Процессы выветривания горных пород и минералов

Минералы и горные породы при выходе на поверхность под­вергаются разрушению. Под воздействием температуры, воды, льда, воздуха и различных живых организмов магматические и ме­таморфические породы превращаются в рыхлые осадочные поро-. Ды.^Совокупность всех процессов физического измельчения и хи- (

мического изменения горных пород и минералов называется вы­ветриванием^ зависимости от преобладающих факторов и харак­тера изменения горных пород различают три вида выветривания: физическое, химическое и биологическое.

2.1. ВИДЫ ВЫВЕТРИВАНИЯ

Физическое выветривание — это механическое измель­чение горных пород и минералов на обломки различного размера без изменения химического состава. При этом действуют такие главные факторы выветривания, как суточные колебания темпе­ратуры, замерзание воды, ветер и др. При нагревании горных по­род входящие в их состав минералы расширяются. Поскольку раз­личные минералы имеют разные коэффициенты расширения, в местах контактов минералов возникает давление, разрушающее породу.

Одни минералы нагреваются быстрее и способны расширяться больше, другие нагреваются медленнее и расширяются меньше. При этом наружные слои пород нагреваются солнцем больше, а глубжележащие — меньше. Процессы нагревания и охлаждения чередуются в течение суток и сезонов, в результате образуются трещины. В мелкие трещины проникает вода и создает сильное капиллярное давление, приводящее к расширению трещин и раз­рушению пород. Зимой вода в трещинах замерзает и создает такое давление, при котором разрушаются даже самые твердые породы. Это морозное выветривание интенсивно протекает в областях с холодным климатом и в высокогорьях.

Разрушение минералов и горных пород под действием ветра и текучих вод зависит от их твердости. Геологическая деятельность ветра проявляется в разрушении горных пород, транспортировке (переносе) и отложении продуктов выветривания. Переносимый ветром песок обтачивает и истирает выступы горных пород. Ветер перемещает по земной поверхности огромные массы песка, при этом образуются эоловые формы рельефа — песчаные гряды, хол­мы и бугры.

Текучие воды переносят твердые минералы, которые шлифуют обломки горных пород, образуя окатанные формы.

В результате физического выветривания породы измельчаются и приобретают способность пропускать воду. При этом сильно увеличивается общая поверхность частиц, с которой соприкасают­ся вода и газы. Таким образом, создаются условия для химическо­го и биологического выветривания.

Химическое выветривание включает процессы растворе­ния, гидролиза, гидратации и окисления. В результате химическо­го выветривания образуются вторичные минералы, т. е. новые со­единения, отличающиеся по химическому составу от первичных минералов.

К факторам, обусловливающим химическое выветривание, от­носятся вода, диоксид углерода и кислород воздуха. Вода — самый активный фактор химического выветривания. Растворяющее дей­ствие воды усиливается в 2...2,5 раза при повышении температуры _на каждые 10 "С. Если же в воде содержится диоксид углерода, то растворимость минералов, особенно карбонатов, резко усиливает­ся.

Просачиваясь по трещинам, вода растворяет горные породы и

выносит из них хлориды, сульфаты и карбонаты. Растворение кар­бонатных пород и вынос их водой называют карстовым процес­сом. При этом возникают специфические — карстовые формы ре-

тгьефа.

Гидролиз — это химическое взаимодействие магматических ми­нералов и пород с водой. В результате гидролиза катионы калия, натрия, кальция и магния в кристаллической решетке алюмосили­катов замещаются на катионы водорода.

Рассмотрим пример, когда в процессе гидролиза из твердого минерала ортоклаза образуется мягкий глинистый минерал каоли­нит:

К₂А1₂51₆01₆ + 2Н₂0 + С0₂ = Н₂А1₂$1₂0₈ ■ Н₂0 + К₂С0₃ + 45Ю₂

ортоклаз каолинит поташ кварц

Таким образом, в результате химического выветривания алю­мосиликатов образуются глинистые (каолинит) и другие вторич­ные минералы. Процесс превращения полевых шпатов в каолинит называют каолинизацией. ТТйдратация — процесс присоединения молекул воды к минера­лам. Так, гематит в результате присоединения воды превращается в бурый железняк (лимонит):

2Ре₂0₃ + ЗН₂0 = 2Ре₂0₃ • ЗН₂0
гематит лимонит

При гидратации поверхность минералов разрыхляется, усили­вается воздействие на них водных растворов.

