Демонстрационная лекция

Тема: Выветривание.

Выветривание – это изменение горных пород любого состава и структуры, которое происходит в поверхностных условиях под совокупным действием физических, химических и биохимических процессов. Под действием этих процессов горные породы и слагающие их минералы в приповерхностной части земной коры преобразовываются. В процессе выветривания возникают своеобразные образования, которые носят название коры выветривания.

Область, в которой происходит преобразование минерального вещества, слагающего горные породы, или дезинтеграция минерального единства горных пород называется зоной выветривания, или зоной гипергенеза (от греч. «гипер» - над, сверху). Сам процесс выветривания довольно сложен и протекает крайне медленно. Он зависит от климата, рельефа местности, где выступают коренные породы, наличия разрывных нарушений, состава организмов, участвующих в процессе выветривания, а также от минерального состава самих горных пород, их структурно-текстурных особенностей.

В зависимости от преобладания того или иного физико-географического и физико-химического фактора выделяют два взаимосвязанных типа выветривания: физическое и химическое (биохимическое).

Физическое выветривание. В этом типе выветривания особенно большое значение имеет температурный фактор, кристаллизация воды и солей и в меньшей степени биологический фактор.

Температурное выветривание. В результате суточных и сезонных колебаний температур, которые приводят то к нагреванию, то к охлаждению поверхности горных пород, и из-за разного коэффициента теплового расширения и сжатия, а также теплопроводности минералов, слагающих горные породы, между минералами возникают определенные напряжения и начинают нарушаться силы сцепления.

Минеральные зерна в разной степени температурного выветривания сжимаются и расширяются, а потому возникают сжимающие и расширяющие усилия. В полном объеме эти процессы сказываются в самой верхней части коренных пород, выступающих на дневную поверхность. Особенно ярко этот процесс температурного выветривания проявляется среди полиминеральных горных пород, и в частности, среди гранитов, сиенитов, габбро, гнейсах и кристаллических сланцах.

Длительное воздействие только температурного фактора на поверхность твердых коренных пород приводит к тому, что из-за разницы температурного коэффициента объемного расширения нарушается взаимное сцепление отдельных минеральных зерен. В результате этого в горных породах возникают трещины и происходит дезинтеграция породы. Целые блоки некогда плотных и твердых пород распадаются на отдельные обломки разных размеров (глыбы, щебень, песок, алевролиты).

На интенсивность температурного выветривания влияют цвет горных пород и размеры слагающих ее минеральных зерен. Чем крупнее зерна, тем быстрее они разрушаются. Под влиянием солнечных лучей темноцветные минералы нагреваются и остывают быстрее и больше, чем бесцветные. Поэтому темноокрашенные горные породы быстрее разрушаются.

Дезинтеграции горных пород способствует наличие водяных паров и пленок, которые просачиваются и конденсируются на стенках возникающих трещин.

Температурное выветривание активно протекает в пустынях, на вершинах и склонах гор не покрытых снегом и льдом. Здесь поверхность горных пород днем хорошо прогревается, а в ночное время остывает до отрицательных температур.

Механическое выветривание. В жарких районах механическое воздействие на горные породы и их дезинтеграция происходит в результате роста кристаллов солей в капиллярных трещинах и порах. В дневное время, когда поверхность пород сильно прогревается, капиллярная вода притягивается к поверхности и испаряется, а соли, содержащиеся в ней кристаллизуются. Под давлением растущих кристаллов трещины и поры расширяются. Монолитность породы нарушается и, она начинает растрескиваться и разрушаться.

Особенно сильным разрушающим фактором при механическом выветривании оказывается замерзающая вода. Вода проникает в трещины и в поры и при наступлении отрицательных температур замерзает, при этом она увеличивается в объеме почти на 10 % и оказывается огромное давление на стенки трещин. Под действие замерзающей воды легко раскалываются трещиноватые и пористые породы. Процессы, связанные с воздействием периодически замерзающей воды, называют морозным выветриванием.

Сильное механическое воздействие на толщи горных пород оказывают корневая система деревьев, трав, мха и лишайников, а также роющие животные. Корни растений, проникая по трещинам, оказывают расклинивающее действие и вызывают раскалывание породы на отдельные глыбы и обломки. Механическое воздействие на коренные породы оказывают муравьи, земляные черви, грызуны, а также норные животные.

Возникшие в процессе физического выветривания продукты остаются на месте, тем самым создаются элювиальные образования (от лат. «элювио» - разлив, наводнение). Чаще продукты физического выветривания перемещаются вниз по склонам возвышенностей и гор, смываются поверхностными водами, удаляются ветром и льдом.

