Pochvovedenie_Kovda_chast1

Рис. 54. Общая схема большого геологического круговорота веществ

ческие циклы, играющие все возрастающую роль в глобальной циркуляции веществ. В настоящее время речь идет уже не об отдельных нарушениях природных биогеохимических циклов в техносфере, а о технобиогеохимических циклах вещества и по­ токах энергии как современной норме природы. Так, глобальные циклы углерода, воды, азота, серы и ряда других элементов и веществ в значительной степени определяются деятельностью человека, ставшей геологическим фактором. При этом надо иметь в виду прогрессивно-ускоренное развитие техносферы Земли, что определяется прогрессирующим ростом населения мира, соот­ ветствующим увеличением производства и потребления пище­ вых продуктов, удвоением энергии мировой индустрии каждые 15 лет (в СССР каждые 7—8 лет) (А. М. Рябчиков, 1980) и ве­ дет к стремительному росту участия техногенных компонентов во всех глобальных циклах. Техногенная перестройка природных биогеохимических циклов затрагивает как их интенсивность, так и направленность в связи с техногенным перераспределе­ нием веществ на земной поверхности.

Современное учение о глобальных циклах веществ создано трудами В. И. Вернадского, А. Е. Ферсмана, В. М. Гольдшмидта, Б. Б. Полынова, А. П. Виноградова, В. Р. Вильямса. Большой вклад в его разработку на современном этапе внесли В. А. Ковда, А. И. Перельман, С. М. Григорьев, К. И. Лукашев, М. А. Глазовская, В. В. Ковальский, В. В. Добровольский, А. М. Рябчи­ ков, Э. Гольдберг, В. И. Вульфсон, Ф. Дювиньо и многие другие ученые в СССР и за рубежом.

318

Присоединение H2O, СО2, О2 и др. из атмосферы и грунтовых вод в процессах выветривания и почвообразования

Присоединение

органического

вещества

Рис. 55. Большой геологический круговорот веществ (А. Холмс, 1965, с дополне­ ниями)

Общий цикл технобиогеохимического круговорота веществ на Земле состоит из ряда самостоятельных биогенных, абиотиче­ ских, геологических и техногенных циклов, составляющих боль­ шой геологический круговорот веществ (рис. 54), включающий следующие главные циклы (этапы): появление изверженных по­ род на земной поверхности — выветривание — почвообразова­ ние — эрозия и денудация — накопление континентальных и оке­ анических осадков — метаморфизм осадков — выход на поверх­ ность осадочных пород с новым циклом выветривания, почво­ образования, денудации и осадконакопления либо их опускание в геосинклинальных областях в мантию и переплавка, после чего опять выход на поверхность в новом цикле вулканизма (рис. 55).

319

ЗЕМНАЯ КОРА

18.3. Выветривание горных пород

Выветривание горных пород — начальный этап большого гео­ логического круговорота веществ на земной поверхности. Пред­ посылкой выветривания служит тот факт, что плотные горные породы, как магматические, так и метаморфические и осадоч­ ные, формируются в иных термодинамических условиях по сравнению с существующими на земной поверхности, выходя на которую они подвергаются глубоким преобразованиям. Вывет­ ривание — это совокупность процессов качественного и количест­ венного изменения состава и свойств горных пород и слагающих их минералов под воздействием агентов атмосферы, гидросферы и биосферы, ведущих к трансформации и транслокации вещест­ венного состава поверхностных слоев литосферы и превраще­ нию ее в кору выветривания, которая может быть элювиальной

(остаточной), транзитной (элювиально-аккумулятивной) и акку­ мулятивной, а также современной, древней и ископаемой.

Для остаточной, элювиальной, коры выветривания харак­ терно последовательное снизу вверх чередование зон выветри­ вания (И. И. Гинзбург, 1963), так как на первых стадиях вы­ ветривания первичных минералов в среду освобождается много катионов, нейтрализующих кислые растворы, а по мере их выщелачивания среда становится все более кислой: 1) нижняя зона — зона начальной гидратации и выщелачивания по трещи­ нам пород, с преобладанием процессов физического выветрива­ ния (дезинтеграции); 2) зона гидратации и начального гидро­ лиза по всей массе породы (глубокого выщелачивания); 3) зона гидролиза и конечного выщелачивания; 4) поверхностная зона — юна конечного гидролиза (образования оксидов и гидроксидов элементов гидролизатов).