Окисление — процесс взаимодействия минералов с кислородом воздуха, приводящий к образованию новых минералов./Так, под влиянием сильного окислителя — кислорода воздуха — магнетит превращается в красный железняк, или гематит:

4Ре₃0₄ + 0₂ = 6Ре₂0₃

В результате химического выветривания первичных минералов образуются оксиды, а также вторичные алюмоферросиликаты, формирующиеся из гидроксидов железа, алюминия и кремния. В ^группу вторичных минералов в виде простых солей входят каль­цит, магнезит, доломит, гипс, галит, сильвин и др.

Продукты выветривания, оставшиеся на месте их образования, называют элювием (месторождения каолинита, бокситов, бурого железняка и др.).

До возникновения жизни на Земле горные породы подверга­лись только физическому и химическому выветриванию. С появ­лением органической жизни на земной поверхности стали актив­но протекать процессы биологического выветривания.; <\ ^Биологич еское выветривание —это механическое раз-гТЗушеТше и химическое изменение горных пород и минералов в ре­зультате жизнедеятельности растительных и животных организ­уют^ Растительность воздействует на горные породы непосред­ственно и косвенно. Корни растений, проникая в трещины пород, расклинивают их, вызывая механическое разрушение. Кроме того, корни растений выделяют органические кислоты, которые раство­ряют минералы, усиливая процесс химического выветривания. Так же действуют на минеральные соединения и органические кислоты, образующиеся при гниении растительных и животных остатков.

Важную роль в биологическом выветривании играют микро­организмы (бактерии, грибы, актиномицеты), лишайники, зем-лерои (земляные черви, личинки насекомых, кроты, суслики и др.). Многочисленные микроорганизмы вызывают биохимичес­кие процессы в почве. Так, нитрифицирующие бактерии образу­ют азотную кислоту, а серобактерии — серную кислоту. Кислоты энергично разлагают алюмосиликаты и другие минералы. Ли­шайники выделяют специфические лишайниковые кислоты, действующие на породы. Кроме того, гифы лишайников прони­кают в тонкие поры горных пород, вызывая их физическое раз­рушение.

Биологическое выветривание связано с почвообразовательным процессом. При физическом и химическом выветривании проис­ходит только превращение массивно-кристаллических пород в рыхлые осадочные породы, а при биологическом выветривании в верхних горизонтах накапливаются элементы питания растений и органическое вещество — это уже проявление почвообразователь­ного процесса. Особую роль в данном процессе играют зеленые растения. Корни растений взаимодействуют с минеральной час­тью почвы, избирательно поглощают элементы питания. После отмирания растений в верхних слоях почвы накапливаются азот, фосфор, калий, кальций, магний, сера и другие биогенные эле­менты.

Вся совокупность физических, химических и биологических процессов выветривания приводит к образованию рыхлых осадоч­ных пород, которые обогащаются глинистыми и коллоидными частицами. В результате почвообразующие породы приобретают способность удерживать влагу, становятся водо- и воздухопрони­цаемыми.

С накоплением в верхних земных слоях элементов питания ра­стений и органического вещества возникает новое тело приро­ды -— почва, обладающая плодородием.

