L'altération intervient principalement dans la zone superficielle de la lithosphère, appelée parfois zone critique de la Terre, qui s'étend depuis l'atmosphère et la biosphère jusqu'aux profondeurs où les conditions physico-chimiques deviennent incompatibles avec les processus caractéristiques de la surface. Cette zone constitue une interface particulièrement active entre la roche, l'eau, l'air, les organismes vivants et les matières organiques. La profondeur atteinte par l'altération varie considérablement selon le climat, la topographie, la fracturation, la nature de la roche, la circulation des fluides et la durée d'exposition. Dans certains environnements, l'altération reste limitée à quelques mètres; dans d'autres, notamment sous les climats tropicaux humides, elle peut produire des profils d'altération de plusieurs dizaines de mètres, voire davantage.

À l'échelle continentale, les produits de l'altération sont pris en charge par les systèmes d'érosion et de transport. Les particules solides peuvent être transportées par le vent, la gravité, les glaciers ou les cours d'eau, tandis que les éléments dissous sont principalement exportés par les eaux. Les rivières constituent ainsi d'importants vecteurs de transfert entre les continents et les océans. Une partie des matériaux est ensuite déposée sous forme de sédiments, où ils peuvent subir de nouvelles transformations diagénétiques.

La nature de la roche constitue un facteur fondamental. Les minéraux qui la composent ne présentent pas tous la même stabilité dans les conditions de température, de pression et de composition chimique qui caractérisent la surface terrestre. Les minéraux cristallisés à haute température dans les profondeurs de la Terre, tels que l'olivine, les pyroxènes, les amphiboles et les feldspaths calciques, sont généralement plus sensibles à l'altération chimique que les minéraux formés ou stabilisés à des températures plus faibles, notamment certains minéraux argileux et le quartz. Cette différence de stabilité est notamment illustrée par la série de dissolution de Goldich, qui classe approximativement les minéraux selon leur susceptibilité à l'altération dans les conditions de surface. Les minéraux les moins stables tendent à être détruits rapidement tandis que les plus résistants peuvent persister sous forme de grains résiduels dans les sédiments.

La série de dissolution de Goldich, établie par le géologue Samuel S. Goldich en 1938, décrit l'ordre de stabilité relative des minéraux des roches magmatiques lorsqu'ils sont exposés aux processus d'altération à la surface de la Terre. Elle repose sur un principe fondamental qui fait directement écho à série réactionnelle de Bowen : les minéraux qui cristallisent aux températures et pressions les plus élevées à l'intérieur de la croûte terrestre sont thermodynamiquement les plus éloignés des conditions de surface. Par conséquent, ce sont eux qui s'altèrent et se décomposent le plus rapidement au contact de l'eau, de l'atmosphère et des organismes vivants. À l'inverse, les minéraux qui se forment aux températures les plus basses, en fin de cristallisation d'un magma, sont beaucoup plus stables une fois exposés aux agents météoriques.

Le quartz occupe le sommet de cette série en tant que minéral le plus résistant. Ayant cristallisé en dernier à basse température, sa structure tridimensionnelle de silice pure et son absence de clivage le rendent presque insensible à l'altération chimique. C'est la raison pour laquelle le quartz est extrêmement abondant dans les sédiments, les sables des rivières et les plages, survivant au transport sur de longues distances. 
À l'autre extrémité de la série se trouvent les minéraux les plus instables. L'olivine, les pyroxènes et les amphiboles, qui sont des silicates ferromagnésiens, s'altèrent très rapidement. De même, les feldspaths plagioclases riches en calcium se décomposent aisément. Ces minéraux primaires se transforment alors sous l'effet de l'hydrolyse et de l'oxydation. Les ions les plus solubles, comme le calcium, le sodium ou le potassium, sont lessivés et transportés par les eaux de ruissellement jusqu'aux océans, participant ainsi à la salinité marine. Les éléments moins solubles, tels que le silicium, l'aluminium et le fer, s'organisent pour former de nouveaux minéraux qui, eux, sont en parfait équilibre thermodynamique avec les conditions de surface. Les produits finaux de cette altération sont principalement les minéraux argileux (comme la kaolinite ou les smectites) et les oxydes ou hydroxydes de fer et d'aluminium. 

