまたは仮説上のメカニズムには、いくつかの酸化還元反応と溶解反応、およびプロトン、有機酸、キレート分子などの風化剤の生成が含まれます。