2.2. БОЛЬШОЙ (ГЕОЛОГИЧЕСКИЙ) И МАЛЫЙ (БИОЛОГИЧЕСКИЙ) КРУГОВОРОТЫ ВЕЩЕСТВ

^ Продукты выветривания горных пород под влиянием атмос­ферных осадков и колебаний земной коры вовлекаются в боль­шой геологический круговорот. Атмосферные осадки, стекая по поверхности суши, растворяют минеральные вещества, элементы питания и выносят их из почвы в ручьи, реки, моря, океаны. Эти процессы происходят в течение тысячелетий, что вы­зывает колоссальные перемещения минеральных веществ. В ре­зультате на дне океанов образуется толща осадочных пород, кото­рые часто под влиянием давления и температуры переходят в раз­личные метаморфические породы. Пройдут целые геологические эпохи, и под влиянием тектонических процессов море отступит, а накопившиеся на его дне породы выйдут на поверхность, где они опять будут подвергаться воздействию воды, ветра и других факто­ров, и тогда наступит новый цикл большого геологического круго­ворота.

Большой геологический круговорот веществ обусловливает обеднение горных пород и почв продуктами выветривания мине­ралов, что впоследствии приводит к ухудшению агрономических свойств почв и обеднению их элементами питания. | Малый, или биологический, круговорот проти­воположен большому геологическому круговороту веществ. Био­логический круговорот элементов питания растений слагается из следующих процессов:

растения поглощают из почвы азот, водород, фосфор, калий, I кальций, магний, серу, железо и другие элементы, а из атмосфе­ры — углерод и кислород;

из этих элементов формируется биомасса растительных орга­низмов;

микроорганизмы разлагают отмершие растительные остатки, в почву возвращаются доступные растениям элементы питания, ко­торые вовлекаются следующими поколениями растений в новый биологический круговорот.

Таким образом, малый круговорот веществ способствует на­коплению в почве биогенных элементов, которые циркулируют в системе почва — растение — почва. В результате такого взаимо­действия организмов с породой и почвой прогрессирующими тем­пами увеличивается естественное почвенное плодородие. В этом состоит сущность почвообразовательного процесса, так как чере­дование процессов синтеза и разложения органических веществ сопровождается концентрацией в верхних земных горизонтах эле­ментов питания растений.

Для повышения почвенного плодородия необходимо стремить­ся к тому, чтобы в биологическом круговороте удерживалось мак­симальное количество питательных элементов, а их поступление в геологический круговорот было минимальным. В условиях сельс­кохозяйственного производства в биологический круговорот ве­ществ между почвой и возделываемыми растениями системати­чески должны включаться питательные элементы. Для этого в по­чву вносят органические и минеральные удобрения.

Контрольные вопросы и задания. 1. Что понимают под выветриванием горных пород и минералов? 2. Назовите виды выветривания. Под влиянием каких факто­ров они протекают? 3. В чем заключается сущность физического, химического и биологического выветривания? 4. Чем характеризуются продукты физического и химического выветривания? Какова разница между ними? 5. Какова роль вывет­ривания в почвообразовании? 6. Что такое геологический и биологический круго­вороты веществ?

Глава 3 РЕЛЬЕФ

3.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ФОРМ РЕЛЬЕФА

Рельеф — это совокупность всех неровностей земной поверхно­сти. Формы рельефа в различных природных условиях различают­ся по размерам, происхождению и внешнему виду.

Морфометрическая классификация подразделяет все формы рельефа по размерам.

Мегарельеф — это крупнейшие формы рельефа, к которым от­носятся материки и их составные части.

Макрорельеф — крупные территории с колебанием высот до не­скольких сотен и тысяч метров. Это равнины, возвышенности, низменности (Русская равнина, Западно-Сибирская, Прикаспий­ская низменности, Уральские и другие горы).

Мезорельеф — средние по размерам неровности земной поверх­ности с колебанием высот до нескольких десятков метров (овраги, балки, водоразделы, речные долины, моренные и песчаные гря­ды).

Микрорельеф — мелкие формы рельефа с колебанием высот в пределах 1 м. Горизонтальные размеры достигают нескольких де­сятков метров (небольшие понижения и повышения, степные блюдца, холмики, ложбинки стока).

Нанорельеф — мельчайшие формы рельефа в виде неровностей и шероховатостей поверхностей с разницей высот в несколько де­сятков сантиметров (кочки, борозды, небольшие промоины, ямки, бугорки).

