Выветривание

Большинство геологических процессов на поверхности Земли обус­ловлены действием солнечной энергии и силы тяжести. Такие процес­сы называются экзогенными. Все горные породы под воздействием це­лого ряда факторов постепенно разрушаются — выветриваются. Образовавшиеся мелкие обломки — дресва, песок, глина — смываются дождем, водными потоками, т. е. перемещаются. Этот процесс называ­ется денудацией. В дальнейшем весь рыхлый материал где-то накапли­вается — происходит его аккумуляция. Процесс разрушения первона­чально монолитных горных пород — выветривание — является очень важным в ряду выветривания, денудации и аккумуляции. Приходя в контакт с атмосферой, гидросферой и биосферой, горные породы, ра­нее находившиеся на глубине, подвергаются изменению своего состоя­ния, нарушению сплошности и, наконец, дезинтеграции, разрушению на мелкие частицы.

Какие же процессы приводят к выветриванию горных пород? Прежде всего это физическое, механическое разрушение, а также химическое и биохимическое разложение минералов и горных пород. Воздействие этих факторов усиливается тем, что как в магматических, так и в осадочных породах всегда присутствуют первичные трещины или тре­щины отдельности, возникшие при сокращении объема породы, после ее остывания или образования. Следовательно, увеличивается площадь соприкосновения породы с воздухом и водой, в трещины легко прони­кают корни растений (рис. 5.1). Механическое разрушение породы свя­зано как с особенностями состава и строения самой породы, так и с внешними воздействиями. Первичные трещины в породах по мере эро­зии залегающих выше толщ высвобождают усилия давления и расши­ряются, разрушая материнские породы (рис. 7-9 на цветной вклейке).

Однако наиболее существенным физическим фактором, вызываю­щим дезинтеграцию пород, являются температурные колебания, как суточные, так и сезонные. Темная поверхность горной породы летом может нагреваться до +60 "С, а в пустынях и выше. В то же время внутренняя часть породы гораздо холоднее. Ночью температура падает, а днем снова возрастает. Так происходит температурное «раскачива­ние» не только разных частей породы, но и ее минеральных составляю-
□ □□□ □ □□□ □ □□□ □ □□□

*— 1м -0,5м-

Рис. 5.1. Увеличение поверхности выветривания породы по мере ее растрескивания

щих, особенно в полиминеральных породах, таких как граниты, гней­сы, лавы с крупными кристалликами-вкрапленниками. Разные минера­лы обладают различными коэффициентами объемного расширения, причем даже в одном минерале этот коэффициент меняется в зависи­мости от направления. Расширяясь и сжимаясь в разной степени, ми­нералы провоцируют микронапряжения в горной породе, которые рас­шатывают ее «скелет», и она рассыпается на мелкие обломки — дресву.

Когда поверхность горных пород в каком-либо обнажении нагрева­ется сильнее внутренних частей и, соответственно расширяется боль­ше, то наблюдается отслаивание, шелушение породы параллельно по­верхности обнажения. Такой процесс называется десквамацией.

5.1. МЕХАНИЧЕСКОЕ, ХИМИЧЕСКОЕ И БИОЛОГИЧЕСКОЕ ВЫВЕТРИВАНИЕ

1м I

Морозное, или механическое, выветривание связано с увеличением объема воды, попавшей в трещины, при замерзании. Вода, замерзая, превращается в лед, объем которого на 10 % больше, и при этом созда­ется давление на стенки, например, трещины, до 200 МПа, что значи­тельно больше прочности большинства горных пород (рис. 5.2). Такое же расклинивающее действие на породы оказывают кристаллы соли при их росте из раствора. Механическое расклинивающее воздействие на горные породы оказывают корни деревьев и кустарников, которые, увеличиваясь в объеме, создают большое добавочное напряжение на стенки трещины. Хорошо известно, как раньше раскалывали гранит­ные блоки. В них забивали дубовые клинья, поливали их водой, и раз­бухший клин разрывал породу на блоки. Даже мелкие грызуны, а так­же черви, муравьи и термиты оказывают механическое воздействие на горную породу, роя ходы до 1,5 м глубиной. Земляные черви способны переработать до 5 т почвы на 1 га за 1 год. При этом поверхностные слои почвы обогащаются гумусом. Улитки высверливают глубокие ходы в карбонатных породах, а муравьи роют неглубокие, но многочислен­ные ходы, разрыхляя почву и способствуя проникновению в нее возду­ха. Разрушение горных пород происходит по трещинам (рис. 5.3). Особенно эффектно выветривание выглядит в гранитных скалах (рис. 5.4).

