Ганжара Геология и ландшафтоведение

Таблица 3.2. Возраст тектономагматических эпох в истории Земли

Выделяют три вида выветривания: физическое, химическое и

биологическое.

Физическое выветривание — это процесс разрушения (растрескивания, дробления) минералов под воздействием давления, возникающего за счет суточных и сезонных колебаний температуры (тепловое расширение и сжатие минералов, замерзание и оттаивание воды), механической деятельности ветра, потоков воды, волн моря, корней растений (фото. 3.29–3.36). В результате увеличивается дисперсность и удельная поверхность пород, снижается их плотность. Физическое выветривание никогда не сопровождается изменением валового химического состава исходного вещества.

«Ледяной клин» — это процесс дробления горных пород под действием воды, замерзающей в трещинах горных пород.

Любые горные породы всегда разбиты трещинами. В одних слу- чаях они очень тонкие волосовидные, в других — широкие зияющие, но они есть всегда. Эти трещины могут иметь тектоническое происхождение, но чаще всего они возникают либо при остывании

130

магматических горных пород, либо при разрядке механических напряжений вследствие быстрого вскрытия осадочных и метаморфических горных пород при процессах эрозии.

Âтакие трещины затекает вода, талая или же выпавшая на поверхность Земли при атмосферных осадках. При понижении температуры воздуха ниже нуля градусов Цельсия вода начинает замерзать. Процесс замерзания начинается с поверхности воды, поскольку лед несколько легче воды и плавает на ее поверхности. Постепенно трещина с поверхности оказывается как бы запеча- танной ледяной пробкой. При дальнейшем понижении температуры

ååтолщина увеличивается за счет намораживания новых порций льда снизу.

Процесс замерзания и оттаивания воды сопровождается зна- чительным изменением ее объема (около 1/10 ее объема). В результате вода под ледяной пробкой оказывается сжатой под высоким давлением (до 200 МПа — что заведомо больше прочности большинства пород). Выдавить ледяную пробку вверх невозможно — поскольку стенки трещины неровные и пробка держится прочно. При дальнейшем падении температуры ледяная пробка еще больше утолщается. Давление под ней еще больше возрастает. Наконец, предел механической прочности горной породы оказывается превышенным и наступает ее гидроразрыв. В результате трещина расширяется в стороны и удлиняется. При повышении температуры после таяния льда процесс повторяется (фото. 3.29).

«Ледяной клин» — один из самых мощных и эффективных процессов физического выветривания. Так, например, в горах ТяньШаня общая цифра перехода температур через ноль градусов Цельсия достигает 234 раза в год.

Наиболее интенсивно этот процесс проявляет себя в средних широтах — в гумидных областях с умеренным климатом. Особенно интенсивно он происходит ранней весной и поздней осенью. Это связано с многократными и резкими колебаниями температуры в это время года.

Âсубтропических и полярных пустынях интенсивность «ледяного клина» сильно уменьшается, так как вода в жидкой фазе в этих районах большую часть года отсутствует.

Процесс, получивший название «соляной клин» развит преиму-

щественно в областях с засушливым аридным климатом.

Температурное выветривание. Вследствие резкого изменения температуры горные породы не выдерживают значительных

131

механических напряжений и рассекаются трещинами. Процесс этот очень быстрый, иногда взрывоподобный, сопровождающийся далеко слышимым треском, напоминающим ружейную пальбу.

Когда поверхность горных пород нагревается сильнее внутренних частей, и, соответственно, расширяется больше, то наблюдается образование многочисленных трещин, параллельных поверхности камня. В результате наблюдается образование многочисленных трещин, параллельных поверхности камня. По этим трещинам происходит отслаивание и шелушение горной породы. Такой процесс получил название «десквамация».

Как известно, наибольшие колебания суточных температур наблюдается в пустынях. Так в Сахаре, например, воздух днем нагревается до +53 °С, а ночью охлаждается до –8 °С.

В пустыне Бет-Пак-Дала в ясный февральский день освещенная солнцем поверхность базальтовых скал накаляется до +20...

+40 °С, в то время как температура воздуха на теневой стороне той же скалы составляет почти –40 °С.

Вследствие этого разрушение пород усиливается тем больше, чем больше амплитуда колебаний температуры, чем неравномернее нагревание, чем больше различия в цвете слагающих горную породу минералов, чем сложнее их химический состав.

Так при прочих равных условиях породы темноокрашенные, полиминеральные, имеющие крупнокристаллическое или неравномернозернистое строение разрушаются существенно быстрее, чем светлоокрашенные мономинеральные мелкозернистые и однородные.