Entre ces deux extrêmes, on observe une stabilité graduelle. Les feldspaths potassiques, comme l'orthose, résistent mieux que les plagioclases calciques mais finissent tout de même par se transformer en argiles. Les micas présentent aussi des différences notables : la biotite (mica noir) s'altère assez facilement en s'oxydant, tandis que la muscovite (mica blanc) possède une structure en feuillets très robuste qui la rend beaucoup plus réfractaire. 

L'altération physique.
L'altération physique correspond à la fragmentation ou à la désagrégation mécanique d'une roche sans modification fondamentale de la composition chimique de ses minéraux. Elle augmente la surface spécifique disponible pour les réactions chimiques et joue donc souvent le rôle de processus préparatoire à l'altération chimique. Une roche massive et peu fracturée présente relativement peu de surface accessible aux fluides, alors qu'une roche fortement fissurée offre un réseau beaucoup plus important de surfaces réactives. La fracturation constitue donc l'un des principaux mécanismes qui contrôlent la pénétration de l'eau et des gaz dans les massifs rocheux.

Les variations thermiques peuvent provoquer une désagrégation mécanique, notamment dans les environnements soumis à de fortes amplitudes de température. Les différences de dilatation thermique entre les différents minéraux d'une roche peuvent engendrer des contraintes internes. À répétition, ces contraintes contribuent à l'apparition et à l'extension de microfissures. Ce phénomène est particulièrement efficace dans certaines roches à gros grains, comme les granitoïdes, où les minéraux possèdent des coefficients de dilatation différents. L'efficacité réelle de la thermoclastie dépend cependant fortement des conditions locales.

Le gel-dégel constitue un autre processus important. Lorsque l'eau pénètre dans les fissures d'une roche puis gèle, son changement d'état s'accompagne d'une augmentation de volume qui exerce des contraintes sur les parois des fissures. Des cycles répétés de gel et de dégel peuvent progressivement élargir les fractures et détacher des fragments. Ce mécanisme, appelé gélifraction, joue un rôle majeur dans les régions froides et montagneuses où les températures oscillent fréquemment autour du point de congélation. Il est particulièrement efficace lorsque la roche possède un réseau de fractures permettant l'infiltration et le confinement de l'eau.

La décompression intervient principalement lorsque des roches formées ou enfouies à grande profondeur sont progressivement exhumées et voient la pression lithostatique diminuer. La réduction de pression peut provoquer une expansion différentielle et favoriser l'apparition de fractures parallèles à la surface. Dans les massifs granitiques, ce phénomène peut produire une structure en dalles concentriques appelée exfoliation. L'érosion des terrains sus-jacents peut accentuer cette décompression en supprimant progressivement la charge qui s'exerce sur les roches profondes. L'altération mécanique et l'exhumation sont ainsi intimement liées dans de nombreux paysages continentaux.

Les processus mécaniques peuvent également être liés à la croissance de cristaux. Dans les fissures et les pores, la précipitation de sels dissous peut exercer des pressions considérables lorsque les cristaux se développent ou lorsque leur hydratation entraîne une augmentation de volume. La haloclastie est particulièrement importante dans les environnements arides et semi-arides, ainsi que dans les zones littorales soumises aux embruns salins. Les sels peuvent pénétrer dans les pores des roches, cristalliser sous l'effet de l'évaporation et provoquer progressivement une désagrégation granulaire.

La présence de racines de végétaux constitue un autre mécanisme physique de fragmentation. Les racines pénètrent dans les fractures et exercent des contraintes mécaniques lors de leur croissance. Elles peuvent progressivement élargir les fissures et faciliter la pénétration de l'eau et des microorganismes. Les animaux fouisseurs contribuent également à remanier les matériaux superficiels et à exposer de nouvelles surfaces rocheuses aux agents d'altération. La biosphère agit donc directement sur la dynamique de désagrégation.