Генетическая классификация основана на объединении форм рельефа по происхождению и в зависимости от ведущего

рельефообразующего фактора. Различают рельеф эндогенного и экзогенного происхождения.

Эндогенные процессы — это проявление внутренних сил Земли, вызывающих тектоническое движение земной коры (литосферы)', землетрясения, образование складок, разломов.

Горообразовательные процессы происходили в областях макси­мального проявления внутренних сил Земли. После прекращения роста горных хребтов вступали в действие экзогенные факторы.

Экзогенные процессы обусловлены внешними силами, к кото­рым относятся силы гравитации, деятельность поверхностных те­кучих вод, льда, снега, талых ледниковых вод, морских, озерных и подземных вод, а также деятельность ветра, животных, человека.

Если эндогенные (внутренние) силы Земли создают неровнос­ти земной поверхности, то экзогенные (внешние) силы нивелиру­ют горный рельеф до тех пор, пока не сформируется полого-всхолмленная равнина, переходящая в платформу.

3.2. РОЛЬ ЧЕТВЕРТИЧНЫХ ОЛЕДЕНЕНИЙ В ФОРМИРОВАНИИ РЕЛЬЕФА

В четвертичный период на обширные территории наступали мощные ледники, оставляя после себя формы рельефа водно-лед­никового происхождения. Очаг трех древних оледенений находит­ся в Скандинавских горах. Ледники покрыли весь север Европы и значительную часть Сибири. В период самого древнего — Лихвин-ского оледенения южная граница ледника находилась между Мос­квой и Рязанью. Самым обширным было Днепровское оледене­ние, языки которого доходили до Кременчуга и устья р. Медведи­цы. В период последнего — Валдайского оледенения ледник по­крывал только северные территории, включая Валдайскую возвышенность.

При движении ледник сглаживал, стирал неровности, оставлял шрамы на скалах, захватывал огромные массы различных пород, которые отложились после отступления ледника в виде моренных ^гряд и холм.ов различной мощности. Массы камней и мелкозема захватывались краями ледника, образуя две боковые морены. При Движении ледника они сближались, формируя центральную море-^НУ-Образование донной морены связано с движением льда, кото­рый отрывал внизу твердые горные породы и измельчал их.

Движение твердых горных пород вызывало абляционную (раз­рушающую) и абразионную (размельчающую) деятельность. Твер­дые гранитные породы, захваченные ледником на Скандинавском ^гс>рном массиве, вызывали ледниковую абляцию, полировку и ^стирание горных пород.

В определенные периоды ледник создавал аккумулятивные

Формы рельефа. Ледник захватывал и переносил огромные массы

РУпных глыб, камней различного размера, хрящ, песок и глину.

Весь этот материал передвигался с ледником на юг и юго-восток. После таяния включенный в толщу льда материал или оставался на месте в несортированом виде, или перемещался и сортировался потоками ледниковых вод. Так формировался моренный рельеф, характеризующийся наличием моренных гряд, холмов, вытянутых ледниковых впадин.

Моренный рельеф образовался нагромождением ледникового материала без его перемещения и сортирования. В средней полосе России широко распространены равнинные морены, которые включают валуны, камни, хрящ, песок и глину.

Одновременно с формированием моренных ландшафтов во время таяния ледника создавались формы рельефа из сортирован­ных материалов. С наступлением периода потепления лед быстро таял, мощные потоки воды, двигаясь на юг, увлекали мелкие кам­ни, хрящ, песок и особенно глинистый материал. При движении ледниковых вод весь этот материал сортировался в зависимости от скорости движения водных потоков. Наиболее крупные фракции откладывались по берегам рек и в пологих депрессиях. Быстроте­кущие ледниковые воды переносили и откладывали грубый песча­ный материал, часто содержащий окатанные валуны. Такие отло­жения называются флювиогляциальными песками. Для них ха­рактерен зандровый ландшафт. В средней полосе это Мещёра и Полесье, а на юге—Донские и Днепровские пески. Среди зандровых равнин, покрытых лесом, много вытянутых деп­рессий, занятых озерами или заболоченными почвами. Вот поче­му Мещёрскую низменность называют страной болот, песков и

лесов.

