2. Химическое выветривание

Разрушению горных пород под влиянием физического выветривания всегда в той или иной степени сопутствует химическое выветривание, а в ряде случаев последнее играет решающую роль (Якушова, 1988). Главными факторами химического выветривания являются вода, кислород, углекислота и органические кислоты, под влиянием которых существенно изменяются структура и состав минералов и образуются новые минералы, соответствующие определённым физико-химическим условиям. Важнейший фактор химического выветривания — вода, которая в той или иной степени диссоциирована на положительно заряженные водородные ионы (H+) и отрицательно заряженные гидроксильные ионы (ОН-). Это определяет ее возможность вступать реакцию с кристаллическим веществом. Высокая концентрация водородных ионов в растворах способствует ускорению процессов выветривания. Процессы, протекающие при химическом выветривании, заключаются в следующих основных химических реакциях: окислении, гидратации, растворении, гидролизе. Окисление. Процессы окисления наиболее интенсивно протекают в минералах, содержащих закисные соединения железа, марганца и других элементов. Так, сульфиды в кислой среде становятся неустойчивыми и постепенно замещаются сульфатами, окислами и гидроокислами. Гидратация – это процесс, заключающийся в присоединении вод к первичным минералам горных пород и образовании новых минералов. Можно привести следующие примеры гидратации: 1. Переход ангидрита в гипс. 2. Переход гематита в гидроокислы железа. Растворение. Под влиянием воды, содержащей углекислоту, происходит растворение горных пород. Растворение особенно интенсивно проявляется в осадочных горных породах – хлоридных, сульфатных и карбонатных. Гидролиз. Сложный процесс гидролиза особенно большое значение имеет при выветривании силикатов и алюмосиликатов. Он заключается в разложении минералов, выносе отдельных элементов, а также в присоединении гидроксильных ионов и гидратации. В ходе гидролиза первичная кристаллическая структура нарушается и перестраивается и может оказаться полностью разрушенной и заменена новой, существенно отличной от первоначальной и соответствующей вновь образованным гипергенным минералам.

Глава 2. Факторы, влияющие на состав и мощность элювиальных образований

1. Горные породы Горные породы сложены минералами, однако выветривание пород представляет собой более сложный процесс (Оллиер, 1987), чем просто выветривание определённого набора минералов. Характер и скорость выветривания в значительной степени зависят от пористости и проницаемости пород, которые обеспечивают проникновение воды и удаление продуктов выветривания. Пористость и проницаемость зависят от характера упаковки зёрен и объема межзернового пространства, а также от различных текстурных особенностей, влияющих на проницаемость. Характер выветривания какой-либо породы зависит от соотношения ее с другими породами. Так, например, кепрок может предохранить подстилающую породу от увлажнения и связанного с этим выветривания, тогда как в иной ситуации нижележащая порода может изменяться под действием растворов, поступающих из перекрывающей породы. При этом на характер выветривания влияют как состав, так и структура пород (особенно пористость). Часто оказывается что поры более выветрелы на контакте с другими породами, чем в основной массе. М.Шварцбах описал выветрелые конгломераты, в которых вокруг каждой гальки на контакте с основной массой образовывались канавки (рис. 3). При выветривании чётко проявляются литологические границы, что обычно учитывается при геологическом картировании.

Рис. 3. Выветривание конгломерата по контакту валунов и основной массы. Фото М. Шварцбаха (по материалам Оллиера, 1987).

Рассмотрим пример выветривания осадочных пород под базальтовым потоком. Следовало ожидать, что базальтовый поток предохраняет подстилающие породы от выветривания и что соседние породы, не покрытые базальтом и выступающие на дневную поверхность, должны были выветриться быстрее. В действительности - картина обратная, так как породы под базальтами выветрелы более интенсивно (рис. 4).

Рис. 4. Подбазальтовое выветриваение у дамбы Тулларуп: 1 – базальт; 2 – подстилающие базальты отложения; 3 – выветрелые породы; 4 – коренные породы (Оллиер, 1987).

2. Рельеф

Одним из наиболее благоприятных условий для формирования мощных кор выветривания является более или менее выровненный рельеф. В районах, испытывающих активные тектонические поднятия, происходит интенсивное расчленение территории поверхностными водами и другими экзогенными факторами и снос разрушенного материала, т.е. денудация. Она может опережать процессы химического выветривания горных пород и минералов. В этих условиях формирование нормального профиля (последовательное распределение в разрезе отдельных горизонтов, характеризующихся различной степенью выветривания пород) коры выветривания затруднено, и обычно она характеризуется небольшой мощностью с преимущественным развитием обломочных продуктов и продуктов начальных стадий химического выветривания (Горшков и др., 1973).

3. Климат

Главные климатические параметры связаны с водой и температурой. Характеристика роли воды требует учёта общего количества осадков, интенсивности дождей, величины поверхностного стока осадков, отношения осадков к испарению и других параметров. Температурные характеристики – это средняя температура, колебания температуры (в том числе выше точки замерзания) и другие параметры. Местами важное значение могут иметь и другие факторы: облачный покров, относительная влажность, суховеи и изменчивость климатических условий (Оллиер, 1987).