Химическое выветривание. Основную роль в химическом выветривании играет влага, особенно насыщенная газами и химическими соединениями, под действием которых начинают видоизменяться физико-химические особенности пород. Главными факторами химического выветривания являются вода, кислород, углекислота и органические кислоты. Под их влиянием существенно изменяется структура и вещественный состав горных пород и образуются новые минералы, которые оказываются устойчивыми в поверхностных или гипергенных условиях. В химическом выветривании принимают участие и органические кислоты, выделяемые растительностью и микроорганизмами. Следовательно, в данном типе выветривания принимают участие и биохимические процессы.

Важнейшим фактором химического и биохимического выветривания является вода, которая не только растворяет химические элементы и соединения, находящиеся в горной породе, но и обусловливает миграцию наиболее подвижных химических соединений. Биомасса растительного опада в результате своего преобразования и переработки организмами создает агрессивные органические кислоты, которые и преобразуют химические соединения, входящие в состав горных пород. Вода в той или иной степени диссоциирована на положительно заряженные гидроксидные ионы (Н⁺) и отрицательно заряженные гидроксидные ионы (ОН^–), что определяет способность воды вступать в химические реакции с кристаллами. Чем выше концентрация водородных ионов в растворах, тем выше скорость процессов выветривания, сущность которых заключается в извлечении из кристаллических решеток минеральных зерен катионов и их удалении.

Скорость воздействия на горные породы во время химического выветривания возрастает в том случае, когда в растворе присутствуют углекислота и органические кислоты. Химическое воздействие на минералы и горные породы оказывают находящиеся в растворенном виде такие ионы, как HCO₃^–, SO₂^–,Ca₂⁺, Mg₂⁺, Na⁺, K⁺. Перечисленные ионы замещают заряженные атомы в кристаллах или взаимодействуют с ними, тем самым нарушая единство кристаллической решетки. Процессы химического выветривания последовательно происходят в следующих основных химических реакциях: окислении, гидратации, растворении и гидролизе.

Окисление. Этот процесс наиболее интенсивно протекает в горных породах, содержащих минералы, состоящие из соединений железа (III), марганца. Например, при окислении магнетит переходит в более устойчивую форму – гематит:

Fe₃O₄ → Fe₂O₃

или двухвалентная форма железа переходит в трехвалентную. Возникшие минералы более устойчивы в поверхностных условиях.

Сульфиды в кислой среде становятся неустойчивыми и постепенно замещаются сульфатами, оксидами и гидроксидами. Так, можно представить преобразование пирита, который последовательно при окислении вначале превращается в сульфат железа, затем в сульфат оксида железа и наконец в лимонит или бурый железняк:

FeS₂ + n O₂ + n H₂O → Fe₃O₄ → Fe₂(SO₄)₂ → Fe₂O₃ · n H₂O

пирит бурый железняк лимонит

На первой стадии в реакции участвует серная кислота, присутствие которой существенно усиливает процесс преобразования и способствует дальнейшему разложению минералов. Возникший на последней стадии бурый железняк представляет собой сложный полиминеральный агрегат, который состоит из гётита (FeO · H₂O) и гидрогётита (FeO · H₂O · n H₂O). Над залежами сульфидных руд и других железосодержащих минералов в результате процессов выветривания возникают железистые корки (железная шляпа), которые длительное время сопротивляются размыву и переносу.

Устойчивый в поверхностных условиях гематит возникает и при выветривании таких минералов, как оливин, пироксены, амфиболы под действием воды, кислорода и углекислоты. Реакция такого преобразования может быть изображена следующим образом:

(Mg,Fe)₂(SiO₄) → Fe₂O₃ + n Mg(HCO₃)₂ + n H₄SiO₄

оливин гематит растворимые соединения

В результате процесса преобразования железосодержащих минералов и их перехода в лимонит многие горные породы, в частности пески, песчаники, глины, мергели, окрашиваются в бурый или охристый цвет, что свидетельствует об окислении включений, содержащих железистые минералы.

Гидратация. Данный процесс заключается в присоединении воды к веществу. В результате этого осуществляется закрепление молекул воды на поверхности некоторых участков кристаллической решетки. Хорошим примером гидратации является переход ангидрита в гипс:

СаSO₄ + 2H₂O → СаSO₄ · 2H₂O

ангидрит гипс

При изменении условий реакция обратима и гидратация превращается в дегидратацию.

