Вариант 20

1. Общее понятие о процессах выветривания

Термин «выветривание», широко вошедший в литературу, не отражает существа и сложности природных процессов, определяемых этим понятием. Неудачный термин привел к тому, что у исследователей нет единства в понимании его по существу. Во всяком случае, выветривание никогда не следует смешивать с деятельностью собственно ветра и других экзогенных факторов.

Выветривание представляет собой совокупность процессов физического разрушения и химического разложения минералов и горных пород на месте их залегания, вызванных колебанием температуры, химическим воздействием воды, газов – кислорода и углекислоты (находящихся в атмосфере и растворенных в воде), биохимическим воздействием организмов в процессе их жизнедеятельности и продуктов их разложения после отмирания. В верхней части земной коры, где горные породы находятся в условиях тесного взаимодействия с атмосферой, гидросферой и биосферой, они претерпевают значительные и разнообразные изменения в своем составе и состоянии. Преобладающее большинство горных пород образовалось в специфических термодинамических условиях в глубине Земли, в зонах активности магмы и процессов метаморфизма, или же на дне моря. Попадая на земную поверхность, они оказываются в новой физико-химической обстановке, становятся неустойчивыми и под воздействием различных факторов начинают разрушаться. Это изменение горных пород протекает различно. В одних случаях оно сводится к распадению горной породы на обломки различной величины или даже на отдельные составляющие ее минералы. В других же случаях под влиянием ряда химических агентов происходит коренное изменение минералов и горных пород с появлением совершенно новых, отличных от первоначальных минералов. В зависимости от факторов, воздействующих на горные породы, и результатов этого воздействия процессы выветривания с некоторой условностью подразделяются на два типа:

1) физическое выветривание,

2) химическое выветривание.

Оба типа выветривания теснейшим образом связаны друг с другом, действуют совместно и одновременно, и только интенсивность проявления каждого из них неодинакова. Она зависит от климата, рельефа, тектоники, продолжительности процесса, состава горных пород и других факторов. Иногда выделяют третий тип – органическое выветривание. Однако роль организмов и их воздействие на горные породы сводится или к физическому, или к химическому процессам. Следовательно, органическое выветривание можно отнести к выделенным типам.

2. Химическое выветривание

Разрушению горных пород под влиянием физического выветривания, как было сказано выше, почти всегда сопутствует в той или иной степени химическое выветривание, а в ряде случаев оно играет основную и ведущую роль. Химическое выветривание представляет собой результат взаимодействия горных пород наружной части литосферы с химически активными элементами атмосферы, гидросферы и биосферы. Наибольшей химической активностью отличаются следующие вещества: вода, кислород, углекислота и органические кислоты, с воздействием которых и связано в основном химическое выветривание. Из них важнейший фактор – вода, которая в той или иной степени диссоциирована на положительно заряженные водородные ионы H⁺ и отрицательные гидроксильные ионы OH^–. Высокая концентрация водородных ионов в растворах способствует ускорению процессов выветривания. Кроме того с водой связано развитие растительности и другой органической жизни, что обусловливает действие остальных агентов O₂, CO₂ и органических кислот, обладающих большой активностью. Их присутствие в водном растворе в несколько раз повышает диссоциацию воды. Особенно возрастает интенсивность химического выветривания при повышении температуры, вызывающем увеличение концентрации водородных ионов, т.е. степени кислотности воды. Количественно кислотность и щелочность среды характеризуются обычно показателем pH, значения которого равны взятому с обратным знаком десятичному логарифму концентрации водородных ионов. У воды с нейтральной реакцией pH равно 7, с кислой реакцией – меньше 7, с щелочной реакцией – больше 7. В зависимости от реакции среды в процессе выветривания возникают те или иные характерные ассоциации минералов. Наиболее благоприятные условия для химического выветривания существуют в гумидных областях и особенно влажных тропических и субтропических зонах, в которых имеет место сочетание большой влажности, высокой температуры и огромного ежегодного отпада органической массы (в тропических лесах), в результате разложения которой значительно возрастает концентрация улекислоты и органических кислот, а следовательно, возрастает и концентрация водородных ионов. Процессы, протекающие при химическом выветривании, могут быть сведены к следующим основным химическим реакциям: окислению, гидратации, растворению и гидролизу.