Для песчаных отложений характерен также озовый рель-е ф. Озы — отложения песчано-галечникового материала в виде вытянутых гряд, похожих на железнодорожные насыпи. Озы бы­вают длиной в несколько километров, шириной 100...200 м и вы­сотой 5...60 м. Они часто пересекают труднопроходимые болота, где служат единственной дорогой. Существует мнение, что в лед­нике текли талые воды по промытым ими тоннелям, в которых от­кладывался песчано-галечниковый материал. После таяния лед­ника эти отложения легли на земную поверхность в виде вытяну­тых гряд. Озы не распахивают, их используют для проложения до­рог через заболоченные территории.

Древние оледенения оставили после себя своеобразный д р у м -линный и камовый рельеф.

Друмлины — это холмы мягких очертаний, вытянутые в направ­лении движения ледника, достигающие длины 2 км и ширины 0,5 км. Высота друмлин может составлять несколько десятков мет­ров. Друмлины сложены плотной глиной с валунами.

Камы — холмы с плоской вершиной, высотой 5...70 м, шириной 100...200 м. Они сложены сортированным супесчаным и песчаным материалом с включением гравия и валунов. Их происхождение,

видимо, связано с отложением переносимого в надледниковые озера сортированного материала, который при таянии ледника опустился на земную поверхность и остался на ней в виде камов.

3.3. РЕЛЬЕФООБРАЗУЮЩАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ПОВЕРХНОСТНЫХ ТЕКУЧИХ ВОД

Выпадая на земную поверхность, атмосферные воды смывают, переносят и сортируют продукты выветривания. Крупнообломоч­ный материал чаще всего остается на месте своего образования или переносится на небольшие расстояния. Песок может перено­ситься на более, значительные расстояния, но при замедлении те­чения быстро осаждается, образуя песчаные отложения.

Глинистые частицы переносятся водой на большие расстояния. Они попадают в различные водные бассейны, моря и океаны, где медленно осаждаются.

'Процессы смыва, размыва и переноса мелкозема водой называ­ются водной эрозией. Водная эрозия бывает плоскостной (поверх­ностной) и линейной (овражной). Плоскостная эрозия проявляется на склонах при движении воды сплошным потоком или небольшими струйками.

Талые и дождевые воды смывают верхние горизонты почвы. Образующиеся мелкие струйчатые промоины заделываются при обработке почвы. Мощность почвенного слоя постепенно умень­шается. При очередной вспашке верхний пахотный слой переме­шивается с нижележащими горизонтами или материнской горной породой.

Линейная, или овражная, эрозия — это размыв почвы и пород в глубину с образованием рытвин, глубоких промоин и оврагов. 1

Реки выполняют огромную эрозионную и аккумулятивную ра­боту. Они переносят массу взмученных и растворенных в воде ве­ществ, которые осаждаются на дне морей и океанов.

Горные реки имеют быстрое течение, большие уклоны и обла­дают огромной кинетической энергией. Они углубляют свое русло и выносят измельченный материал к месту впадения. Равнинные реки обладают меньшей транспортирующей силой, при впадении они образуют дельты. Материал, отложенный рекой в ее низовьях, называют депозитом.

Река создает особую форму рельефа — долину. Формы и разме­ры долин зависят от массы и скорости стекающих вод, особеннос­тей рельефа и горных пород, характера паводков и степени обле-сенности территории.

Горные реки с бурным течением, протекающие по разломам твердых скальных пород, «пропиливают» узкие долины, шириной 20...30 м, с отвесными берегами, достигающими высоты 200...300 м и более. Такая долина горной реки называется тесниной.

В относительно рыхлых породах горные реки вырабатывают каньон —- долину с покатыми склонами, напоминающими в раз­резе букву V. Часто горные реки образуют глубокие скалистые ущелья с выпуклыми склонами. У всех горных рек отсутствует пойма.