Изменение мощности и состава кор выветривания в зависимости от указанных основных климатических данных видно из рис. 5 (Гинзбург, 1957; Страхов, 1963). Особенно мощная кора выветривания формируется в условиях жаркого и влажного климата тропических и субтропических зон, где она достигает 100 и более метров. Нижняя граница ее обычно неровная, местами она глубоко опускается, главным образом вдоль крупных тектонических трещин и зон дробления, образуя карманы. Как видно из схемы, в тропических зонах кора выветривания представляет собой закономерно построенный элювиальный профиль. Самая верхняя её часть характеризуется наибольшей степенью разложения. На схеме видно, что в таёжно-подзолистой зоне умеренного пояса мощность коры выветривания значительно меньше вследствие уменьшения влажности и температуры. Но и здесь намечается определенная вертикальная зональность, только разрез коры выветривания заканчивается каолинитовым горизонтом и в нём отсутствует латеритный горизонт, свойственный влажным тропическим областям. Присутствие же каолинитового горизонта свидетельствует о далеко зашедшем процессе химического выветривания, когда все растворимые продукты выветривания выносятся просачивающимися атмосферными осадками.

В районах сухих саванн, по мере приближения к пустыням, мощность коры выветривания резко уменьшается и изменяется её строение. Атмосферные осадки, выпадающие здесь во влажные сезоны и способствующие химическому разложению, промывают кору выветривания, вынося в более глубокие горизонты ее значительное количество сульфатов и карбонатов, но последние не удаляются полностью, а образуют в основании элювия известковые и гипсовые стяжения. В верхней части образуются глинистые минералы гидрослюдисто-монтмориллонитово-бейделлитового горизонта. Это соответствует начальному этапу химического выветривания силикатов, при котором происходит гидратация и лишь частичный вынос катионов.

Только на участках, примыкающих к влажным тропикам, в составе коры выветривания появляются каолинит и гидроокислы железа. Последние в сухое время года теряют связанную воду и превращаются в гидрогематит (Fe₂O₃•H₂O) или даже гематит (Fe₂O₃), придавая элювию красный цвет.

В области степей, расположенной в зоне умеренного пояса семиаридного климата, мощность коры выветривания еще меньше. Вследствие недостаточного количества атмосферных осадков, выпадающих здесь лишь в определенное время года, нет условий для промывания коры и выноса растворимых продуктов выветривания (карбонатов, сульфатов), и они остаются в толще элювия. В результате кора выветривания в области степей состоит из маломощной зоны дресвы гидрослюдисто-монтмориллонитово-бейделлитовой зоны.

В пустынях и полупустынях, где количество атмосферных осадков очень мало, а испарение во много раз больше, происходит преимущественно физическое (температурное) выветривание (Горшков и др., 1973).

Рис. 5. Схема образования коры выветривания на тектонически неактивных площадях (по Н. М. Страхову): 1 – свежая порода; 2 – зона дресвы, химически малоизмененной; 3 – гидрослюдисто-монтмориллонитово-бейделлитовая зона; 4 – каолинитовая зона; 5 – охры Al₂O₃; 6 – панцирь Fe₂O₃+Al₂O₃.

4. Время

Среди кор выветривания различают современные и древние. Современные коры выветривания обычно недоразвиты, элювий в них зонально почти не дифференцирован. Наибольший интерес представляют собой древние коры выветривания.

В геологических разрезах фиксируются древние коры выветривания различного состава и возраста. Эти длительно развивающиеся коры выветривания отличаются нередко большой сложностью, отражая изменения условий во времени. В истории геологического развития неоднократно создавались благоприятные условия для формирования мощных кор выветривания. Выделяются следующие древние коры выветривания: 1) допротерозойская – на поверхности архейских корных пород; 2) докембрийская; 3) досреднедевонская; 4) девонская; 5) мезозойская; 6) палеогеновая.

5. Биос

М еханическое действие на горные породы производит корневая система деревьев (рис. 6). По мере разрастания дерева увеличиваются в размерах и его корни. Они давят с большой силой на стенки трещин и раздвигают их, как клинья, и тем самым вызывают раскалывание массива пород на отдельные глыбы и обломки. Отмершие корни растений, набухая от дождей, также расширяют трещины. Механическую работу производят и разнообразные роющие животные.

Рис. 6. Разрушающее действе корней деревьев (по материалам Горшкова, 1973).

Также велика роль организмов и в сложных процессах химического разложения минералов и горных пород.

Роль организмов в химическом выветривании определяется тем, что они способны захватывать различные элементы из разрушаемой породы и выделять в нее разнообразные химически активные вещества.

Растения в процессе своей жизнедеятельности (Горшков и др., 1973), проникая в трещины и поры горных пород, разрушают их не только механически, но и химически, разъедая их кислотами, выделяемыми концами корешков. Одновременно с этим растения извлекаю различные минеральные элементы горной породы в качестве питательных веществ: K, Ca, SiO₂, Mg, Na, P, S, Al, Fe и др. Большое значение имеют органические (гуминовые) кислоты, образующиеся при разложении и гниении органических остатков, а также газообразные продукты, такие, как O₂ и CO₂, разрушительное воздействие которых на горные породы было отмечено.