/ //

Рис. 5.2. Морозное выветривание. 1 — дождь заполняет водой трещины в горной породе; 2 — при замерзании воды лед (черное) увеличивается в объеме на 10 % и распирает породу, отдельные куски которой отваливаются от общей массы

Рис. 5.3. Идеализированная схема формирования концентрическо-скорлуповатой отдельности при выветривании по трещинам

Рис. 5.4. Матрацевидная форма выветривания в палеозойских гранитах. Центральный Казахстан

Очевидно, что температурное выветривание шире всего проявляет­ся в условиях жаркого климата, особенно в пустынях, где перепады дневных и ночных температур достигают 50 "С. Морозное выветрива­ние свойственно полярным и субполярным областям, а также высоко­горьям, для которых характерны развалы обломков горных пород.

Химическим выветриванием называется разрушение горных пород под воздействием воды, кислорода, углекислоты и органических кис­лот, содержащихся в воздухе и воде и воздействующих на поверхность пород, растворяя их (рис. 5.5).

Химические выветривание представлено несколькими основными процессами: растворением, окислением, гидратацией, восстановлением, карбонатизацией, гидролизом.

ю-

Растворение играет наиболее важную роль, т. к. связано с воздействием воды, в которой растворены ионы Na⁺, К⁺, Mgⁱ⁺, Са²⁺, CI SO^2-, НС0₃~ и др. Особенно существенны ионы водорода (Н⁺), гидро- ксильный ион (ОН) и содержание 0₂, С0₂ и органических кислот. Как известно, концентрации ионов Н⁺ оценивают в виде рН-логарифма концентрации ионов. При рН = 6 растворимость железа в 100 тыс. раз (!) больше, чем при рН = 8,5. Глинозем — А1₂0₃, практически нераство­римый при рН от 5 до 9, при рН < 4 прекрасно растворяется. Кремне­зем — SiO,₂ — значительно увеличивает свою растворимость при пере­ходе от кислых растворов с рН < 7 к щелочным рН > 7. Отсюда ясно, какую важную роль играет водородный ион в ускорении процессов химического выветривания, в частности растворения.

Хорошо растворяются соли хлористо-водородной и соляной кислот. Так, на 100 частей воды по весу NaCl приходится 36 частей, RC1 — 32, MgCl — 56, CaCl — 67. Карбонаты и сульфаты растворяются хуже, например на 10 тыс. частей воды всего 20 частей CaSO, или 25 частей CaSO, •

А л

• 2Н₂0. Еще хуже растворяются карбонатные породы, известняки, мергели, доломиты. Однако если растворение продолжается длительное время, то возникает большое разнообразие карстовых форм рельефа, включая глубо­кие, многокилометровые пещеры (см. гл. 8).

13 2

Рис. 5.5. Схема взаимодействия воды с поверхностью минерала. Молекулы воды способны отрывать ионы от минерала. 1 — минерал; 2 — раствор; 3 — поверхность минерала; 4 — катион; 5 — анион; 6 — молекула воды

©4 Qs |)б

Окисление представляет собой взаимодействие горных пород с кис­лородом и образование оксидов или гидрооксидов, если присутствует
вода. Сильнее всего окисляются закисные соединения железа, марган­ца, никеля, серы, ванадия и других элементов, которые легко соединя­ются с кислородом. Легко окисляется такой распространенный мине­рал, как пирит:

FeS₂ + n0₂ + mH₂0 -> FeS0₄ ->■ Fe₂ (SO„) -> Fe₂0₃ • nll₂0.

Таким образом, на «выходе» после окисления получается такой рас­пространенный минерал, как лимонит, или бурый железняк. На мно­гих месторождениях сульфидных руд встречается «шляпа», или «по­крышка», из бурого железняка — результат одновременных окисления и гидратации. Для нижних частей почвы характерны отрзанды, корки лимонита, цементирующего песка.

Следы окисления в виде пород, окрашенных в бурый, охристый цвет, наблюдаются везде, где в породах содержатся железистые ми­нералы или их включения. Во влажном и жарком климате при испа­рении воды образуются бедные водой минералы группы гематита Fe₂0₃, обладающие красной окраской. Вот почему в тропических областях коры выветривания превращаются в твердую красную по­роду — латерит.

Восстановление происходит в отсутствие химически связанного кис­лорода, когда сильным восстановителем является органическое веще­ство, сформировавшееся в результате отмирания болотной раститель­ности. При этом необходимы анаэробные условия в неподвижной, застойной воде, например в болотах. Восстановительные процессы пре­вращают породы с оксидом железа, окрашенные в бурые, желтые и красноватые цвета, в серые и зеленые. Под торфом иногда возникает серо-зеленая глинистая масса, называемая глеем.