Установленные зоны выветривания одновременно являются и временными стадиями выветривания, характеризуя его начало (1-я зона) и итог (4-я зона), но полная стадийность выветрива­ ния существенно сложнее. Для транзитных и аккумулятивных (переотложенных) кор выветривания подобной вертикальной зональности, естественно, установить не удается.

Мощность современных элювиальных кор выветривания варь­ ирует от миллиметров на первичных стадиях до многих метров — древние остаточные коры выветривания могут достигать несколь­ ких десятков метров, а ископаемые остаточные и переотложенные коры могут составлять многие сотни метров.

Образование коры выветривания сопровождается потерей мощности континентальной литосферы в результате сопутст­ вующей выветриванию денудации поверхности. Так, по подсче­ там Б. Г. Розанова (1961), 10-метровая толща красноцветной коры выветривания в Шанском нагорье Бирмы образовалась из 930-метровой толщи плотных известняков, на что потребовалось около 2 млн. лет при средней скорости денудации около 0,5 мм/год.

323

Единый процесс выветривания пород и минералов склады­ вается из ряда элементарных процессов, среди которых выде­ ляются физическое выветривание (дезинтеграция и диспергация), химическое выветривание под действием воды и водных растворов (гидратация, растворение, гидролиз, окисление-восста­ новление, декарбонатизация-карбонатизация, дебазация, десили- кация-ресиликация), биологическое выветривание под действием живых организмов и их метаболитов.

Физическое (механическое) выветривание. Этот процесс про­ текает под влиянием изменений температуры (тепловое расши­ рение и сжатие минералов), замерзания (расширение) и таяния (сжатие) попадающей в трещины породы воды, механической деятельности ветра, воды, льда, истирания в гравитационном или водном потоке, разрыхляющей деятельности корней рас­ тений. В результате монолитная порода с плотностью 2,5— 2,6 г/см3 превращается в рухляк выветривания с плотностью 1,2—1,5 г/см3 и порозностью 40—50%. При этом возрастает общая степень дисперсности материала и резко растет его удель­ ная поверхность, подвергающаяся воздействию химических реа­ гентов.

Химическое выветривание. Первостепенная роль в химических процессах выветривания принадлежит растворению в воде, воз­ растающему с увеличением степени дисперсности породы. Взаи­ модействие раздробленной породы с водой приводит к переходу в раствор значительных количеств катионов и анионов — на первых стадиях выветривания преимущественно силикатов, алюминатов и карбонатов щелочей и щелочно-земельных метал­ лов, что способствует высокой щелочности растворов на этих стадиях. Постепенно щелочная реакция среды по мере выщела­ чивания катионов сменяется нейтральной и переходит на зрелых стадиях выветривания в кислую. Смена этих стадий происходит быстрее на бедных основаниями кислых породах, чем на бога­ тых или основных. В результате выветривания путем растворе­ ния и выщелачивания граниты могут потерять 30—35% своей массы, базальты — 75—90, а известняк — до 99%.

При гидратации минералов происходит резкое увеличение их объема и растворимости. Так, при гидратации ангидрита объем увеличивается на 50—60%, а растворимость в чистой воде при 20°С возрастает от практического нуля до 2,6 г/л.

Гидролиз минералов, реагирующих с водой, сопровождается их существенными преобразованиями, например:

СаСО3 + Н2О –> Са (ОН)2 + Са(НСО3 )2

кальцит

KAlSi3O8 + Н2O –> КОН + HAlSi3O8

ортоклаз

324

HAlSi3O8 + 4Н2O –> Al (OH)3 + 3H2SiO3

CaAl2Si2O8 + 2H2O –> Ca (OH)2 + H2Al2Si2O8

анортит

H2Al2Si2O8 –> 2SiO2 • H2O + A12O3

Na2Al2Si6O16 + 2H2O –> 2NaOH + H2Al2Si2O8 + 4SiO2

альбит

H2Al2Si2O8 –> 2SiO2 • H2O + Al2O3

Образующиеся при гидролизе первичных минералов раствори­ мые и коллоидные соединения кремния, алюминия и катионы служат исходным материалом для новообразования вторичных глинистых минералов, аккумулирующихся в корах выветри­ вания.