Окисление минералов и горных пород связано с воздействием кислорода, растворенного в воде, и в меньшей степени – кислорода воздуха. Этому также способствуют присутствие в воде солей, кислот, а также жизнедеятельность бактерий. Наиболее интенсивно процессы окисления протекают в отношении минералов содержащих закисные соединения железа и марганца, кобальта и других элементов. Особенно чутко реагируют на изменение окислительных или восстановительных условий среды элементы, обладающие различной валентностью, ярким примером которых является железо. При окислении низковалентные соединения железа переходят в высоковалентные с образованием гидратов окислов железа. Так, сульфиды в кислой среде становятся неустойчивыми и постепенно заменяются сульфатами, карбонатами и окислами. Направленность этого процесса можно представить следующим образом:

FeS2	+ nO2, + mH2O → Fe(SO4), → Fe2(SO4)3 →	Fe3O4 · nH2O
пирит		бурый железняк (лимонит)

В первой стадии получается сульфат закиси железа, который, подвергаясь дальнейшему окислению, переходит в сульфат окиси железа. Последний в свою очередь оказывается неустойчивым и под действием кислорода и воды переходит в водную окись железа (лимонит).

Таким образом из пирита получается бурый железняк – наиболее устойчивое соединение железа в условиях поверхности Земли. Фактически в этом процессе происходит не только окисление, но и гидратация (поглощение воды). В засушливом жарком климате при недостаточном количестве влаги образуются бедные водой гидраты окислов железа, например гидрогематит (Fe₂O₃·H₂O), с характерной красной окраской

На многих сульфидных месторождениях можно наблюдать верхнюю окисленную часть их бурого цвета, так называемую «железную шляпу», представляющую собой не что иное, как бурый железняк, образованный путем окисления сульфидов железа.

Процессы окисления могут протекать почти во всех железо-магнезиальных минералах, относимых к группам мета- и ортосиликатов (авгит, роговые обманки, оливин и др.). Эти минералы всегда имеют в своем составе закисное железо, которое в условиях поверхности земли быстро окисляется, и минералы покрываются бурой коркой.

Многие осадочные горные породы, такие, как пески, песчаники, глины, мергели, содержащие включения железистых минералов, бывают часто окрашены в бурый или охристый цвет, указывающий на то, что эти минералы подверглись процессам окисления. Количественное содержание активного кислорода, которое определяет окислительную способность среды (кислородный потенциал), меняется от места к месту, в соответствии с чем изменяется и степень окисления минералов и горных пород.

Гидратация заключается в поглощении минералами воды. Наиболее интенсивным и простым примером гидратации, протекающей в природных условиях, является переход ангидрита в гипс по реакции:

CaSO₄ + 2H₂O = CaSO₄·2H₂O

Таким путем возникли некоторые месторождения гипса.

Процесс гидратации ангидрита всегда сопровождается резким увеличением объема, что производит значительное механическое воздействие на окружающие породы и вызывает местные нарушения в гипсоангидритовой толще. Следовательно, в этих случаях имеет место сочетание химического выветривания, приводящего к образованию новых минералов, и механического, связанного с увеличением объема вошедших в реакцию масс.

Другим примером может служить реакция гидратации гематита (Fe₂O₃), который, попадая на поверхность земли, быстро переходит в более устойчивое соединение – лимонит:

Fe₂O₃ + nH₂O → Fe₂O₃·nH₂O (лимонит)

Гидратация наблюдается также в более сложных по составу и структуре минералах – силикатах.

