Выветривание

Выветривание – это разрушение горных пород на земной поверхности под действием энергии солнца, колебаний температуры воздуха, кислорода, углекислоты, живых организмов, растений. Процессы выветривания тесно связаны с областью, где поверхность земной коры граничит с атмосферой, гидросферой и биосферой. Эта часть земной коры, где происходит преобразование минерального вещества, называется корой выветривания или зоной гипергенеза. Различают физическое, химическое и биологическое выветривание.

Физическое выветривание пород происходит под действием изменяющейся температуры воздуха и прямого солнечного нагревания. Минералы и горные породы имеют различную теплопроводность. Различные цвета минералов, их зерен имеют различную окраску, поэтому нагревается по-разному под действием солнечных лучей. Различные минералы имеют различный температурный коэффициент расширения и сжатия. В результате в породах возникают напряжения, которые при превышении предела прочности минералов, приводят к распаду пород на обломки различной величины.

Быстрое разрушение пород производит проникающая в микротрещины вода, впоследствии замерзающая. Увеличиваясь в объеме, она расклинивает участки породы.

В жарких областях механическое воздействие на горные породы осуществляются ростом кристаллов солей, образующихся из вод, которые попадают в капиллярные трещины в виде растворов. При сильном нагревании вода испаряется, а соли, содержащиеся в ней, кристаллизуются, в результате увеличивается давление, капиллярные трещины расширяются, что способствует нарушению монолитности горной породы. Нередко возникают карбонатные пленки.

Температурное выветривание активно протекает на вершинах и склонах гор, не покрытых снегом и льдом, где воздух прозрачный и инсоляция больше, чем в прилежащих низменностях. Более или менее выположенные поверхности гор нередко бывают покрыты глыбово-щебнистыми продуктами выветривания. На горных склонах наряду с вы­ветриванием развиваются различные гравитационные процессы: обвалы, камнепады, осыпи, оползни. Накопившиеся в основании склонов и их подножий продукты гравитационных процессов (осыпей, обвалов) представляют своеобразный тип континентальных отложений, называемых коллювием (коллювио — скопление).

Интенсивное физическое (механическое) выветривание происходит в районах с суровыми климатическими условиями (полярных и субполярных странах) с наличием многолетней мерзлоты, обусловливаемой ее избыточным поверхностным увлажнением. Температурные колебания поверхностных горизонтов горных пород, приводят к объемно-градиентному напряжению и образованию морозобойных трещин, которые в дальнейшем разрабатываются замерзающей в них водой. Вода при замерзании увеличивается в объеме более чем на 9%. В результате развивается давление на стенки крупных трещин, вызывающее большое расклинивающее напряжение, раздробление горных пород и образование преимущественно глыбового материала. Такое выветривание называют морозным.

Расклинивающее воздействие на горные породы оказывает также корневая система растущих деревьев. Механическую работу производят и разнообразные роющие животные. Чисто физическое выветривание приводит к раздроблению горных пород, механическому разрушению без изменения их минералогического состава.

Химическое выветривание. В областях с промывным типом режима увлажнения происходят процессы химического изменения с образованием новых минералов. Химическое выветривание − химическое преобразование минералов и горных пород происходит в связи с воздействием на породы ионов воды ОН^- и Н⁺, свободного кислорода, углекислоты и органических кислот, имеющихся в почвах. При механической дезинтеграции плотных горных пород образуются макротрещины, что способствует проникновению в них воды и газа и, кроме того, увеличивает реакционную поверхность выветривающихся пород. Это создает условия для активизации химических и биогеохимических реакций.

Проникновение воды или степень увлажненности определяют преобразование горных пород и обусловливают миграцию наиболее подвижных химических компонентов. Это находит яркое отражение во влажных тропических зонах, где сочетаются высокая увлажненность, высокотермические условия и богатая лесная растительность. Последняя обладает огромной биомассой. Эта масса отмирающего органического вещества преобразуется, перерабатывается микроорганизмами, в результате в большом количестве возникают агрессивные органические кислоты (растворы).

Высокая концентрация ионов водорода в кислых растворах способствует интенсивному химическому преобразованию горных пород, извлечению из кристаллических решеток минералов катионов и вовлечению их в миграцию.

К процессам химического выветривания относятся окисление, гидратация, растворение и гидролиз.

