Выветривание и денудация

 
ВВЕДЕНИЕ
1. ФИЗИЧЕСКОЕ ВЫВЕТРИВАНИЕ
2. ХИМИЧЕСКОЕ ВЫВЕТРИВАНИЕ
3. РОЛЬ ОРГАНИЧЕСКОГО МИРА В ПРОЦЕССАХ ХИМИЧЕСКОГО ВЫВЕТРИВАНИЯ
Использованная литература
 
ВВЕДЕНИЕ
Горные породы, слагающие земную кору, подвергаются денудации в результате их предварительного выветривания. Этот процесс приводит к появлению рыхлых (дисперсных) новообразований зоны гипергенеза, существенно отличных по своим физическим свойствам от исходных коренных пород.
Выветривание — это разрушение пород на земной поверхности и их превращение в продукты, которые являются более устойчивыми в новых физико-химических условиях. Многие породы первоначально образовывались при высоких давлениях и температурах и при отсутствии воды и воздуха. Продукты выветривания могут сильно различаться по составу, и даже те из них, которые при одних условиях являются устойчивыми, при изменении условий могут стать неустойчивыми.
Б. Б. Полынов выделил четыре стадии выветривания, характеризующие единый протекающий во времени непрерывный процесс гипергенеза. Первая стадия характеризуется преобладающей ролью физических факторов выветривания с образованием крупнообломочных и мелкозернистых продуктов механического распада массивных горных пород. В условиях сурового климата и активной денудации современное выветривание нередко ограничивается этой первой стадией. Вторая стадия характеризуется щелочной реакцией среды за счет извлечения в раствор оснований при гидролизе минералов. На этой стадии образуются вторичные минералы в результате окисления, гидратации, гидролиза и карбонатизации первичных минералов. Среди вторичных алюмосиликатов на этой стадии преобладают минералы группы монтмориллонита и нонтронит. При относительном избытке в породах кальция в продуктах выветривания происходит накопление карбоната кальция, нередко образующего корку на обломках массивных пород, Б. Б. Полынов именует эту стадию “обызвесткованной” или насыщенной сиаллитной корой выветривания” ; наибольшее распространение она имеет в условиях умеренного климата при выветривании изверженных и метаморфических пород. В горных районах современные рыхлые образования на склонах часто относятся именно к этому типу.
Третья стадия — остаточной ненасыщенной сиаллитной коры выветривания — характеризуется дальнейшим выносом из продуктов выветривания щелочных и щелочноземельных элементов, вследствие чего реакция среды становится кислой. В этой обстановке среди вторичных алюмосиликатов преобладают галлуазит и каолинит. Развитие этой стадии выветривания имеет место в условиях замедленной денудации и относительно более обильного увлажнения.
В четвертой стадии образуется остаточная аллитная кора выветривания, характеризуемая накоплением окислов кремния, железа и алюминия. Развитие ее определяется сочетанием активного химического выветривания с замедленной денудацией в условиях жаркого и влажного климата.
Образование слоя выветрелых пород облегчает денудацию и одновременно затрудняет дальнейший доступ агентов выветривания к свежим, неизмененным коренным породам. Удаление процессами денудации выветрелого слоя активизирует выветривание, что в свою очередь создает условия для усилен денудации. В итоге между выветриванием и денудацией устанавливается подвижное равновесие, определяющее мощность продуктов выветривания в области положительных форм рельефа. Подвижное (динамическое) равновесие не исключает поступательного развития, в силу которого равновес сдвигается в ту или иную сторону. Если преобладающую роль приобретает денудация, мощность современных продуктов выветривания для новых условий равновесия уменьшается. При замедленной денудации и, следовательно, более длительно выветривании равновесие будет достигнуто при больших значениях мощности продуктов выветривания.
Термин “выветривание” не отражает всей сложности процесса, но широко распространен в геологической, географической, почвенной литературе. В качестве синонима употребляется термин “гипергенез” , введенный А. Е. Ферсманом. В едином и сложном процессе выветривания условно выделяются две основные взаимосвязанные формы:
1) физическое выветривание;
2) химическое выветривание.
Иногда выделяют еще органическое выветривание. Однако роль организмов и их воздействие на горные породы сводятся или к механическому разрушению, или химическому разложению. Следовательно, органическое выветривание включается в условно выделенные две формы единого процесса.
