Basalt weathering @ Nossa Senhora EarthCache

Intemperismo do basalto em Nossa Senhora

Esta cache terrestre leva-o até à igreja de Nossa Senhora do Monte, no alto da capital da Madeira, Funchal. A melhor maneira de chegar aqui, a partir do vale, é de teleférico ou de autocarro.

Tanto as paredes da igreja como a escadaria que leva até ela foram construídas em basalto. Os 68 degraus, alguns dos quais com uma inclinação acentuada, remontam à igreja original construída em 1741. No entanto, esta foi tão danificada pelo forte terramoto de 1 de abril de 1748 que teve de ser parcialmente demolida e reconstruída. A Nossa Senhora, simplesmente mobilada, só foi concluída em 1818 e alberga, desde 1922, os restos mortais do imperador austríaco Carlos I, embora o seu coração tenha sido sepultado na Suíça. (1),(2)

Nossa Senhora do Monte (©TingelTangelJoe)

Basalt weathering at Nossa Senhora

This Earth Cache leads you to the church Nossa Senhora do Monte high above the capital of Madeira, Funchal. The best way to get here from the valley is either by cable car or by bus.

Both the church and the steps leading up to it are built of basalt. The 68 steps, some of which are heavily inclined, date back to the original church built in 1741. On 1st April 1748 it was so badly damaged by a strong earthquake that it had to be partially dismantled and rebuilt. The simply furnished Nossa Senhora was finally completed in 1818 and houses the remains of the Austrian Emperor Charles I since 1922. However, his heart was buried in Switzerland. (1),(2)

(2)
Kaiser Karl I. of Austria

Basaltverwitterung bei der Nossa Senhora

Dieser Earth-Cache führt euch zur Kirche Nossa Senhora do Monte hoch über Madeiras Hauptstadt Funchal. Am besten gelangt ihr vom Tal hierher entweder mit der Seilbahn oder mit dem Bus.

Sowohl das Gemäuer der Kirche als auch die hinaufführende Treppe wurden aus Basalt erbaut. Die 68 teilweise stark geneigten Stufen stammen noch von der ursprünglich im Jahre 1741 erbauten Kirche. Diese wurde jedoch am 01. April 1748 durch ein starkes Erdbeben so stark beschädigt, dass sie teils abgerissen und neu erbaut werden musste. Erst 1818 wurde die schlicht eingerichtete Nossa Senhora fertig gestellt und beherbergt seit 1922 die Gebeine des österreichischen Kaisers Karl I., dessen Herz jedoch in der Schweiz bestattet wurde. (1),(2)

Tarefas:

No entanto, desde a construção da escadaria e das paredes da igreja, os vestígios da transitoriedade, sob a forma de intempéries, roeram inevitavelmente as rochas basálticas. A sua tarefa é reconhecê-las com as informações da listagem e enviar-me as respostas às seguintes perguntas. A melhor forma de o fazer é através do Centro de Mensagens. Pode iniciar sessão imediatamente - se houver algum problema, eu entrarei em contacto consigo.

1) Que sinais de degradação podem ser reconhecidos nos degraus?

2) Que sinais de degradação são visíveis nas paredes da igreja?

3) Porque é que acha que existe uma diferença tão grande entre os dois locais?

4) Além disso, carregue uma fotografia sua, do seu GPS ou de outro objeto pessoal com o seu registo. Não é necessário que sejas reconhecível, mas a igreja ou as escadas sim.

Your tasks:

Since the construction of the stairs and the church, the basaltic rocks got weathered due to wind, weather and humans. Your task is to recognize the alteration with the information from the listing and send me the answers to the following questions. This works best via the message center. Then you can log in immediately – if something is wrong, I'll get back to you.

1) What weathering can you see on the steps?

2) What weathering can you see on the church wall?

3) Why do you think there is such a difference between the two places?

4) In addition, you have to upload a photo of you, your GPS, or another personal item with your log. You don't have to be recognizable, but the church or the steps do have to be visible.

Deine Aufgaben:

Seit der Erbauung von Treppe und Kirchengemäuer nagten an den basaltischen Gesteinen jedoch unweigerlich die Spuren der Vergänglichkeit in Form von Verwitterung. Deine Aufgabe ist es, diese mit den Informationen aus dem Listing zu erkennen und mir die Antworten auf die folgenden Fragen zuzusenden. Dies funktioniert am besten über das Message Center. Anschließend kannst du sofort loggen – falls etwas nicht stimmen sollte, melde ich mich.

