Efnaveðrun og efnarof

Efnaveðrun er molnun og grotnun bergs á staðnum vegna efnahvarfa. Steindir veðrast mishratt. Hraðast leysast þær steindir upp sem kristallast við hátt hitastig í kvikunni. Steindir eins og ólívín, Ca-ríkir plagíóklasar og pýroxen, sem kristallast við hátt hitastig, veðrast auðveldlega en Na- og K-ríkir plagíóklasar og einkum kvars, sem kristallast við enn lægra hitastig, eru meðal þeirra steinda sem veðrun hefur einna minnst áhrif á.

Íslenskt berg er að mestu leyti storkuberg og algengasta bergtegundin er basalt, 80 - 85%. Steindir storkubergs myndast við aðstæður þar sem hitastig er um 900°C - 1100°C og sumar hverjar einnig djúpt í jörðu við mikinn þrýsting. Þessar steindir eru því orkuríkar við þær aðstæður sem ríkja á yfirborði jarðar og því ekki lengur í jafnvægi. Þær leysast því auðveldlega upp og flytjast burt með vatni eða mynda orkulægri veðrunarsteindir. Glerkennt berg eins og eldfjallaaska, gjall og móberg nær ekki að losna við kristöllunarorkuna og er því mun orkuríkara og þar af leiðandi óstöðugra en fullkristallað berg. Það leysist því upp um það bil 10 sinnum hraðar en kristallað berg.

Efnarof kallast það þegar efni í upplausn berast á brott sem jónir með vatni. Hraði efnarofs er mikill hér á landi miðað við meginlöndin eða tvisvar til þrisvar sinnum meiri en þar. Suðvestanlands er árlegt efnarof um 55 tonn/km².

Súrt vatn er góður leysir fyrir margar steindir. Vatnið súrnar þegar efnahvörf valda fjölgun vetnisjóna, H⁺, í vatninu. Yfirborðsvatn súrnar einkum þegar kolsýra, H₂CO₃, klofnar í vatninu en grunnvatn, sem rennur langtímum saman undir yfirborði, fær vetnisjónir sínar einkum þegar kísilsýra, H₄SiO₄, klofnar. Sjá líkingu I og II í töflu |T| og I í töflu |T|.

Með líkingu (I og II) í töflu |T| má lýsa hvernig koltvísýringur (koldíoxíð), CO₂, andrúmsloftsins leysist upp í regnvatni og myndar kolsýru. Aðeins lítill hluti kolsýrunnar klofnar í jónir eins og sýnt er með líkingu II. Við þetta súrnar regnvatnið og fær sýrustigið pH 5,6. Jafnvægi næst þegar 6 · 10^-4 g af kolsýru hafa leyst upp í 1 lítra af hreinu vatni en það nægir til þess að flýta fyrir leysni steinda því þær leysast mun betur upp í súru vatni en hreinu.

Efnaskipti milli vatns og basalts á yfirborði verða einkum þegar súrt regnvatn rennur um bergið og H⁺-jónir ganga inn í steindirnar í stað jónanna Ca⁺², K⁺, Na⁺ og Mg⁺² sem skolast út. Á þennan hátt breytast feldspatar í kaólínít eins og sýnt er í líkingum II og III í töflu |T|. Í sumum tilfellum skolast kísillinn út sem kísílsýra, SiO₂.

Um leið og súrt regnvatnið hvarfast við málmjónirnar á yfirborði jarðar missir það vetnisjónirnar og sýrustigið hækkar smám saman í pH 7 en á því sýrustigi er framleiðsla vetnisjónanna, H⁺, hröðust við klofnun kolsýru, H₂CO₃. Hærra verður sýrustigið ekki vegna þess að jafnvægi milli framleiðslu og upptöku vetnisjóna kemst á við þessar aðstæður.

Súrt regnvatn, sem rennur niður í berggrunninn hér á Íslandi, einangrast fljótlega frá koltvísýringi, CO₂, andrúmsloftsins. Kolsýran hættir því að hafa áhrif á sýrustig vatnsins og það hækkar fljótlega um leið og vetnisjónirnar, H⁺, í vatninu hvarfast við steindir basaltsins. Með hækkandi sýrustigi vatnsins byrjar kísilsýra í vatninu að klofna og myndast þannig vetnisjónir af þeim sökum. Jafnvægi kemst á við pH 9 en þá er framleiðsla vetnisjóna við klofnun kísilsýru og upptaka þeirra í bergið í jafnvægi. Þetta skýrir mismunandi sýrustig í íslenskum ám. Sýrustig dragáa og jökuláa er í kringum pH 7 - 7,5 og stjórnast af klofnun kolsýru í vatninu en sýrustig lindáa er um pH 8,5 - 9,5 og stjórnast af klofnun kísilsýru á meðan vatnið er neðanjarðar.

Efnaveðrun hér á landi er greinilegust við gufu- og leirhveri háhitasvæða. Þar hefur bergið víða umbreyst fullkomlega í leirsteindir og ýmis önnur efnasambönd. ◊ ◊. Ennfremur má nefna mýrarauða ◊ sem myndast þegar járn leysist úr berginu og fellur út sem brúnjárnsteinn, [FeOOH . nH₂O], og ummyndun bergs.

Víða erlendis, þar sem kalksteinslög er að finna í jörðu og loftslag er rakt, leysist kalksteinninn auðveldlega upp í köldu súru grunnvatninu. Geta þannig myndast löng göng eða hellar í kalksteinslögum. ◊ Oft falla þökin niður og mynda niðurföll, svonefnd karst sem nefnd eru eftir kalksteinssvæði með því nafni í Slóveníu.

Upplausn kalks eða kalsíts í súru vatni má lýsa með líkingu III og IV í töflu |T| á bls. 150. Kalsín- og vetniskarbónatjónirnar fljóta burt með grunnvatninu. Þegar grunnvatnsstaðan breytist t.d. vegna rofs tæmast hellarnir oft og í þeim myndast dropasteinar úr kalki og fleiri steindum er vatnið drýpur úr þaki hellanna. ◊ Í lindum, þar sem vatnið úr hellunum kemur undir bert loft, fellur kalkið út þegar CO₂ rýkur úr vatninu út í andrúmsloftið (sbr. líking III, töflu |T| þegar hún gengur til vinstri). Kalk, sem þannig fellur út, er gjarna nefnt lindakalk. Ketilsteinn, sem hvimleiður er í löndum með hörðu drykkjarvatni, það er kalkríku vatni, er af sama toga.

Þannig getur kalsít leyst fullkomlega upp og flotið burt með grunnvatninu en aðrar steindir eins og plagíóklas og kalífeldspatar grotna og breytast í leir eins og kaolínít. Klofnun kalífeldspats og myndun kaólíníts má lýsa með líkingu II, töflu |T|.