Процессы новообразования глинистых минералов в зависимос­ ти от условий дренажа, наличия катионов в растворе и реакции среды будут идти в различном направлении, что иллюстрируется следующей схемой Г. Пагеля (1963), дополненной В А Ковдой (1973):

Выветривание слюд и их преобразование в глинистые ми­ нералы путем гидролиза и ресинтеза сопровождается прогрес­ сивной потерей калия:

слюда –> гидрослюда –> иллит –> прреходные –> монтмориллонит,

325

Карбонатизация выветривающегося материала является след­ ствием постоянного присутствия СO2 в среде, взаимодейст­ вующего с водой по реакции

CO2 + H2O –> H2CO3 –> H+ + HCO–3

Реакция угольной кислоты с минералами приводит к их раз­ рушению с образованием карбонатов, выпадающих в осадок ли­ бо выщелачиваемых водой:

СаAl2Si2O8 + H2CO3 –> СаСО3 + H2Al2Si2O8

анортит

H2Al2Si2O8 –> 2SiO2 • Н2O + Al2O3

Na2SiO3 + Н2СО3 –> Na2CO3 + H2O + SiO2 Na2S + Н2СО3 –> Na2CO3 + H2S

Чем больше растворено углекислоты в воде, тем интенсивнее идут процессы карбонатизации.

Декарбонатизация всегда протекает одновременно с карбонатизацией в условиях достаточно интенсивного промывного ре­ жима, поскольку образующиеся карбонаты щелочей и гидрокар­ бонаты щелочно-земельных металлов обладают высокой раство­ римостью и интенсивно выносятся. В условиях аридного климата карбонаты аккумулируются в остаточной коре выветривания. Реакции декарбонатизации известняков также идут при посред­ стве СO2:

СаСO3 + С O 2 + Н2O–>Са(НСО3)2

Окисление является одним из активных процессов выветри­ вания минералов, причем самых разнообразных:

2FeS2 + 7O2 + Н2O –> 2FeSO4 + 2H2SO4 12FeSO4 + 3O2 + 36H2O –> 4[Fe2(SO4)3•9H2O] + 2Fe2O3

4FeS2 + 15O2 + 10H2O –> 4FeOOH + 8H2SO4

Окислительные процессы ведут обычно к сильному подкислению среды и интенсивному выносу катионов в условиях доста­ точного увлажнения.

Восстановление играет существенную роль в выветривании минералов, содержащих элементы с переменной валентностью в окисленной форме. Этот процесс часто идет при участии хемотрофных микроорганизмов в условиях дефицита кислорода.

Десиликация пород особенно интенсивна на первых стадиях выветривания, когда освобождающийся при гидролизе силика­ тов кремний образует растворимые или подвижные коллоидные

326

соединения, легко мигрирующие в щелочной среде. При доста­ точной длительности и интенсивности выветривания, как, напри­ мер, во влажных тропиках или субтропиках, выветривающиеся породы могут потерять до 80—90% исходного содержания крем­ ния, а остаточная кора выветривания будет постоянно обога­ щаться оксидами алюминия и железа.

Большой агрессивностью по отношению к минералам обла­ дают продуцируемые организмами и выделяемые в среду органи­ ческие кислоты — щавелевая, яблочная, лимонная и т. д., а так­ же гумусовые кислоты, особенно фульвокислоты. Поскольку, как установил Б. Б. Полынов, стерильного выветривания в при­ роде не бывает, организмам принадлежит существенная роль во всех трансформациях минералов и образовании подвижных продуктов, выветривания.

Минералы горных пород в различной степени подвергаются процессам выветривания. По своей устойчивости к выветриванию они образуют следующие ряды:

гипс < калиевые полевые шпаты < доломит

Для суждения о степени выветрелости породы в коре вы­ ветривания было предложено несколько индексов:

1) индексы Руге:

кварцево-полевошпатовый (в % ) :

WRh = циркона + турмалина/ (амфибилов + пироксенов) ;(75) 2) индексы Гарассовица (молекулярные отношения):

327