1) Welche Verwitterungserscheinungen kannst du an den Stufen erkennen?

2) Welche Verwitterungserscheinungen kannst du am Gemäuer der Kirche erkennen?

3) Weshalb denkst du, dass zwischen den beiden Orten so ein Unterschied auftritt?

4) Zusätzlich ist ein Foto von dir, deinem GPS oder einem anderen persönlichen Gegenstand mit deinem Log hochzuladen. Du musst dabei nicht zu erkennen sein, die Kirche oder die Treppe jedoch schon.

Descrição geral do basalto

O basalto é uma rocha ígnea formada pela solidificação de lava derretida. É a rocha predominante na Madeira e, de um modo geral, um dos tipos de rocha mais comuns na Terra e constitui uma evidência da atividade vulcânica. (3)

O basalto pode apresentar-se com diferentes composições minerais e químicas. Em termos simples, isto deve-se à composição das rochas de origem que foram fundidas para formar a lava, bem como à rocha que envolve a rocha fundida no interior do vulcão. (4)

(3)

Todas elas têm em comum as seguintes caraterísticas (3),(4):

• Cor escura: O basalto é constituído principalmente por minerais escuros em percentagens variáveis. Os mais importantes são o piroxénio, o anfibólio e a olivina. Os basaltos têm, portanto, uma cor escura - do preto ao cinzento escuro.
• Textura de grão fino: O basalto tem uma textura de grão fino, os grãos minerais individuais não são visíveis a olho nu. Este facto deve-se ao rápido arrefecimento da lava basáltica à superfície da terra.
• Resistência: O basalto é conhecido pela sua durabilidade e resistência, o que o torna ideal para materiais de construção. É geralmente muito resistente ao desgaste, à erosão e às intempéries, embora esta resistência dependa muito da composição química e mineral.
• Alta densidade: O basalto tem uma densidade relativamente alta, entre 2,7 e 3,0 gramas por centímetro cúbico. Este facto torna-o uma rocha pesada e densa e, por isso, um importante material de construção.

Basaltos de Nossa Senhora do Monte

Como já foi referido na introdução, tanto a escadaria como as paredes da igreja são feitas de pedras de basalto. No entanto, as pedras não são apenas visualmente muito diferentes umas das outras, existem também dois tipos diferentes de basalto em termos de mineralogia e química:

Enquanto a igreja foi construída com basalto tholeiitic, a escadaria é feita de basalto alcalino (5). Gostaria de vos mostrar as diferenças mais importantes entre estes dois tipos:

Basalto toleítico: Ocorre principalmente nas cristas médio-oceânicas e nas ilhas oceânicas. A sua composição química caracteriza-se por um baixo teor de álcalis e um elevado teor de ferro e manganês. Do ponto de vista mineralógico, contém principalmente piroxénio e olivina. Este facto confere-lhe uma cor nitidamente escura. (6),(7)

(7)

Basalto alcalino: Ocorre principalmente em ilhas oceânicas e especialmente em arcos de ilhas. Na sua composição química, difere do basalto tholeiitic principalmente pelo seu maior teor de álcalis (sódio e potássio) e menor teor de sílica (SiO2). Do ponto de vista mineralógico, caracteriza-se sobretudo por um elevado teor de plagioclase e feldspatóides. Em comparação com o basalto tholeiitic, este facto confere-lhe uma cor mais clara. (7),(8)

(7)

A figura seguinte mostra graficamente a relação entre os álcalis (Na2O e K2O) e a sílica (SiO2) para a formação dos tipos de basalto.

(8)

Intemperismo das rochas basálticas

Basicamente, distinguem-se os três tipos de meteorização seguintes: (9)

Intemperismo físico: A rocha é removida ou decomposta por processos puramente físicos. Todos os minerais que formam a rocha permanecem intactos. Exemplos disto são a meteorização térmica (expansão dos minerais a diferentes temperaturas), a meteorização pelo gelo (a água gelada provoca fissuras) e a erosão mecânica por remoção contínua.

Intemperismo químico: Os minerais da rocha são alterados por uma reação química. Exemplos disto são a meteorização por ácido carbónico (reação com CO2) e a hidrólise (reação com iões de água).

Intemperismo biogénico: A rocha é decomposta por microorganismos, plantas ou fungos. Exemplos disto são a desintegração por raízes de plantas em crescimento e processos de decomposição superficial por musgos ou líquenes.