Так происходит температурное «раскачивание» не только разных частей породы, но и ее минеральных составляющих, особенно в полиминеральных породах, таких как граниты, гнейсы, лавы с крупными минералами — вкрапленниками. Разные минералы обладают различными коэффициентами объемного расширения, при- чем даже в одном минерале этот коэффициент меняется в зависимости от направления. Не смотря на то, что каждое минеральное зерно при нагревании увеличивает свои размеры на ничтожную величину, таких зерен в любом куске горной породы очень много. Поэтому суммарный эффект от этого процесса оказывается значи- тельным.

Так, например, при нагревании гранитной породы на 50 °С все кварцевые зерна увеличатся на 0,015 своего объема, а зерна ортоклаза увеличатся всего лишь на 0,008 своего объема. Расширяясь и сжимаясь в разной степени, зерна минералов создают

132

микронапряжения в горной породе, которые расшатывают связи между частицами, возникшие при кристаллизации породы. В итоге массивная кристаллическая порода, сохраняя свой минеральный и химический состав неизменным, рассыпается на отдельные зерна.

Âпроцессах физического выветривания принимает участие вода

èв жидкой фазе. Так по данным В.В. Добровольского в тончайших

трещинах шириной 0,001 мм капиллярное давление воды составляет 1,5 кг/см2. В трещинах в тысячу раз более тонких (1 10–6 ìì)

оно достигает 1500 кг/см2 — величины вполне достаточной для дробления многих горных пород.

В некоторых случаях на горные породы дробящее воздействие оказывают и другие природные процессы, например атмосферные электрические явления. Удары молний дробят скалы или наоборот сплавляют друг с другом отдельные обломки. Рыхлый песок образует стеклоподобные слитки сложной ветвящейся формы, называемые фульгуритами (от лат. «фульгур» — молния).

Дробление горных пород, образование в них систем трещин, обуславливает их хорошую проницаемость для воды и газов, а с другой стороны резко увеличивает реакционную поверхность выветривающихся пород. Поэтому физическое выветривание создает благоприятные условия для активизации различных химических и биохи-

мических реакций.

Химическое выветривание — процесс химического изменения и разрушения горных пород и минералов с образованием новых минералов и, в конечном итоге, новых пород.

Таблица 3.3. Коэффициенты линейного и объемного расширения некоторых минералов, входящих в состав гранита

133

Химические реакции происходят при участии воды, углекислого

газа, кислорода и других веществ.

Химическое выветривание включает реакции растворения, окисления, гидратации, восстановления, гидролиза.

Растворение. Многие соединения характеризуются определенной степенью растворимости. Их растворение происходит под действием воды, стекающей по поверхности горных пород и просачи- вающейся через трещины и поры в глубину. Ускорению процессов растворения способствуют высокая концентрация водородных ионов

èсодержание в воде О2, ÑÎ2 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

èдоломиты. Абсолютно не растворимых веществ в природе не существует. Все минералы земной коры растворимы, но в разной степени. Интенсивность растворения горных пород зависит в первую очередь от химического состава самих пород и от химической активности растворителя.

При различных величинах pH различна растворимость и подвижность химических элементов и соединений. Так глинозем (Al2O3) прекрасно растворяется при pH<4, а при pH 5–9 практически не растворим. Кремнезем (SiO2) хорошо растворяется в щелочных средах (pH>7).

Подсчитано, что на каждом квадратном километре земной поверхностиежегоднорастворяется26,4тразличныхминеральныхвеществ. Это в совокупности дает 2735 т веществ, выносимых ежегодно в растворенном виде с поверхности континентов в моря и океаны.

Наиболее подвержены разложению в результате растворения осадочные горные породы, в значительно меньшей степени — метаморфические и магматические. Из минералов по степени растворимости на первом месте стоят хлориды. Они могут существовать в земной коре в виде твердых минералов только при условии изоляции от воды. Слабее растворяются сульфаты, еще меньше карбонаты. Скорость растворения карбонатов в отличие от хлоридов и сульфатов значительно увеличивается с понижением температуры раствора.

Очень низкой растворимостью обладают сульфиды и силикаты, хотя и они в присутствии органических кислот и углекислоты раз-

рушаются с образованием новых карбонатных соединений.

Окисление и восстановление. Окисление — это процесс присоединения минералами кислорода. Химически это выражается в повышении степени окисления химических элементов — то есть в

134

переходе закисных низковалентных соединений в окисные высоковалентные с присоединением кислорода.