Растворение и гидролиз протекают при совместном воздействии воды, углекислоты и органических кислот. Растворение особенно интенсивно проявляется в осадочных горных породах – хлоридных, сульфатных и карбонатных. Наибольшей растворимостью отличаются хлориды – соли натрия (NaCl), калия (KCl) и др. За хлоридами по степени растворимости стоят сульфаты, в частности гипс, за которыми следуют карбонатные породы, известняки, доломиты, мергели. В результате растворяющей деятельности поверхностных и подземных вод насыщенных углекислотой, на поверхности растворимых пород образуются разнообразные и специфические формы рельефа – борозды, воронки, котловины, а в глубине – каналы и пещеры. Этот процесс растворения горных пород и образования различных форм на поверхности и в глубине называется карстом и более подробно будет охарактеризован в главе о деятельности подземных вод.

Следы растворения можно найти и в магматических и метаморфических горных породах, состоящих главным образом из силикатов сложного химического состава и структуры.

При выветривании силикатов и алюмосиликатов особенно большое значение имеет сложный процесс гидролиза, заключающийся в разложении минералов, с выносом части образующихся продуктов, и сопровождающийся гидратацией. В ходе гидролиза кристаллическая решетка минерала перестраивается и может оказаться полностью разрушенной и замененной новой, существенно отличной от первоначальной и соответствующей вновь образованным минералам. В качестве примера можно рассмотреть разложение полевых шпатов, наиболее распространенных в земной коре минералов. При этом следует отметить, что более легко подвергаются выветриванию основные плагиоклазы, в меньшей степени калиевые полевые шпаты и кислые плагиоклазы. Схема разложения полевых шпатов под воздействием воды и углекислоты может быть представлена в следующем виде:

Полевые шпаты →	Промежуточные минералы	→ Каолинит
K[AlSi3O8], Na[AlSi3O8], Ca[Al2Si2O8]	(гидрослюды, гидрохлориты и др.)	Al4[OH]8[Si4O10]

Направление процесса в этом случае сводится к следующему.

1. К вытеснению катионов K, Na, Ca, которые при взаимодействии с углекислотой образуют истинные растворы карбонатов и бикарбонатов (K₂CO₃, CaCO₃ и др.). В условиях влажного и теплого климата при большом количестве просачивающейся сверху воды карбонаты выносятся за пределы мест их образования. В условиях сухого климата и недостатка влаги карбонаты остаются на месте, образуя твердую корку, или выпадают из раствора на некоторой глубине от поверхности в форме отдельных стяжений и в распыленном виде. Этот процесс образования карбонатов в породах называется карбонатизацией (этим же термином называется образование карбонатов в горных породах, связанное и с другими процессами – гидротермальным и др.).

2. К превращению каркасной структуры в листовую, свойственную каолинитам и другим глиноподобным минералам.

3. К частичному переходу кремнезема, входящего в состав первичного минерала, в раствор. При этом часть растворенного кремнезема выносится водой, что подтверждается наличием в твердом остатке речных вод до 11% SiO₂. Значительная же часть выносимого кремнезема быстро переходит в коллоидальное (греч. κολλα – клей) состояние и выпадает в виде геля (лат. gelo – замерзаю, остудневаю) водного кремнезема – опала (SiO₂·nH₂O), выполняя трещины или цементируя рыхлые породы. И, наконец, часть SiO₂ остается прочно связанной в каолините.

В результате процессов выветривания магматических и метаморфических пород, богатых алюмосиликатами, образуются месторождения каолина. Первичный каолин может подвергаться размыву и переотложению и давать начало залежам вторичного (переотложенного) каолина.

Каолинит в условиях земной поверхности – достаточно устойчивый минерал. Но при благоприятных условиях (большом количестве атмосферных осадков, высокой температуре и огромном растительном отпаде) в процессе гидролиза полевых шпатов и других алюмосиликатов (слюды и др.) нарушается полностью связь между алюминием и кремнеземом и образуются наиболее устойчивые в поверхностной зоне земной коры гидроокислы алюминия (гиббсит, или гидраргиллит – составная часть боксита – Al₂O₃·nH₂O), кремнезема (опал – SiO₂·nH₂O) и др.