Dependendo do tipo de rocha, predominam diferentes tipos de meteorização. Existem também diferenças na suscetibilidade à meteorização entre rochas basálticas. Regra geral, quanto maior for o teor de álcalis (especialmente sódio, potássio e lítio), maior será a tendência para reagir com substâncias ambientais. Em geral, os seguintes tipos de meteorização são mais prevalentes nos basaltos: (9),(10),(11)

• Erosão mecânica causada pelo vento, água, gelo ou atividade humana: Nos processos de erosão natural, as grandes superfícies rochosas são lenta e continuamente erodidas por grãos mais pequenos. O oposto é a erosão antropogénica, em que a meteorização é causada pela atividade humana.
  (9)

• Intemperismo por ácido carbónico: Aqui, os minerais de silicato do basalto (principalmente plagioclásio, piroxénio e olivina) reagem com o CO2 do ar. A presença de água é importante neste caso. Uma reação química converte o silicato (mineral à base de silício) num carbonato (mineral à base de carbono). Isto resulta em precipitados brancos micro a macroscópicos e no aumento da porosidade.
  (12)

• Verniz de deserto: Este tipo de meteorização cria um revestimento tipo verniz na superfície do basalto. É o resultado da hidrólise, em que a rocha reage com iões de água, pelo que o manganês e o ferro são dissolvidos do basalto e precipitados na superfície.
  (9)

• Líquenes: Trata-se de uma simbiose (vida em conjunto) de fungos e algas. Crescem à superfície dos basaltos. Como produto de excreção, produzem o ácido oxálico, altamente agressivo, que ataca os minerais e pode mesmo decompô-los. Isto resulta em fenómenos de oxidação e corrosão na superfície da rocha.
  (9)

General description of basalt

Basalt is an igneous rock that is formed by the solidification of molten lava. It is the predominant rock on Madeira and generally one of the most common rock types on earth, and is evidence of volcanic activity. (3)

Basalt can occur in different mineral and chemical compositions. This is caused, on the one hand, by the composition of the source rocks that were melted into lava and, on the other hand, by the rock that surrounds the molten rock inside the volcano. (4)

(3)

They all have the following characteristics (3), (4):

• Dark color: Basalt consists mainly of dark minerals in varying percentages. The most important of these are pyroxene, amphibole and olivine. This is why basalts appear quite dark in color, ranging from black to dark gray.
• Fine-grained texture: Basalt has a fine-grained texture, with individual mineral grains not visible to human eyes. This is due to the rapid cooling of the basalt lava on the earth's surface.
• Durability: Basalt is known for its durability and strength, making it ideal as a building material. It is generally very resistant to wear, erosion and weathering, although this resistance depends to a large extent on its chemical and mineral composition.
• High density: basalt has a relatively high density between 2.7 and 3.0 grams per cubic centimeter. This makes it a heavy and dense rock and thus an important building material.

Basalts of Nossa Senhora do Monte

As mentioned in the introduction, both the stairs and the church are made of basalt stones. However, the stones are not only visually distinct from each other, they are also mineralogically and chemically two different types of basalt:

While the church was built with tholeiitic basalt, the staircase is made of alkali basalt (5). I will now show you the most important differences between these two types:

Tholeiitic basalt: This type of basalt is mainly found in mid-ocean ridges and oceanic islands. Its chemical composition is characterized by a low content of alkalis and high contents of iron and manganese. From a mineralogical point of view, it mainly contains pyroxene and olivine. These minerals are responsible for its dark color. (6),(7)

(7)

Alkaline basalt: This type of basalt is mainly found on oceanic islands and particularly in island arcs. In terms of its chemical composition, it differs from tholeiitic basalt mainly in its higher alkali content (sodium and potassium) and lower silica content (SiO2). From a mineralogical point of view, it is characterized mainly by high contents of plagioclases and feldspathoids. Compared to tholeiitic basalt, this results in a lighter color. (7),(8)

(7)

The following figure shows graphically the relationship between alkalis (Na2O and K2O) and silica (SiO2) for the formation of the basalt types.

(8)

Weathering of basaltic rocks

In principle, the following three types of weathering are distinguished: (9)

Physical weathering: The rock is eroded or decomposed by purely physical processes. All rock-forming minerals remain intact. Examples of this are thermal weathering (different temperature expansion of the minerals), frost weathering (freezing water causes bursting), and mechanical erosion by continuous removal.

Chemical weathering: In this process, the minerals of the rock are altered by a chemical reaction. Examples are carbonation (reaction with CO2) and hydrolysis (reaction with water ions).