Процессы окисления протекают как на земной поверхности, так и в зоне просачивания атмосферных осадков в глубь земной коры до уровня грунтовых вод, ниже которого окислительные процессы практически полностью прекращаются.

В горных областях с резко расчлененным рельефом окислитель- но-восстановительная граница находится на глубине до 1000 м. В заболоченных равнинных пространствах она почти совпадает с земной поверхностью.

Химическая активность кислорода резко возрастает при его действии в водной среде. При этом способность атмосферного кислорода растворяться в холодных водах (при О °С) почти в два раза превышает таковую в теплых (при 25–30 °С), что, естественно, увеличивает окислительную способность холодных природных вод.

Окислению подвержены в первую очередь минералы и горные породы, содержащие железо, серу, ванадий, марганец, никель, кобальт и другие, легко соединяющиеся с кислородом химические элементы, а также органические вещества. Легче всего и с наибольшей интенсивностью окислению подвергаются минералы сульфидного состава.

Начавшиеся процессы окисления горных пород визуально легко распознаются по изменению их окраски. В результате окисления железа породы становятся желтыми, бурыми или красными (фото. 3.34), меди — сине-зелеными, углистые породы утрачивают свой черный цвет и становятся светлыми, а в присутствии железа приобретают бурую окраску.

Поскольку процессы окисления минералов и горных пород зача- стую сопровождаются выносом легкорастворимых и летучих новообразованных соединений, выветрелые окисленные породы зна- чительно уменьшаются в объеме по сравнению с исходными. Так, залежи бурых железняков, образовавшиеся в процессе окисления железосодержащих горных пород и сульфидных руд, по объему по- чти в полтора раза меньше исходных пород и руд, что выражается в наличии у них рыхлых, пористых текстур.

Окислению подвержены не только твердые породы, но и сами продукты выветривания.

Реакции окисления часто сопровождаются реакциями восстановления. Восстановление это процесс отдачи кислорода. Этот процесс протекает обычно в условиях переувлажнения и отсутствия

135

кислорода. При этом создаются анаэробные условия. В восстановительных условиях породы окрашиваются в сизые, серые, грязнозеленые тона. Восстановленное железо имеет сизый цвет, окисленное — охристый. Чередование реакций окисления-восстановления приводит к разрушению одних минералов и образованию других. Например, оксиды трансформируются в гидрооксиды.

Гидролиз. При выветривании силикатов и алюмосиликатов важное значение имеет гидролиз, при котором структура кристалли- ческих минералов разрушается благодаря действию воды и растворенных в ней ионов и заменяется новой существенно отличной от первоначальной и присущей вновь образованным гипергенным минералам.

В этом процессе происходят: 1) каркасная структура полевых шпатов преобразуется в слоевую, свойственную вновь образованным глинистым гипергенным минералам; 2) вынос из кристаллической решетки полевых шпатов растворимых соединений сильных оснований (К, Na, Ca), которые, взаимодействуя с СО2 , образуют истинные растворы бикарбонатов и карбонатов (К2ÑÎ3, Na2ÑÎ3, ÑàÑÎ3). В условиях промывного режима грунтовых вод карбонаты и бикарбонаты выносятся за пределы места их образования. В условиях же сухого климата они остаются на месте, образуют местами пленки различной толщины, или выпадают на небольшой глубине от поверхности (происходит карбонатизация); 3) частичный вынос кремнезема; 4) присоединение гидроксильных ионов.

Процесс гидролиза — процесс стадийный, то есть он протекает с последовательным возникновением нескольких минералов. Так, при гипергенном преобразовании полевых шпатов сначала возникают гидрослюды, которые затем превращаются в минералы группы каолинита или галуазита:

K[AlSi3O8] > (Ê,Í3Î)À12(ÎÍ)2[À1Si3Î10]. Í2O > Àl4(ÎÍ)8[Si4O10]

В умеренных климатических зонах каолинит достаточно устой- чив и в результате накопления его в процессах выветривания образуются месторождения каолина. Но в условиях влажного тропи- ческого климата может происходить дальнейшее разложение каолинита до свободных оксидов и гидрооксидов.

Al4(OH)8[Si4O10] > Al(OH)3+SiO2. nH2O

каолинит гидраргиллит

Таким образом, формируются оксиды и гидрооксиды алюми-

ния, являющиеся составной частью алюминиевой руды — бокситов.

