Химическое выветривание

В химическом выветривании одновременно или последовательно участвуют несколько процессов, наиболее типичными из которых являются окисление-восстановление, гидратация, растворение и гидролиз.

Окисление – процесс отдачи электронов с увеличением степени окисления. В приповерхностных условиях практически единственным окислителем является растворенный в воде кислород.

Fe₂S₂ [пирит] + nO₂ + mH₂O → Fe₂O₃∙n2H₂O [лимонит]

Восстановление – процесс присоединения электронов с понижением степени окисления. В качеств е восстановителя может выступать органическое вещество.

Гидратация – присоединение к минералам воды, которая структурно входит в кристаллическую решетку нового минерала (например, преобразование ангидрита в гипс).

Растворение – взаимодействие твердого материала и воды, сопровождающееся переходом твердой фазы в раствор.

Гидролиз – процесс формирования минералов, содержащих в своей структуре группу OH (преобразование исходных минералов в минералы, содержащие в своей структуре группу OH). Примером может являться преобразование алюмосиликатов в глинистые минералы.

В результате минералы, образовавшиеся внутри Земли в условиях дефицита воды и кислорода (сульфиды, оксиды, силикаты), попадая в область гипергенеза, превращаются в сульфаты, карбонаты и гидроксиды, устойчивые в этих новых условиях.

Тип процесса зависит от макро- и микросреды. Макросреда определяется ландшафтно-климатическими условиями на поверхности рельефа; микросреда формируется внутри преобразуемых горных пород. Таким образом, протекание химического выветривания контролируется:

• характеристиками среды, в которой происходит преобразование:

  • ход температур;

  • наличие кислорода;

  • наличие органического вещества;

  • наличие воды (если вода постоянно меняется, то химическое выветривание возрастает во много раз);

  • значения Eh, pH;

  • активное действие живых организмов

• характеристики пород, подвергающиеся преобразованию

  • состав;

  • трещиноватость, пористость, кавернозность и т.п.

Значительную роль, иногда превосходящую по значимости ландшафтно-климатические условия, может играть вещество и тепловая энергия ювенильного происхождения, поступающие, например, с гидротермами.

Важным фактором, определяющим разнообразие вещественного состава рыхлых отложений, является продолжительность процессов выветривания.

СЛАЙД 8

Мы уже отмечали, что в условиях быстрой денудации главным рельефообразующим процессом может оказаться избирательное выветривание. В возникающих при этом формах легко читается рельеф поверхности «фронта выветривания».

Откопанный рельеф, и прежде всего – его морфологические особенности, зависит от того, какая зона выветривания вскрыта денудацией (чем более глубокая зона выводится на поверхность, тем расчлененнее выглядит созданный ею рельеф), а также от того, какое место он занимает в системе элементов мезорельефа – вершинных поверхностей междуречий, склонов, педиментов.

Неравномерность выветривания коренных пород, слагающих междуречья, во многом зависит от неравномерной обводненности трещин, нарушающих это междуречье. Мощность рыхлого чехла элювия определяется мощностью маловодной (или безводной) зоны аэрации, которая может достигать нескольких метров (редко – 10-20 м), но может сокращаться и до нескольких сантиметров. Сокращение зоны аэрации приводит к усиленному водообмену, выветриванию коренной породы и ее разрушению до состояния мелкозема (в таких условиях, например, образуются микроформы рельефа, связанные с морозной сортировкой мелкозема [см.криогенный рельеф]. Увеличение мощности зоны аэрации резко снижает возможности образования мелкозема и глинистых частиц, в связи с чем интенсивность денудации снижается. В результате такие участки обособляются в виде скал-останцов (торов) и кекуров¹.

Возможно два варианта образования торов:

в результате выветривания – усиление процессов денудации на вершинной поверхности выводит на дневную поверхность скалистые коренные породы, из которых обособляются участки в виде торов, обладающие наибольшей мощностью зон аэрации;

в ходе образования элювия в плотных породах – при минимальной денудации вершинной поверхности и интенсивном физическом выветривании происходит обособление отдельных наиболее устойчивых участков внутри толщи элювия. Последующее усиление денудации выводит на дневную поверхность уже «сформированные» торы.

СЛАЙД 9

Схема преобразования гранитных куполов под действием процессов выветривания с образованием остаточных валунов и останцов башенного типа.

СЛАЙДы 10-13

Фотообразы останцов выветривания.