L'altération chimique.
L'altération chimique correspond, quant à elle, à une transformation minéralogique et géochimique de la roche sous l'action principalement de l'eau, du dioxyde de carbone, de l'oxygène, des acides organiques et de différents solutés. Elle entraîne soit la dissolution des minéraux, soit leur transformation en nouveaux minéraux, soit encore la libération d'éléments chimiques dans les solutions. Les réactions se produisent généralement à l'interface entre les minéraux et les fluides. Elles dépendent du pH, du potentiel d'oxydoréduction, de la température, de la pression partielle des gaz, de la composition des eaux et du temps de résidence des fluides.

L'eau joue un rôle central dans pratiquement toutes les formes d'altération chimique. Elle constitue à la fois un solvant, un réactif et un moyen de transport des espèces dissoutes. Une eau pure possède déjà une capacité limitée à dissoudre certains minéraux, mais cette capacité augmente considérablement lorsqu'elle contient du dioxyde de carbone ou des acides organiques issus des sols et de l'activité biologique. Le dioxyde de carbone dissous dans l'eau forme de l'acide carbonique, qui contribue à abaisser le pH et favorise la dissolution de nombreux minéraux.

La dissolution constitue le mécanisme le plus direct de l'altération chimique. La calcite, constituant principal du calcaire, est particulièrement sensible à l'eau chargée en dioxyde de carbone. La dissolution des carbonates joue un rôle majeur dans la formation des paysages karstiques, où elle engendre des lapiaz, dolines, gouffres, cavités, réseaux souterrains et systèmes de drainage particuliers. Elle participe également au transfert du carbone entre l'atmosphère, les sols, les eaux continentales, les océans et les roches.

L'hydrolyse est particulièrement importante pour l'altération des silicates. Elle correspond à des réactions entre les minéraux et les ions ou molécules présents dans l'eau, conduisant à la transformation de la structure cristalline. 

Les feldspaths en fournissent un exemple fondamental. Le feldspath potassique peut être transformé en minéraux argileux, tandis que le potassium, la silice et d'autres éléments sont partiellement libérés dans les solutions. Selon les conditions du milieu, les produits finaux peuvent être différents : kaolinite, illite, smectites ou autres phases secondaires peuvent se former.L'altération des feldspaths représente un processus géochimique majeur à l'échelle de la planète. Elle contribue à la formation des argiles et libère des cations  (potassium,  sodium, calcium). Une partie de ces éléments est transportée par les eaux vers les rivières puis vers les océans. Cette mobilisation contribue au fonctionnement des cycles biogéochimiques et influence notamment la composition chimique des eaux continentales et marines.

L'hydratation correspond à l'incorporation de molécules d'eau dans la structure ou à la surface de certains minéraux. Elle peut entraîner une modification du volume, de la structure cristalline et des propriétés physiques des matériaux. L'hydratation est particulièrement importante pour certains oxydes et minéraux argileux. Elle peut également renforcer les processus de désagrégation lorsque les variations répétées d'humidité provoquent des gonflements et des retraits.

L'oxydation intervient principalement dans les environnements où l'oxygène est disponible. Elle concerne particulièrement les minéraux contenant du fer, mais également d'autres éléments susceptibles de changer d'état d'oxydation. Les minéraux ferreux peuvent être transformés en oxydes et hydroxydes de fer tels que l'hématite et la goethite. Ces produits donnent fréquemment aux sols et aux profils d'altération des teintes rouges, jaunes ou brunes caractéristiques. L'oxydation joue ainsi un rôle majeur dans la coloration des paysages et dans la redistribution du fer.

La réduction constitue le processus inverse de l'oxydation et intervient notamment dans les milieux pauvres en oxygène, tels que les sols saturés en eau, les marécages, certains horizons profonds des sols et les sédiments. Le fer ferrique peut alors être réduit en fer ferreux, généralement plus soluble dans certaines conditions. Cette mobilité peut provoquer des redistributions du fer à l'intérieur des profils pédologiques. Les alternances saisonnières entre conditions oxydantes et réductrices peuvent produire des structures et des colorations caractéristiques, notamment des taches d'oxydoréduction.