Biogenic weathering: The rock gets destroyed by microorganisms, plants or fungi. Examples of this are root blast by growing plant roots and surface decomposition processes by mosses or lichens.

Depending on the type of rock, different types of weathering dominate. Even among basalt rocks, there are differences in susceptibility to weathering. As a rule of thumb, the higher the proportion of alkalis (especially sodium, potassium and lithium), the greater the tendency to react with environmental substances. In general, the following weathering types are dominant in basalts: (9), (10), (11)

• Mechanical erosion by wind, water, ice or human activities: In natural erosion processes, large rock surfaces are slowly and continuously eroded by smaller grains. In contrast to this, anthropogenic erosion is the result of weathering caused by human activity.
  (9)

• Carbonic acid weathering: In this process, the silicate minerals in basalt (mainly plagioclase, pyroxene and olivine) react with CO2 from the air. The presence of water is important here. Through a chemical reaction, the silicate (silicon-based mineral) is converted into a carbonate (carbon-based mineral). This results in microscopic to macroscopic white precipitates and increased porosity.
  (12)

• Desert varnish: This type of weathering results in a varnish-like coating on the surface of the basalt. It is the result of hydrolysis, in which the rock reacts with water ions, causing manganese and iron to be dissolved out of the basalt and deposited on the surface.
  (9)

• Lichen: Lichens are a symbiosis (coexistence) of fungi and algae. They grow on the surface of basalts. As a waste product, they produce the highly aggressive oxalic acid, which attacks and even dissolves minerals. This results in oxidation and corrosion phenomena on the rocks' surface.
  (9)

Allgemeine Beschreibung von Basalt

Bei Basalt handelt es sich um ein magmatisches Gestein, welches durch die Erstarrung von geschmolzener Lava entsteht. Es ist das vorherrschende Gestein auf Madeira sowie allgemein eine der häufigsten Gesteinsarten der Erde und zeugt von vulkanischer Aktivität. (3)

Basalt kann in unterschiedlicher mineralischer und chemischer Zusammensetzung auftreten. Dafür verantwortlich sind – einfach gesagt – einerseits die Zusammensetzung der Ausgangsgesteine, welche zur Lava aufgeschmolzen wurden, sowie andererseits das Gestein, welches im Inneren des Vulkans die Gesteinsschmelze umgibt. (4)

(3)

Ihnen allen gemeinsam sind die folgenden Merkmale (3),(4):

• Dunkle Farbe: Basalt besteht hauptsächlich aus dunklen Mineralien in unterschiedlichen prozentuellen Anteilen. Die wichtigsten sind dabei Pyroxen, Amphibol und Olivin. Somit erscheinen die Basalte in dunkler Farbe – von Schwarz bis Dunkelgrau.
• Feinkörnige Textur: Basalt hat eine feinkörnige Textur, die einzelnen Mineralkörner sind nicht mit bloßem Auge sichtbar. Dies ist auf die schnelle Abkühlung der Basaltlava an der Erdoberfläche zurückzuführen.
• Beständigkeit: Basalt ist für seine Haltbarkeit und Festigkeit bekannt und eignet sich daher ideal für Baumaterialien. Er ist im Allgemeinen sehr beständig gegen Verschleiß, Erosion und Verwitterung, wobei diese Beständigkeit stark von der chemischen und mineralischen Zusammensetzung abhängig ist.
• Hohe Dichte: Basalt hat eine relativ hohe Dichte zwischen 2.7 und 3.0 Gramm pro Kubikzentimeter. Dies macht ihn zu einem schweren und dichten Gestein und damit zu einem wichtigen Baustoff.

Basalte der Nossa Senhora do Monte

Wie bereits einleitend erwähnt, bestehen sowohl die Treppe als auch das Kirchengemäuer aus Basaltsteinen. Die Steine unterscheiden sich jedoch nicht nur rein optisch deutlich voneinander, auch mineralogisch und chemisch liegen hier zwei unterschiedliche Basalttypen vor:

Während die Kirche mit tholeiitischem Basalt erbaut wurde, besteht die Treppe aus Alkali-Basalt (5). Die wichtigsten Unterschiede dieser beiden Typen möchte ich dir hiermit aufzeigen:

Tholeiitischer Basalt: Er kommt hauptsächlich in mittelozeanischen Rücken und auf ozeanischen Inseln vor. In seiner chemischen Zusammensetzung ist er gekennzeichnet durch einen niedrigen Gehalt an Alkalien und hohe Gehalte an Eisen und Mangan. Aus mineralogischer Sicht weist er vor allem Pyroxen und Olivin auf. Dies sorgt für seine ausgesprochen dunkle Farbe. (6),(7)