СЛАЙД 14

Элювий

Топографически несмещенные продукты изменения коренных пород называют элювием. Его строение в значительной степени зависит от ландшафтно-климатических условий, в которых он формировался.

Нивальная (гляциальная) зона – элювиальный процесс практически подавлен. Иногда формирующиеся плащи грубообломочного материала, удаляемые в результате процессов солифлюкции.

Перигляциальная зона (зона многолетней мерзлоты) – элювий формируется в условиях дефицита влаги, пониженной скорости испарения, отрицательных среднегодовых температурах со значительными сезонными и даже суточными колебаниями. Он формируется под влиянием фазовых переходов воды в условиях термического режима, резко изменяющегося в деятельном слое; деятельный слой всегда находится в переувлажненном состоянии (из-за замедленного испарения и затрудненного влагообмена). Поэтому термоденудация сопровождается солифлюкционными явлениями.

Гумидная зона – формирование элювия сопровождается полным освобождением гипергенно устойчивых минералов и в кислой, и в щелочной среде. Одновременно происходит интенсивный вынос петрогенных элементов из породообразующих и жильных минералов. В различных климатических зонах пояса валовый минеральный состав элювия различается из-за усиленной миграции разных элементов в условиях тропического влажного, влажного жаркого и влажного умеренного климата. Минеральная форма материала преобладает над обломочной.

Аридная зона – формирование элювия контролируется солнечной радиацией и теплообменом между воздухом и поверхностью горных пород, а также теплообменом между твердым минеральным веществом и проникающим в него воздухом, а также между частицами минерального вещества. Массоперенос сводится к перемещению воздушными потоками мелких фракций минерального вещества.

СЛАЙД 15

В зависимости от ландшафтно-климатических условий, в строении элювиального покрова может участвовать до трех-четырех горизонтов, которые могут также рассматриваться как стадии разрушения пород.

• Зона образования трещин. Главный фактор разрушения – снятие статической нагрузки в ходе денудации (дилатация).

• Зона раскрытия и расширения трещин и образования обломков («разборная скала). Факторы формирования и развития – температурные колебания, расклинивающее действие пленочной воды, деятельность корневой системы растений. Формируется быстро, но существует долго: тем дольше, чем глубже он располагается.

• Зона измельчения и перемещения обломков. Чаще всего представлена дезинтегрированными минеральными новообразованиями с существенным привносом из вышележащих горизонтов определенных иммигрантов. Типично образование мелкозёма с определенным минералогическим составом – чаще всего преобладают гидрослюды. Факторы формирования и развития – гравитация, морозная сортировка и др.; формирование длительное, предположительно – тысячи и десятки тысяч лет.

• Зона почвообразования и глубоких химических превращений породообразующих минералов в глинистые.

СЛАЙД 16

В заключение остановимся еще на одном понятии, которое часто смешивают с понятием «элювия». Это – кора выветривания – сохранившийся с древних эпох комплекс элювиальных образований.

В зависимости от природной обстановки, в которой происходит формирование кор выветривания, их состав и строение (как и в случае с элювием) различаются. Т.е. они имеют зональный характер. Характер кор также зависит от состава горных пород, на которых они образуются, от возраста кор и стадии их развития.

Среди кор выветривания выделяют:

• обломочные – состоят из химически неизмененных или слабо измененных обломков исходной породы; преобладают в полярных и высокогорных областях, а также в каменистых пустынях низких широт;

• гидрослюдистые – характеризуются слабыми химическими изменениями коренной породы, но уже содержат глинистые минералы – гидрослюды, образующиеся за счет измененных полевых шпатов и слюд; характерны для холодных и умеренных областей с вечной мерзлотой;

• монтмориллонитовые – отличаются глубокими химическими изменениями первичных минералов; главный глинистый минерал в их составе – монтмориллонит; образуются в степных и полупустынных областях;

• каолиновые – характерны для субтропиков;

Следующие два типа – результат длительного и интенсивного выветривания с полным изменением первичного состава исходных пород.

• краснозёмные – характерны для субтропиков;

• латеритные – формируются при наиболее активном химическом выветривании в условиях жаркого и влажного экваториального климата

Зональный характер кор выветривания широко используется при палеогеографических реконструкциях.

СЛАЙД 17

Схема образования кор выветривания на тектонически неактивных площадях (по Н.М.Страхову).