La carbonatation joue un rôle essentiel dans les environnements où le dioxyde de carbone est abondant. Dans les sols, la respiration des racines et des microorganismes produit du CO2, ce qui peut conduire à des concentrations beaucoup plus élevées que dans l'atmosphère. Les eaux infiltrées deviennent alors plus agressives vis-à-vis de certains minéraux. La carbonatation favorise notamment la dissolution des carbonates et intervient également dans l'altération de certains silicates. Elle constitue ainsi un lien important entre l'activité biologique, le fonctionnement des sols et la géochimie des roches.

Les acides organiques produits par la végétation et les microorganismes jouent également un rôle considérable. Des molécules organiques peuvent complexer certains éléments métalliques et augmenter leur mobilité. Cette action est particulièrement importante dans les horizons superficiels riches en matière organique. Les lichens, par exemple, contribuent à l'altération des substrats rocheux en combinant des mécanismes chimiques et physiques. Leur activité permet progressivement la formation de particules minérales et contribue à l'établissement de conditions favorables au développement ultérieur des sols.

Rôles du climat et de l'hydrologie dans l'altération des roches.
La nature des produits d'altération dépend fortement des conditions climatiques. Dans les régions froides, la fragmentation mécanique peut être particulièrement importante lorsque les cycles de gel-dégel sont fréquents. Dans les régions arides, la faiblesse de l'altération chimique est généralement associée à une forte évaporation et à une disponibilité limitée de l'eau, tandis que l'action des sels et les variations thermiques peuvent être significatives. Dans les régions tempérées humides, l'eau disponible permet une altération chimique plus active, souvent associée à la formation de sols relativement développés. Dans les régions tropicales humides, les températures élevées et l'abondance de l'eau peuvent favoriser une altération chimique extrêmement intense, conduisant à la formation de profils profondément transformés.

Le climat ne contrôle cependant pas seul l'altération. La lithologie, la structure tectonique, la topographie, la végétation et la circulation hydrologique interviennent simultanément. Une roche très fracturée peut être fortement altérée dans un climat relativement sec, tandis qu'une roche massive et peu perméable peut résister davantage dans un climat humide. La pente influence également le bilan entre altération et évacuation des produits. Sur une pente forte, les matériaux altérés peuvent être rapidement exportés, ce qui expose constamment de nouvelles surfaces rocheuses. Dans les zones plus stables, les produits d'altération peuvent s'accumuler et constituer des profils épais.

La circulation de l'eau constitue l'un des paramètres les plus importants. Une infiltration active renouvelle continuellement les fluides au contact des minéraux et évacue les produits dissous. Ce renouvellement maintient généralement un fort gradient chimique qui favorise la poursuite des réactions. À l'inverse, une eau stagnante peut rapidement atteindre un état proche de l'équilibre avec les minéraux présents et ralentir certaines réactions. L'altération dépend donc autant de la quantité d'eau que de sa dynamique et de son temps de résidence.

La fracturation tectonique favorise fortement l'altération en augmentant la perméabilité des roches. Les failles et les fractures constituent des voies préférentielles pour les fluides. Elles peuvent ainsi devenir le siège d'une altération beaucoup plus intense que dans les parties massives du massif rocheux. 

Dans certains contextes, les réactions hydrothermales représentent une extension profonde de ces interactions entre fluides et roches. Elles se distinguent toutefois de l'altération météorique classique par leurs températures, leurs pressions et la nature des fluides impliqués, même si les frontières entre ces phénomènes peuvent être progressives. L'altération superficielle est dominée par les interactions entre les roches et les fluides dans des conditions relativement faibles de température et de pression. L'altération hydrothermale se produit à des températures plus élevées et peut être associée à des circulations de fluides chauds autour des intrusions magmatiques ou dans les systèmes volcaniques. Elle peut provoquer la formation de nouveaux minéraux et modifier profondément la composition chimique des roches. Dans les systèmes hydrothermaux océaniques, elle joue notamment un rôle majeur dans les échanges chimiques entre la lithosphère océanique et l'océan.