Гидролиз — это довольно сложный процесс, особенно затрагива­ющий минералы из группы силикатов и алюмосиликатов. Происхо­дит он при взаимодействии ионов Н⁺ и ОН~ с ионами минералов, следовательно, для гидролиза всегда необходима вода. Гидролиз при­водит к нарушению первичной кристаллической структуры минера­ла и возникновению новой структуры уже другого минерала. Наибо­лее распространенный пример — это гидролиз ортоклаза, одного из полевых шпатов, часто встречающегося в горных породах, особенно в гранитах. Гидролиз в присутствии С0₂ приводит к образованию нерастворимого минерала каолинита и выносу бикарбоната калия и кремнезема:

K₂Al₂Si₆O₁₀ + 2Н₂0 + С0₂ -> H₂Al₂Si₂0₁₈ ■ Н₂0 + К₂С0₃ + 4SiO_r Ортоклаз Каолинит

Каолиновая глина, покрывая панцирем выветривающуюся породу, препятствует ее дальнейшему разрушению. Будучи довольно устойчи­вым минералом, каолинит при определенных условиях способен к даль­нейшему разложению с образованием еще более устойчивых минера­лов, например гиббсита — АЮ(ОН)₃, входящего в состав боксита, основной руды для получения алюминия.

Карбонатизация представляет собой реакцию ионов карбоната и бикарбоната с минералами, которая ведет к образованию карбонатов кальция, железа, магния и др. Большая часть известных нам карбона­тов хорошо растворяется в воде и выносится из зоны выветривания. Именно поэтому грунтовые воды в таких местах обладают высокой жесткостью.

Гидратация — это процесс присоединения воды к минералам и об­разования новых минералов. Самый простой пример — переход ангид­рита в гипс:

CaS0₄ + 2 Н₂0 «CaSO^ • 2Н_гО или гематита в гидроокислы железа:

Fe₂0₃ + nH₂0 <=> Fe₂0₃ • nH₂0.

Объем породы при гидратации увеличивается, что может привести к деформациям отложений.

Биологическое выветривание. Живое вещество, с точки зрения В. И. Вернадского, создает химические соединения, которые могут про­изводить большую геологическую работу.

Горные породы на своих поверхностях содержат огромное количе­ство микроорганизмов. На 1 г выветрелой породы может приходиться до 1 млн бактерий. Как только порода начинает выветриваться, на ней сразу же поселяются бактерии и сине-зеленые водоросли, затем ли­шайники и мхи, которые растворяют и разрушают поверхностный слой породы, и после их отмирания на ней образуются углубления, ямки, борозды, заполненные сухой биомассой отмерших организмов. Изуче­ние под микроскопом поверхности камней, слагающих древние храмы, дворцы, церкви, жилые здания и т. п., показывает, что на них находит­ся множество разнообразных организмов — бактерии (цианобактерии, актиномицесты), водоросли, грибы, протисты, членистоногие, лишай­ники и др. Наиболее распространены грибные гифы (ветвящиеся тяжи) и микроколонии из округлых клеток. Грибы, как правило, интенсивно окрашены различными пигментами — меланином, каротиноидами, мик- роспоринами, которые вызывают потемнение трещин и придают по­верхности мрамора, например, красновато-бурый, бурый — почти чер­ный — цвет. Еле заметные трещинки на поверхности камней обладают другими экологическими обстановками, нежели обстановки на гладкой поверхности породы. Там больше влаги и меньше света. Поэтому в субаэральных пленках на поверхности камней преобладают микроско­пические грибы, гифы которых активно растут, удлиняются и в конце концов покрывают всю поверхность камня.

Таким образом, на поверхности горных пород формируются сооб­щества микроорганизмов, играющие важную роль в процессах вывет­ривания.

Биота, поселившаяся на поверхности горных пород, извлекает из нее необходимые для жизни химические элементы — Р, S, К, Са, Mg, Na, В, Sr, Fe, Si, Al и др., что подтверждается их большим содержанием в золе расте­ний, выросших на горных породах. Даже Si извлекается из кристалличес­ких решеток алюмосиликатов. Следовательно, организмы участвуют в разложении минералов. Однако они и возврашают новые химические эле­менты в геологическую среду. Тем самым происходит круговорот веществ, обусловленный активностью биоты.

Следует отметить, что в процессах химического выветривания орга­низмы участвуют и косвенным путем, выделяя, например, кислород при фотосинтезе, образуя С0₂ при отмирании растений, провоцируя образо­вание весьма агрессивных органических кислот, которые резко усилива­ют растворение и гидролиз минералов. Такое воздействие наиболее ин­тенсивно происходит во влажном тропическом климате, в густых болотистых лесах, в которых опад (отмершие растения, листья и др.) со­ставляет почти 260 ц/га. Вода в подобных джунглях обладает кислой реакцией и активно растворяет горные породы, нарушая связи в кристал­лической решетке минералов.