Долины равнинных рек состоят из русла, поймы и надпоймен­ных террас. Пойма представляет собой плоскую часть речной до­лины, затопляемую в половодье. Большинство равнинных рек имеют широкие поймы, образованные в результате боковой эро­зии реки и аккумуляции аллювия — речных наносов.

По мере развития речной долины в ней формируются террасы, которые возвышаются над поймой в виде горизонтальных или слегка наклоненных к реке площадок. Террасы вытянуты вдоль склонов долины. Их происхождение связано с боковой эрозией реки, которая вырабатывает коренные породы или рыхлые речные отложения. Долины крупных рек имеют несколько надпойменных террас различной ширины. Речные террасы используют под сель­скохозяйственные или лесные угодья.

3.4. ДЕЙСТВИЕ ПОДЗЕМНЫХ ВОД

Под влиянием подземных вод формируются карстовые и оползневые формы рельефа.

Карстовые формы рельефа возникают в местах, где зем­ная поверхность сложена растворимыми водой горными порода­ми: известняками, доломитом, гипсом и др. Вода, двигаясь по тре­щиноватым породам, растворяет их и выносит продукты растворе­ния: галит N301, глауберову соль N32804, соду N32003 и сульфат магния М§50₄. Хуже растворяется гипс Са80₄ ■ 2Н₂0, еще хуже — карбонаты — кальцит СаС0₃ и магнезит М§С0₃, входящие в со­став известняков, доломитов и мергелей.

К открытым карстовым формам рельефа относятся: карры, блюдцеобразные впадины, карстовые воронки, колодцы, котлови­ны, полья.

Оползневые формы рельефа образуются на нераствори­мых осадочных породах. Оползни возникают на крутых склонах речных долин, берегов, озер, морей — там, где на некоторой глу­бине залегают водоупорные глинистые горизонты. По этим гли­нам и «сползают» слагающие склон массы рыхлых пород.

3.5. ЭОЛОВЫЕ ФОРМЫ РЕЛЬЕФА

Ветер обладает разрушительной, транспортирующей и аккуму­лирующей способностью. Под действием ветра происходят выду­вание, вытачивание (коррозия) и развевание (дефляция) горных пород. Дефляционная деятельность ветра сильнее проявляется на равнинных территориях— там, где отсутствует лесная раститель-

ность (в пустынях, полупустынях и сухих степях). В этих местах ветер достигает огромной силы и переносит пылеватый и песча­ный материал.

Продукты разрушения горных пород, перенесенные и отсорти­рованные ветром, в местах аккумуляции образуют эоловые отло­жения. Песок передвигается ветром по земной поверхности на не­большие расстояния, образуя песчаные холмы, гряды, дюны или барханы. Эти эоловые формы широко распространены в песчаных пустынях.

Кучевые пески в виде холмов, бугров и куч создают грядово-буг-ристые формы рельефа, часто заросшие кустарником и травой.

Дюны — песчаные бугры, вытянутые в направлении ветра. Бар­ханы — подковообразные бугры, высота которых составляет не­сколько десятков метров. С наветренной стороны барханы имеют покатые склоны, а с подветренной — крутые. В пустынях встреча­ются грядовый рельеф на древних развеваемых песках и увало-останцовый рельеф, образованный на не полнос­тью разрушенном старом рельефе с добавлением новых эоловых наносов.

Контрольные вопросы и задания. 1. Что такое рельеф? Какие формы рельефа выделяют по размеру? 2. Чем характеризуются эндогенные и экзогенные процес­сы? 3. Какова роль древних оледенений в формировании рельефа? 4. Дайте харак­теристику форм рельефа ледникового происхождения. 5. Какие формы рельефа создают поверхностные текучие воды? 6. Назовите формы рельефа, созданные подземными водами. 7. Чем характеризуются эоловые формы рельефа?

Раздел II ПРОИСХОЖДЕНИЕ, СОСТАВ И СВОЙСТВА ПОЧВ

•

Глава 4

ПОЧВООБРАЗОВАТЕЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ И ФОРМИРОВАНИЕ ПОЧВЕННОГО ПРОФИЛЯ