(7)

Alkali-Basalt: Er kommt hauptsächlich auf ozeanischen Inseln und ganz besonders in Inselbögen vor. In seiner chemischen Zusammensetzung unterscheidet er sich vom tholeiitischen Basalt vor allem in einem höheren Gehalt an Alkalien (Natrium und Kalium) sowie durch geringere Anteile an Kieselsäure (SiO2). Aus mineralogischer Sicht zeichnet er sich vor allem durch hohe Gehalte von Plagioklasen und Feldspatoiden aus. Verglichen mit dem Tholeiitischen Basalt sorgt dies für eine hellere Farbe. (7),(8)

(7)

Nachfolgendes Bild zeigt grafisch den Zusammenhang von Alkalien (Na2O und K2O) und Kieselsäure (SiO2) zur Ausbildung der Basaltarten.

(8)

Verwitterung von basaltischen Gesteinen

Grundsätzlich werden die drei folgenden Arten von Verwitterung unterschieden: (9)

Physikalische Verwitterung: Das Gestein wird durch rein physikalische Vorgänge abgetragen bzw. zersetzt. Sämtliche gesteinsbildende Mineralien bleiben erhalten. Beispiele hierfür sind die thermische Verwitterung (unterschiedliche Temperaturausdehnung der Mineralien), die Frostverwitterung (gefrierendes Wasser führt zum Aufsprengen), und die mechanische Erosion durch kontinuierliches Abtragen.

Chemische Verwitterung: Hierbei werden die Mineralien des Gesteins durch eine chemische Reaktion verändert. Beispiele hierfür sind die Kohlensäureverwitterung (Reaktion mit CO2) und die Hydrolyse (Reaktion mit Wasser-Ionen).

Biogene Verwitterung: Das Gestein wird durch Mikroorganismen, Pflanzen oder Pilze zersetzt. Beispiele hierfür sind die Wurzelsprengung durch wachsende Pflanzenwurzeln sowie oberflächliche Zersetzungsvorgänge durch Moose oder Flechten.

Je nach Gesteinsart dominieren unterschiedliche Verwitterungsarten. Auch zwischen Basaltgesteinen gibt es Unterschiede in der Anfälligkeit für Verwitterung. Als Faustregel gilt, je höher der Anteil an Alkalien (allen voran Natrium, Kalium und Lithium) ist, desto höher ist die Neigung, Reaktionen mit Umgebungssubstanzen einzugehen. Allgemein herrschen bei Basalten folgende Verwitterungsarten verstärkt vor: (9),(10),(11)

• Mechanische Erosion durch Wind, Wasser, Eis oder durch menschliche Aktivitäten: Bei natürlichen Erosionsvorgängen werden große Gesteinsoberflächen durch kleinere Körner langsam und kontinuierlich abgetragen. Dem entgegengesetzt ist die anthropogene Erosion, bei welcher die Verwitterung durch menschliches Zutun erfolgt.
  (9)

• Kohlensäureverwitterung: Hierbei reagieren die silikatischen Mineralien im Basalt (vor allem Plagioklas, Pyroxen und Olivin) mit dem CO2 aus der Luft. Wichtig hierbei ist das Vorhandensein von Wasser. Durch eine chemische Reaktion wird das Silikat (Mineral auf Silizium-Basis) in ein Karbonat (Mineral auf Kohlenstoff-Basis) umgewandelt. Dadurch kommt es zu mikro- bis makroskopischen weißen Ausfällungen und zu einer erhöhten Porosität.
  (12)

• Wüstenlack: Bei dieser Verwitterungsart entsteht auf der Oberfläche des Basalts ein lackartiger Überzug. Er ist das Ergebnis einer Hydrolyse, bei der das Gestein mit Wasser-Ionen reagiert, wodurch Mangan und Eisen aus dem Basalt herausgelöst und an der Oberfläche ausgeschieden werden.
  (9)

• Flechten: Dabei handelt es sich um eine Symbiose (Zusammenleben) aus Pilzen und Algen. Diese wachsen auf der Oberfläche von Basalten. Als Ausscheidungsprodukt produzieren sie die stark aggressive Oxalsäure, welche Mineralien angreifen und sogar zersetzen kann. Dadurch kommt es zu Oxidations- und Korrosionserscheinungen auf der Gesteinsoberfläche.
  (9)

sources