1. ФИЗИЧЕСКОЕ ВЫВЕТРИВАНИЕ
Физическое выветривание вызывается разнообразными факторами. В зависимости от природы воздействующего фактора характер разрушения горных пород при физическом выветривании различен. В одних случаях процесс разрушения происходит внутри самой горной породы без участия внешнего механически действующего агента. Сюда относится изменение объема составных частей породы, вызываемое колебанием температуры. Такое явление может быть названо температурным выветриванием. В других случаях горные породы разрушаются под механическим воздействием посторонних агентов. Такой процесс может быть условно назван механическим выветриванием.
Температурное выветривание происходит под воздействием суточных и сезонных колебаний температуры, вызывающих неравномерное нагревание и охлаждение горных пород. При этом минеральные зерна, слагающие горные породы, испытывают то расширение, при повышении температуры, то сжатие, при ее понижении. Таким образом, в горных породах попеременно возникают сжимающие и растягивающие усилия. Расширение и сжатие пород более интенсивно сказываются в самой приповерхностной части пород. Наибольшему разрушению в результате температурного выветривания подвержены полиминеральные горные породы, такие, как граниты, габбро, гнейсы и др. Различные минералы, из которых состоят такие породы, обладают неодинаковым коэффициентом объемного расширения, поэтому при изменении температуры они испытывают деформации в различной степени. К тому же коэффициент линейного расширения даже у одного и того же минерала меняется в зависимости от направления в кристалле (проявление анизотропии) .
В результате длительного воздействия колебаний температуры и различных коэффициентов расширения минералов взаимное сцепление отдельных минеральных зерен в горной породе нарушается, она растрескивается и распадается на отдельные обломки. На интенсивность температурного выветривания влияют также окраска горной породы и размеры слагающих ее минеральных зерен. Известно, что под влиянием солнечных лучей (инсоляции) значительно сильней нагреваются темноцветные. минералы. Вследствие этого быстрее разрушаются темноокрашенные, а также; крупнозернистые горные породы.
Температурное выветривание наиболее интенсивно протекает в областях, характеризующихся резкими контрастами температур, особенно суточных, сухостью воздуха и отсутствием или слабым развитием растительного покрова, смягчающего температурное воздействие на почвы и горные породы. Особенно интенсивно температурное выветривание в пустынях, где количество выпадающих атмосферных осадков не превышает 200—250 мм/год, малая облачность, суточные колебания температуры нередко достигают 40—50? С, громадный дефицит влажности. Относительная влажность летом может снижаться до 10%, а иногда и ниже. В этих условиях горные породы под действием солнечных лучей сильно нагреваются до температур, значительно превышающих температуру воздуха (особенно темноцветные минералы) , ночью же сильно охлаждаются. Именно в пустынях особенно ярко выражен процесс шелушения, или десквамации, при котором от поверхности горных пород отслаиваются чешуи или толстые пластины, параллельные поверхности породы.
Температурное выветривание интенсивно протекает также на вершинах и склонах гор, не покрытых снегом и льдом, где воздух прозрачнее и инсоляция значительно сильнее, чем в прилежащих низменностях. В ряде случаев температура воздуха днем здесь может достигать +20—+30 °С, а ночью падает почти до точки замерзания.
Механическое выветривание происходит под механическим воздействием посторонних агентов. Особенно большое разрушительное действие оказывает замерзание воды. Когда вода попадает в трещины и поры горных пород, а потом замерзает, она увеличивается в объеме на 9—10%, производя при этом огромное давление. Такая сила преодолевает сопротивление горных пород на разрыв, и они раскалываются на отдельные обломки. Наиболее интенсивное расклинивающее действие производит замерзающая вода в трещинах горных пород. Но под влиянием замерзающей воды легко дробятся и породы с высокой пористостью, в которых поровое пространство занимает около 10—30% объема (песчаники и другие осадочные породы) . Процессы, связанные с воздействием периодически замерзающей воды, часто называют морозным выветриванием. Оно наблюдается в высоких полярных и субполярных широтах, а также в горных районах выше снеговой линии, где в ряде случаев проявляется и температурное выветривание.