Le facteur temps.
Une surface rocheuse fraîche peut être relativement peu transformée au début de son exposition, puis développer progressivement un front d'altération. Cependant, l'évolution n'est pas nécessairement linéaire. L'altération peut créer de nouvelles fractures et de nouvelles surfaces réactives, mais elle peut également produire des minéraux secondaires qui protègent partiellement les minéraux primaires. Le profil d'altération résulte donc d'un équilibre dynamique entre production de nouvelles surfaces, réaction chimique, évacuation des produits et renouvellement des fluides.

De plus, la vitesse d'altération varie considérablement selon les minéraux et les environnements. Elle peut être mesurée expérimentalement en laboratoire ou estimée dans les systèmes naturels à partir des flux d'éléments dissous. La température joue généralement un rôle important, car l'augmentation de la température accélère de nombreuses réactions chimiques. Toutefois, une température élevée ne suffit pas à garantir une altération intense : sans eau disponible, les réactions peuvent rester limitées. C'est pourquoi les environnements tropicaux humides sont particulièrement favorables à l'altération chimique.

Les effets de l'altération des roches.
L'altération produit fréquemment des horizons organisés verticalement. Un profil d'altération peut comprendre, de la surface vers la roche fraîche, un sol, un horizon fortement altéré, une zone de transition et une roche progressivement moins transformée. Dans les environnements tropicaux anciens, ces profils peuvent atteindre des épaisseurs considérables. Leur étude permet de reconstituer l'histoire géomorphologique et climatique des paysages. Les éléments les plus mobiles sont progressivement évacués, tandis que les éléments relativement immobiles peuvent s'accumuler.

Dans les profils fortement altérés, le lessivage peut entraîner une perte importante de silice, de sodium, de calcium, de magnésium et de potassium. Le fer et l'aluminium, moins mobiles dans certaines conditions, peuvent au contraire s'accumuler relativement. Lorsque l'altération est extrêmement poussée, elle peut conduire à la formation de matériaux riches en oxydes et hydroxydes de fer et d'aluminium. Les cuirasses latéritiques constituent l'une des expressions les plus spectaculaires de cette évolution. Dans certains contextes, l'altération intense conduit à des concentrations économiques de certains éléments et participe à la formation de gisements de bauxite, de nickel latéritique ou de certains minerais de fer.

La formation des minéraux argileux constitue l'une des conséquences les plus importantes de l'altération des silicates. Les argiles possèdent des structures et des propriétés très différentes de celles des minéraux primaires dont elles dérivent. Leur capacité à retenir l'eau et certains ions leur confère une importance considérable dans les sols, les systèmes sédimentaires et les environnements géotechniques. La nature de l'argile formée dépend du climat, du drainage, du pH, de la composition de la roche mère et du degré d'altération. La kaolinite est favorisée par certaines conditions fortement lessivantes, tandis que les smectites peuvent se former dans des environnements où le drainage et la disponibilité des cations sont différents.

L'altération ne détruit donc pas simplement les roches : elle opère une véritable différenciation géochimique. Certains éléments sont exportés en solution, d'autres restent sur place, d'autres encore sont incorporés dans de nouveaux minéraux. Le comportement d'un élément dépend notamment de sa solubilité, de son état d'oxydation, de son potentiel de complexation et de son affinité pour les surfaces minérales. Le sodium et le calcium sont généralement relativement mobiles, tandis que le fer et l'aluminium peuvent être beaucoup moins mobiles dans certaines conditions. La silice possède une mobilité intermédiaire fortement dépendante du pH et de la présence de phases secondaires.

L'altération intervient également dans le cycle global du carbone. La dissolution des carbonates et l'altération des silicates constituent deux mécanismes essentiels. Dans le cas des silicates, la consommation de dioxyde de carbone lors des réactions d'altération constitue, sur des temps géologiques, un mécanisme de régulation du climat. Les produits dissous sont transportés vers les océans, où ils participent à divers processus biogéochimiques et à la formation de carbonates. Ceux-ci peuvent finalement être enfouis dans les sédiments et, après plusieurs dizaines ou centaines de millions d'années, être incorporés dans la lithosphère puis recyclés par la tectonique des plaques.