136

Таблица 3.4. Растворимость карбонатов и бикарбонатов

Интенсивность и направленность химического выветривания главным образом связаны с химическим составом исходных пород, их строением, а также с климатическими условиями и режи-

мом поверхностных и подземных вод на данной территории. Карбонатизация. Карбонатизация — это процесс присоедине-

ния минералами углекислоты. Зачастую он сопровождается растворением и гидролизом. При наличии CO2 плохо растворимые в воде карбонаты металлов переходят в хорошо растворимые бикарбонаты, которые выносятся в виде растворов из зоны реакции. Влияние CO2 на растворимость карбонатов иллюстрирует таблица 3.4.

Как видно из таблицы, растворимость бикарбонатов в 10–50 раз выше растворимости карбонатов. При этом бикарбонаты выводятся из зоны реакции.

Часто при этом происходит образование новых карбонатных минералов, отсутствовавших в исходной горной породе. Новообразованные минералы при этом образуют конкреции, залегающие среди разрушающейся выветривающейся горной поро-

äû.

Гидратация — процесс образования новых минералов за счет присоединения воды. Примером гидратации является переход ангидрита в гипс: ангидрит — CaSO4+2H2O > CaSO4.2H2О — гипс. Гидратированной разновидностью является также гидрогетит: гетит — FeOOH + nH2O > FeOH.nH2O — гидрогетит.

Процесс гидратации наблюдается и в более сложных минералах — силикатах. Во всех случаях процесс гидратации сопровождается существенным увеличением объема. Так, только что описанная реакция перехода ангидрита в гипс сопровождается увели-

чением объема на 30%.

Биологическое выветривание. Биологическое выветривание — процесс разрушения и изменения горных пород и минералов под действием организмов и продуктов их жизнедеятельности.

137

При биологическом выветривании механизмы процессов разрушения, изменения минералов и пород те же, что и при физическом и химическом выветривании. Однако интенсивность процессов существенно увеличивается, поскольку увеличивается агрессивность среды. Корни растений и микроорганизмы выделяют во внешнюю среду углекислый газ и различные кислоты (щавелевую, янтарную, яблочную и др.). Нитрофикаторы образуют азотную кислоту, серобактерии — серную. В процессе разложения мертвых остатков расте- нийиживотныхобразуютсяагрессивныегумусовыекислоты—фуль- вокислоты, способные разрушать минералы. Многие виды бактерий, грибов, водоросли, лишайники могут усваивать элементы питания непосредственно из первичных минералов, разрушая их при этом. Особенно велика роль бесчисленных микроорганизмов — бактерий, дрожжей, микроскопических грибов и водорослей, вирусов, по способу питания относящихся к автотрофному (греч. «трофе» — пища) типу, то есть добывающие себе пищу из неорганических соединений. Большую часть из них называют литотрофами, что в буквальном переводе с греческого означает «питающиеся камнями» или просто «камнееды».

Одни из них способны усваивать углерод из углекислоты воздуха, создавая свою биомассу подобно растениям. Другие усваивают азот, затрачивая огромное количество энергии на его фиксацию. Третьи легко извлекают фосфор из минералов (апатитов или фосфоритов). Четвертые синтезируют свою биомассу, усваивая углерод и азот из атмосферы, а фосфор и кремний из соответствующих минералов. Последние получили название силикатных бактерий или хемолитотрофов. Хемолитотрофы — необычная форма существования живой материи. Они комфортабельно устраиваются там, где нет условий жизни для других обитателей нашей планеты: в горя- чих источниках и вечных льдах, на дне океанов, где давление достигает 100 МПа и более, в сверхсоленых озерах, на бесплодных скалах горных вершин или в раскаленных солнцем песках пустыни. Так, например, в пробах воды, поднятых в Тихом океане с глубины 2560 м, были обнаружены бактерии, которые существуют в горя- чих струях так называемых черных гейзеров, температура которых достигает 350 °С.

В верхней части коры выветривания процесс выветривания протекает совместно с процессом почвообразования и является неотъемлемой составной частью почвообразования, так же как почвообразование является неотъемлемой частью выветривания (фото. 3.35, 3.36, табл. 3.5). Однако в более глубоких слоях за пределами

138

3.5. Относительная устойчивость минералов в зоне выветривания (По Кухаренко, Мильнеру)

почвенного профиля, а также в подводных ландшафтах выветривание выделяется как самостоятельный процесс. В этих слоях в процессах выветривания так же принимают участие микроорганизмы

и продукты их жизнедеятельности.

Устойчивость минералов в зоне выветривания. Интенсивность и направленность химического выветривания главным образом связаны с химическим составом исходных пород, их строением, а также с климатическими условиями и режимом поверхностных и подземных вод на данной территории.

В целом, изучая процессы выветривания, можно сделать следующие выводы:

139