Такое же механическое воздействие на горные породы оказывают корневая система деревьев и роющие животные. По мере разрастания деревьев увеличиваются в размерах их корни. Они давят с большой силой на стенки трещин и раздвигают их как клинья и тем самым вызывают раскалывание породы на отдельные глыбы и обломки. Часть таких глыб выталкивается вверх. Механическое воздействие оказывают и различные роющие животные, такие, как земляные черви, муравьи, грызуны и др.
Дезинтеграцию пород вызывает также рост кристаллов в капиллярных трещинах и порах. Это хорошо проявляется в условиях сухого климата, где днем при сильном нагревании капиллярная вода подтягивается к поверхности и испаряется, а соли, содержащиеся в ней, кристаллизуются. Под давлением растущих кристаллов капиллярные трещины расширяются, что и приводит к нарушению монолитности горной породы и ее разрушению.
ХИМИЧЕСКОЕ ВЫВЕТРИВАНИЕ
Разрушению горных пород под влиянием физического выветривания всегда в той или иной степени сопутствует химическое выветривание, а в ряде случаев последнее играет решающую роль. Это отражает тесную взаимосвязь различных форм единого процесса выветривания. Физическая дезинтеграция резко увеличивает реакционную поверхность выветривающихся пород. Главными факторами химического выветривания являются вода, кислород, углекислота и органические кислоты, под влиянием которых существенно изменяются структура и состав минералов и образуются новые минералы, соответствующие определенным физико-химическим условиям. Важнейший фактор химического выветривания — вода, которая в той или иной степени диссоциирована на положительно заряженные водородные ионы (Н ⁺ ) и отрицательно заряженные гидроксильные ионы (ОН ^- ) . Это определяет ее возможность вступать в реакцию с кристаллическим веществом. Высокая концентрация водородных ионов в растворах способствует ускорению процессов выветривания.
Особенно возрастает интенсивность химического выветривания, когда в водном растворе присутствуют кислород, углекислота и органические кислоты, которые обладают большой активностью и во много раз повышают диссоциацию воды. В зависимости от реакции среды в процессе выветривания возникают те или иные характерные ассоциации минералов. Наиболее благоприятные условия для химического выветривания существуют в гумидных областях и особенно в тропических и субтропических зонах, где имеет место сочетание большой влажности, высокой температуры, пышной растительности и огромного ежегодного отпада органической массы (в тропических лесах) , в результате чего значительно возрастает концентрация углекислоты и органических кислот, а следовательно, возрастает и концентрация водородных ионов. Химическое воздействие на горные породы оказывают находящиеся в воде растворенные ионы, такие, как НСО ₃ ^— . SO ^-4 , С1 ^-, Са ⁺ , Mg ⁺ , Na ⁺ , К ⁺ . Эти ионы также могут замещать. заряженные атомы в кристаллах или взаимодействовать с ними,. что может приводить к нарушению первичной кристаллической структуры минералов. Процессы, протекающие при химическом выветривании, заключаются в следующих основных химических реакциях: окислении, гидратации, растворении, гидролизе.
Окисление. Процессы окисления наиболее интенсивно протекают в минералах, содержащих закисные соединения железа, марганца и других элементов. Так, сульфиды в кислой среде становятся неустойчивыми и постепенно замещаются сульфатами, окислами и гидроокислами. Направленность этого процесса можно схематически изобразить следующим образом: FeS ₂ +nO ₂ +mH ₂ О®FeSO ₄ ®Fe ₂ (SO ₄ ) ₃ ®Fe ₂ O ₃ žnH ₂ O. пирит сульфат сульфат бурый железняк закиси окиси (лимонит) железа. На первой стадии получаются сульфат закиси железа и серная кислота (1^2804) . Наличие серной кислоты значительно усиливает интенсивность выветривания, способствует дальнейшему разложению минералов. На второй стадии сульфат закиси железа переходит в сульфат окиси железа. Последний в свою очередь оказывается неустойчивым и под действием кислорода и воды -переходит в водную окись железа — бурый железняк. Бурый железняк фактически представляет собой сложный минеральный агрегат близких по составу минералов гётита (FeO·OH) и гидрогётита (FeO·OH·nH ₂ O) . На поверхности ряда месторождений сульфидных руд и других железосодержащих минералов наблюдается “бурожелезняковая шляпа” , возникшая в результате одновременных окисления и гидратации. Местами при недостаточном количестве влаги образуются бедная водой окись железа, гидрогематит (Fe ₂ O ₃ ·H ₂ O) . В результате процессов окисления магнетит переходит в гематит, как это имеет место в районе КМА. Гематит образуется и при окислении таких минералов, как оливин, пироксены, амфиболы, под действием воды, кислорода и углекислоты. Направленность реакции следующая: (Mg, Fe) ₂ [SiO ₄ ]®Fe ₂ O ₃ +nMg(HCO ₃ ) ₂ +mH ₄ SiO ₄ . оливин гематит растворимый растворимая бикарбонат кремнекислота магния Дальнейший процесс окисления и гидратации может привести к образованию гидроокислов железа (Fе ₂ O ₃ ·nН ₂ O) .