В этих условиях при выветривании многоминеральных магматических и метаморфических пород вместе с гидроокислами алюминия и кремнезема образуются гидроокислы железа, иногда марганца, титана, возникающие и находящиеся наряду с глинистыми минералами. Железисто-магнезиальные силикаты – оливин, пироксены, амфиболы менее устойчивы против выветривания в сравнении с полевыми шпатами. Поэтому основные и ультраосновные горные породы оказываются более подвержены выветриванию и на их поверхности часто наблюдаются скопления продуктов выветривания различной степени разложения – гидрослюды и гидрохлориты, монтмориллонит (Al₂Mg₃)[Si₄O₁₀](ОН)₂·nH₂O, нонтронит – (Fe,Al)₂[Si₄O₁₀](ОН)₂·nH₂O (особенно типичен для ультраосновных пород) и гидроокислы железа, алюминия и др.

В зависимости от степени кислотности среды и других факторов в процессе химического выветривания силикатов возникают различные ассоциации минералов. В щелочных условиях образуются гидрослюды, гидрохлориты, монтмориллонит, в кислой среде – глинистые минералы типа каолинита (на кислых и средних породах), нонтронита (на основных и особенно на ультраосновных породах) и гидроокислы алюминия, железа, кремнезема и др.

3. Зависимость преобладания физического и химического выветривания от климата

1. ОБРАЗОВАНИЕ ОСАДКОВ В ОКЕАНАХ И МОРЯХ И ИХ ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ТИПЫ

Наиболее важным процессом в пределах Мирового океана является аккумуляция донных осадков. Этот сложный процесс называют седиментацией илиседиментогенезом. Изучение современных осадков, закономерностей их распространения в различных зонах Мирового океана позволяет восстанавливать палеогеографическую обстановку геологического прошлого. Известно, что в ходе геологической истории поверхность континентов неоднократно покрывалась водами морей и океанов. В них протекали интенсивные процессы аккумуляции осадков, затем преобразованных в осадочные горные породы, покрывающие около 75% поверхностной части материков.

Процесс осадкообразования в океанах начинается с подготовки осадочного материала на материках, являющихся областями преимущественной денудации (сноса). Такая подготовка осуществляется в результате выветривания, деятельности рек, ледников, ветра. Вторым этапом является перенос материала, частичное отложение на путях переноса и поставка основной массы в океаны и моря.

Баланс осадочного материала	млд.т/год
Твердый сток рек	18,53
Сток растворенных веществ	3,2
Ледниковый сток	1,5
Эоловый привнос	около 1,6
Абразия берегов и дна	около 0,5
Итого около	около 25,33

По данным А. П. Лисицына, наибольшая поставка осадочного материала осуществляется речным стоком. При этом около 7 млрд. т/год поставляется реками преимущественно тропических областей: Ганг, Брахмапутра, Хуанхэ, Янцзы, Миссисипи и др. Приблизительно в равных количествах поступает в океаны и моря ледниковый и эоловый материал.

Кроме указанных экзогенных факторов, привноса в океаны и моря различных веществ большое значение в осадкообразовании имеет поступление вулканогенного пирокластического материала, особенно пеплового, разносимого на обширные пространства. Как было сказано, расположение действующих вулканов тесно связано с тектонически-активными зонами земной коры. Наибольшее количество их сосредоточено в обрамлении океанов и в срединно-океанских хребтах. Для многих вулканов островных дуг характерны высокая эксплозивность и выброс пирокластического материала до десятков километров в высоту, что сопровождается тропосферным и стратосферным переносом вулканического пепла. Количественная оценка поступления вулканогенного осадочного материала затруднена и разными авторами указываются величины 1,8-2 млрд. т/год. Важную роль в осадконакоплении играют биогенные процессы, развитие различных организмов, которые строят свои панцири и скелетные части из растворенных солей, поступающих с суши, главным образом из СаСОз и Si02. Биогенный вклад в баланс осадочного материала в океанах в первом приближении оценивается в 1,7-1,80 млрд. т/год. В Мировой океан поступает и космогенный материал, величина которого ориентировочно оценивается в 0,01-0,08 млрд. т/год. Таким образом, суммарный баланс осадочного материала в Мировом океане составляет около 29-30 млрд. т/год.