Процесс гидратации происходит при переходе гематита в гидроксиды железа. Например, гётит переходит в гидрогётит. Реакция идет по формуле

FeOOH + n H₂O → FeO · n H₂O

гётит гидрогётит

Растворение. Горные породы растворяются водами, содержащими углекислоту и органические кислоты. Под действием такой воды, стекающей по трещиноватой поверхности горных пород и просачиваясь сквозь трещины и поры, этот процесс распространяется на глубину. Особенно интенсивно он проявляется в осадочных горных породах, которые представлены хлоридами, сульфатами и карбонатами. В процессе растворения среди монолитных толщ осадочных пород возникают различные полости.

Гидролиз. Особенно хорошо этот процесс проявляется при выветривании силикатов и алюмосиликатов. Сущность этого процесса заключается в разложении минералов и выносе отдельных элементов и соединений и присоединение к оставшимся соединениям гидроксильных ионов и гидратации. При этом существенным образом нарушается структура кристаллов, которая заменяется совершенно новой. В гипергенных условиях каркасная структура полевых шпатов превращается в слоевую, которая характерна для различных глинистых минералов.

При выветривании полиминеральных пород которые содержат марганец, титан и никель, а ими являются железисто-магнезиальные минералы (оливин, пироксены, амфиболы) и основные плагиоклазы, наряду с образованием гидроксидов алюминия возникают гидроксиды железа и оксиды марганца, титана, никеля. Эти подвергшиеся сильному выветриванию участки представляют собой своеобразные месторождения.
При выветривании горных пород в условиях достаточно высокого увлажнения, но при определенном дефиците теплоты, выветривание не достигает каолинитовой стадии и образуется целый ряд глинистых минералов, таких как гидрослюда, монтмориллонит, нонтронит и высокоглиноземистый минерал бейделлит.

Биохимическое выветривание. В химическом разложении первичного вещества участие принимают не только сугубо химические соединения, находящиеся в природных водах в коллоидной форме или в форме истинных растворов, но и химические кислоты и соединения, полученные в результате жизнедеятельности организмов. Биохимическое воздействие на горные породы начинается с момента первого появления на скальных породах микроорганизмов, лишайников и мхов. В результате механического действия и от выделяющихся в процессе их жизнедеятельности веществ на поверхности породы появляются трещины и углубления, которые заполняются после их отмирания сухим органическим веществом. Оно служит основой для жизнедеятельности высших растений, которые в последующем заполняют эти места. Таким образом, первичные поселенцы как бы подготавливают основу для последующего заселения.

Роль организмов в выветривании заключается в том, что они в процессе своего роста извлекают из породы необходимые для своей жизнедеятельности элементы, но одновременно своими корнями разрушают саму породу. К числу биогенных элементов относятся P, S, K, Ca, Mg, Na, Sr, B, Fe, Si.

Роль биохимического выветривания состоит в том, что часть организмов в процессе своей деятельности создают кислую среду, выделяя органические кислоты, под действием которых ускоряется процесс выветривания. В процессе преобразования отмершего органического вещества образуются углекислота и органические кислоты, которые значительно усиливают растворение и гидролиз породообразующих минералов. Интенсивность биохимического выветривания зависит от величины биомассы.

Биохимическое выветривание представляет сочетание двух процессов: механического разрушения коренных пород или физического выветривания и химического разложения обломков и зерен.

В результате совместного и достаточно сложного взаимосвязанного процесса физического, химического и биохимического выветривания на земной поверхности возникают различные продукты выветривания.

К коре выветривания относится комплекс элювиальных образований, возникших в приповерхностной части земной коры в результате преобразования в континентальных условиях магматических, метаморфических и осадочных горных пород под воздействием физических, химических и биохимических процессов. Для коры выветривания характерны зависимость состава и мощности от физико-химических факторов, действующих на земной поверхности, и постепенный переход с глубиной в слабоизмененные процессами выветривания, а затем и свежие исходные (материнские) породы.

Кора выветривания имеет переменную мощность и нечетко выраженную нижнюю границу. В зависимости от распространения выделяют площадную кору выветривания и линейную. Площадные коры выветривания развиваются в виде покрова плащеобразно, перекрывая обширные площади в десятки и сотни квадратных километров. Линейные коры выветривания имеют в плане линейное расположение и приурочены к ослабленным зонам, к зонам разломов и повышенной трещиноватости, к контактам разных по текстурно-структурным и вещественному составу горных пород.