Окисление. особенно интенсивно протекает в минералах, содержащих железо. В качестве примера можно привести окисление маг­нетита, который переходит в более устойчивую форму — гематит (FеFе₂О₄ → Fе₂О₄). Такие преобразования констатированы в древней коре выветривания Курской магнитной аномалии, где разрабатываются богатые гематитовые руды. Интенсивному окислению (часто совместно с гидратацией) подвергаются сульфиды железа. Например, пирит превращается в лимонит (бурый железняк).

Гидратация. Под воздействием воды происходит гидратация минералов, т.е. закрепление молекул воды на поверхности отдельных участков кристаллической структуры минерала. Примером гидратации является переход ангидрита в гипс: ангидрит — СаS0₄+ 2Н₂О→СаS0₄ 2Н₂0 — гипс. Процесс гидратации наблюдается и в более сложных минералах — силикатах.

Растворение. Многие соединения характеризуются определенной степенью растворимости. Их растворение происходит под действием воды, стекающей по поверхности горных пород и просачивающейся через трещины и поры в глубину. Ускорению процессов растворения способствуют высокая концентрация водородных ионов и содержание в воде 0₂, С0₂ и органических кислот. Из химических соединений наилучшей растворимостью обладают хлориды — галит (поваренная соль), сильвин и др. На втором месте — сульфаты — ангидрит и гипс. На третьем месте карбонаты – известняки и доломиты.

При растворения таких соединений как галит, сильвин, гипс, ангидрит, известняки, доломиты образуются карстовые формы рельефа.

Гидролиз. При выветривании силикатов и алюмосиликатов важное значение имеет гидролиз, при котором структура кристаллических минералов разрушается благодаря действию воды и растворенных в ней ионов и заменяется новой существенно отличной от первоначаль­ной и присущей вновь образованным минералам. Так каркасная структура полевых шпатов превращается в слоевую, свойственную вновь образованным глинистым минералам. Поле­вые шпаты взаимодействуют с СО₂, образуют растворы бикарбонатов и карбонатов (К₂СO₃, Nа₂СОз, СаСОз).

В условиях промывного режима карбонаты и бикарбонаты выносятся за пределы места их образования. В условиях же сухого климата они остаются на месте, образуют пленки различной толщины, или выпадают на небольшой глубине от поверхности (карбонатизация). Процесс гидролиза протекает стадийно с последовательным возникновением нескольких минералов. Так, при преобразовании полевых шпатов возникают гидрослюды, которые затем превращаются в минералы группы каолинита. В умеренных климатических зонах каолинит достаточно устойчив и в результате накопления его в процессах выветривания образуются месторождения каолина. Но в условиях влажного тропического климата может происходить дальнейшее разложение каолинита до свободных окислов и гидроокислов алюминия, являющихя составной частью алюминиевой руды — бокситов. При выветривании основных пород и особенно вулканических туфов среди образующихся глинистых минералов наряду с гидрослюдами широко развиты монтмориллониты. При выветривании ультраосновных пород (ультрабазитов) образуются железистые монтмориллониты, окислы и гидроокислы железа и алюминия.

Биологическое выветривание производят живые организмы в верхних слоях земной коры и на ее поверхности. Дождевые черви, муравьи, термиты, бактерии, воздействуя органическими кислотами на горные породы, производят химическое разложение породы.

Кора выветривания. В результате единого и сложного взаимосвязанного физического, химического и хемобиогенного процессов разрушения горных пород образуются различные продукты выветривания. Остаточные или несмещенные продукты выветривания, остающиеся на месте разрушения материнских (коренных) горных пород, представляют собой один из важных генетических типов континентальных образований и называют элювием.

С древними корами выветривания связаны многие полезные ископаемые: бокситы, каолиниты, россыпные месторождения золота, платины, алмазов. Погребенные коры выветривания под непроницаемой толщей пород могут содержать углеводороды.

Процессы выветривания подчиняются географо-климатической зональности. Коры выветривания являются почвообразующим субстратом. Почвообразование – это сложный процесс выветривания горных пород, при котором биологическое выветривание является доминирующим.

Разрушение горных пород в результате выветривания происходит под влиянием различных физических, химических и биохимических факторов: колебания температур, роста кристаллов солей, расклинивающего действия замерзающей воды в трещинах, корневой системы деревьев; под воздействием воды, кислорода, углекислого газа. Имеют место процессы окисления, гидратации, растворения и гидролиза. Коры выветривания формировались в различные этапы геологической истории, и с ними связаны важнейшие полезные ископаемые: железо, алюминий, никель, фосфориты и др.