Гидратация — это процесс, заключающийся в присоединении воды к первичным минералам горных пород и образовании новых минералов. Можно привести следующие примеры гидратации:
1. Переход ангидрита в гипс по реакции СаSO ₄ +2H ₂ OЫCaSO ₄ -2H ₂ O (реакция обратима при изменении условий) .
2. Переход гематита в гидроокислы железа: Fе ₂ О ₃ +nН ₂ ОЫFе ₂ О ₃ ·nН ₂ О. При гидратации объем породы увеличивается и покрывающие отложения деформируются.
Растворение. Под влиянием воды, содержащей углекислоту, происходит растворение горных пород. Растворение особенно интенсивно проявляется в осадочных горных породах — хлоридных, сульфатных и карбонатных. Наибольшей растворимостью отличаются хлориды: соли натрия, калия и др. За хлоридами по степени растворимости стоят сульфаты, в частности гипс, за которыми следуют карбонатные породы: известняки, доломиты, мергели. В результате растворяющей деятельности поверхностных и подземных вод на поверхности растворимых пород образуются карстовые формы рельефа.
Гидролиз. Сложный процесс гидролиза особенно большое значение имеет при выветривании силикатов и алюмосиликатов. Он заключается в разложении минералов, выносе отдельных элементов, а также в присоединении гидроксильных ионов и гидратации. В ходе гидролиза первичная кристаллическая структура минерала нарушается и перестраивается и может оказаться полностью разрушенной и заменена новой, существенно отличной от первоначальной и соответствующей вновь образованным гипергенным минералам. В ряде случаев гипергенное преобразование силикатов и алюмосиликатов под влиянием воды, углекислоты и органических кислот протекает стадийно с образованием различных глинистых минералов. В качестве примера можно привести схему разложения полевых шпатов (полевой шпат промежуточный минерал-каолинит) : K[AlSi ₃ O ₈ ]®(К, Н ₂ 0) А1 ₂ (ОН) ₂ [A1Si ₄ O ₁₀ ]·nH ₂ 0®A1 ₄ (ОН) ₈ [A1Si ₄ O ₁₀ ] ортоклаз гидрослюда каолинит.
При образовании из полевых шпатов каолинита происходит несколько превращений и реакций:
1. Все катионы К, Na, Са при взаимодействии с углекислотой образуют истинные растворы карбонатов (СаСО ₃ , Na ₂ CО ₃ , К ₂ СОз) и бикарбонатов. В условиях влажного и теплого климата карбонаты выносятся за пределы; места их образования. В условиях сухого климата и недостатка влаги карбонаты остаются на месте, образуя твердую корку, или выпадают из раствора на некоторой глубине от поверхности. Такой процесс образования карбонатов называется карбонатизацией.
2. Каркасная структура полевых шпатов превращается в слоевую, свойственную каолиниту и другим глинистым минералам.
3. Часть растворенного кремнезема выносится водой, что подтверждается наличием в твердом стоке речных вод в среднею около 11% SiO ₂ . Значительная часть выносимого кремнезема быстро переходит в коллоидальное состояние и выпадает в виде аморфного гидратированного осадка SiO ₂ ·nН ₂ O, который при высыхании и частичной потере воды превращается в опал. Часть SiO ₂ остается прочно связанной в каолините.