Altération des roches et écologie.
L'altération constitue par ailleurs une source essentielle de nutriments pour les écosystèmes terrestres. La décomposition des minéraux libère du potassium, du calcium, du magnésium, du phosphore, du fer et de nombreux oligoéléments. Ces éléments peuvent être absorbés par les organismes vivants, notamment les végétaux. La formation des sols résulte ainsi de l'interaction entre altération minérale, accumulation de matière organique, activité biologique, circulation de l'eau et transfert de particules. Le sol constitue ainsi un système dynamique dans lequel les processus géologiques et biologiques sont étroitement couplés.

Le rôle des microorganismes est particulièrement important. Les bactéries, champignons et autres microorganismes peuvent produire des acides organiques, modifier localement le pH, complexer certains éléments et favoriser la dissolution de minéraux. Les associations mycorhiziennes entre champignons et racines augmentent notamment l'efficacité avec laquelle les végétaux exploitent les ressources minérales du sol. La biosphère accélère donc certains processus d'altération et contribue à leur spatialisation.

Altération des roches et évolution du relief.
Enfin, l'altération essentielle aussi à la compréhension de l'évolution des reliefs et des paysages.

Les roches résistantes donnent plus facilement naissance à des reliefs escarpés, tandis que les lithologies facilement altérables tendent à produire des formes plus douces, sous réserve des conditions tectoniques et érosives. Les différences de résistance entre minéraux et roches peuvent conduire à une érosion différentielle. Les paysages résultent ainsi d'une interaction permanente entre la structure géologique, l'altération et l'érosion.

Dans les massifs granitiques, par exemple, l'altération chimique des feldspaths peut transformer progressivement la roche en une masse friable appelée arène granitique. Le quartz peut persister sous forme de grains tandis que les feldspaths et les minéraux ferromagnésiens sont transformés. L'évacuation ultérieure de cette arène par les eaux et la gravité peut dégager des blocs plus résistants, parfois arrondis par l'altération progressive le long des fractures. Des paysages de boules granitiques peuvent ainsi se développer.

Les basaltes connaissent des trajectoires différentes. Riches en pyroxènes, plagioclases calciques et parfois olivines, ils sont relativement sensibles à l'altération chimique. Dans les environnements chauds et humides, ils peuvent être profondément transformés et produire des assemblages secondaires riches en argiles, oxydes de fer et hydroxydes. Dans certaines régions tropicales, l'altération intense des roches volcaniques anciennes produit des sols particulièrement épais et chimiquement différenciés.

Les roches métamorphiques présentent elles aussi une grande diversité de comportements. Leur degré d'altération dépend de leur minéralogie, de leur foliation, de leur fracturation et de leur histoire tectonique. Les schistes fortement foliés peuvent favoriser la pénétration des fluides, tandis que certains quartzites très riches en quartz résistent longtemps à l'altération chimique. Les roches carbonatées métamorphisées peuvent, selon leur composition, conserver une sensibilité importante à la dissolution.

L'altération et les grands cycles géochimiques.
À l'échelle géologique, l'altération représente une étape fondamentale du recyclage de la matière terrestre. Les roches magmatiques, métamorphiques et sédimentaires exposées à la surface sont progressivement transformées. Leurs produits alimentent les bassins sédimentaires et les océans. Les sédiments peuvent ensuite être enfouis, compactés et cimentés pour former de nouvelles roches sédimentaires. Avec l'enfouissement et l'augmentation de la pression et de la température, celles-ci peuvent devenir métamorphiques. Finalement, la subduction et la fusion partielle permettent leur retour vers des domaines profonds et leur incorporation éventuelle dans de nouvelles roches magmatiques. L'altération constitue donc l'un des maillons essentiels du cycle lithologique.

Les cycles du carbone, du silicium, du calcium, du magnésium, du fer, du potassium et du phosphore sont tous aussi affectés par les réactions d'altération. Le transfert des éléments entre lithosphère, hydrosphère, biosphère et atmosphère dépend en partie de la vitesse à laquelle les minéraux sont détruits et remplacés par des phases secondaires. Les continents fonctionnent ainsi comme des réacteurs géochimiques ouverts, dans lesquels les eaux météoriques et souterraines interagissent avec les roches avant d'exporter une partie des produits vers les océans.