4. Присоединение гидроксильных ионов в каолините. В результате выветривания магматических и метаморфических горных. пород, богатых алюмосиликатами (гранитов, гранодиоритов, гнейсов и др.) , образуются месторождения каолина. Каолинит в условиях земной поверхности достаточно устойчивый минерал. Но при благоприятных условиях — высокой температуре, большом количестве атмосферных осадков и огромном растительном отпаде — происходит дальнейшее разложение и образуются наиболее устойчивые соединения — гидроокислы алюминия, такие, как гиббсит, или гидраргиллят, А10(ОН) з — один из рудоносных минералов основной алюминиевой руды — боксита. Иногда гидроокислы алюминия распространены в виде пятен в каолинитах.
При выветривании полиминеральных горных пород наряду с гидроокислами алюминия на конечных стадиях образуются гидроокислы железа, иногда марганца, титана. Наибольшая интенсивность химического выветривания проявляется в железисто-магнезиальных минералах (оливин, пироксены, амфиболы) и основных плагиоклазах.
3. РОЛЬ ОРГАНИЧЕСКОГО МИРА В ПРОЦЕССАХ ХИМИЧЕСКОГО ВЫВЕТРИВАНИЯ
В сложных процессах химического разложения минералов и горных пород велика роль биосферы. Биогеохимическое воздействие на горные породы начинается уже с первых поселенцев на скальных поверхностях горных пород — различных микроорганизмов, лишайников и мхов. В результате такого воздействия на скальной поверхности породы после их отмирания появляются углубления, заполненные cyхим органическим веществом (биомасса микробных и других тел) . Все это подготавливает условия для последующего заселения скал высшими растениями и сопутствующей им фауной. Роль организмов в химическом выветривании определяется тем, что они поглощают из разрушаемой породы химические элементы в соответствии со своими биологическими потребностями (как питательные вещества) . К числу таких элементов относятся Р, S, С1, К, Са, Mg, Na, Sr, В, в меньшей степени Si и Al, Fe и др.
Анализ золы растений показывает, что содержание и соотношение элементов в ней вследствие различной интенсивности их биологического поглощения существенно иные, чем в исходных породах, В золе содержится в десятки раз больше Р, S, в несколько раз больше К, Са, Mg, а также микроэлементов, меньше Si, Al и Fe. Вместе с тем наличие в золе Si и Al свидетельствует о том, что уже первичная камнелюбивая растительность разрушает прочные связи между кремнеземом и глиноземом в кристаллической решетке алюмосиликатов. Следует отметить, что организмы участвуют не только в разложении первичных минералов и усвоении их элементов, но и в построении из этих элементов, которые после отмирания и минерализации органического вещества сохраняются в виде особых биогенных соединений. Таким образом, биологический круговорот веществ, свойственный верхней части коры выветривания и особенно почвенного покрова, характеризуется определенной цикличностью и направленностью развития — от поглощения живыми организмами элементов из разрушаемых пород до отмирания организмов, минерализации органических веществ и возврата элементов в окружающую среду в новом качестве. Этот процесс протекает многоступенчато. Иногда имеет место ряд различных по продолжительности циклов, связанных с разной продолжительностью жизни организмов, включая самые короткие — микробиологические.
Таким образом, воздействие органического мира на горные породы сводится или к физическому разрушению их, или к химическому разложению. Следует подчеркнуть условность подразделения процессов выветривания на физические и химические. Это единые сложно взаимосвязанные процессы, действующие одновременно, особенно в верхнем слое почвы и материнских пород. Можно говорить лишь о преобладании физического или химического процесса в зависимости от климата, рельефа, состава горных пород и других факторов.
Избирательный характер выветривания. В природных условиях отмечается неравномерность выветривания горных пород. Это связано с различной степенью трещиноватости горных пород. По трещиноватым зонам легче всего проникают вода и другие компоненты атмосферы и протекает интенсивный процесс выветривания в глубину, в результате которого образуются крупные, иногда с вертикальными склонами отрицательные формы рельефа (в случае выноса разрушенных частей) . В слоистых и неоднородных по составу и твердости горных породах легче всего выветриваются менее прочные или более растворимые породы.
Использованная литература
1. Оллиер К. Выветривание: Пер. с англ. — М. Недра, 1987.
2. Соловов А. П. Геохимические методы поисков месторождений полезных ископаемых: — М. Недра, 1988 г.
3. Якушова А.  Ф., Хаин В.  Е., Славин В.  И. Общая геология: М. МГУ, 1988 г.