Генезис, классификация и география почв Выветривание.
Выветривание горных пород – начальный этап большого геологического круговорота веществ на земной поверхности.
Выветривание – совокупность сложных процессов количественного и качественного изменений горных пород и слагающих их минералов под воздействием агентов атмосферы, гидросферы и биосферы, ведущих к трансформации и транслокации вещественного состава поверхностных слоев литосферы и превращения ее в кору выветривания.
Выделяют физическое, химическое и биологическое выветривание.
Физическое выветривание – механическое раздробление горных пород и минералов без изменения их химического состава.
Оно протекает под воздействием резких колебаний температур (суточных и сезонных), которые приводят к возникновению процессов расширения–сжатия; при наличии воды, попадающей в трещины, создается капиллярное давление большой силы, еще интенсивнее разрушающее действие воды проявляется при замерзании (вода расширяется на 1/10 объема). Аналогичную роль выполняют кристаллизующиеся в трещинах соли (например, гипс при кристаллизации увеличивается в объеме на 1/3). Велика роль в этом виде выветривания корневых систем, выполняющих разрыхляющую работу. Кроме перечисленных факторов физического выветривания, следует упомянуть о том, что горные породы состоят из зерен различных минералов (гранит – из прочно скрепленных друг с другом кристаллов кварца, полевых шпатов, слюд и других минеральных зерен), которые при нагревании расширяются неодинаково и при частой смене температуры приводят к образованию сети тонких трещин.
Химическое выветривание – процесс химического изменения и разрушения горных пород и минералов с образованием новых минералов и соединений. Важнейшими его агентами являются вода, СО2, кислород и различные органические соединения преимущественно кислотного типа.
Идут реакции: растворения, окисления, гидратации и гидролиза минералов.
Растворение минералов в воде увеличивается при росте температуры, насыщении воды углекислым газом и повышении концентрации воздействующего раствора.
В результате выветривания путем растворения и выщелачивания граниты могут потерять 30–35% своей массы, базальты – 75–90%, а известняк – до 99%.
Гидролиз приводит к замене катионов щелочных и щелочноземельных металлов кристаллической решетки минералов на ионы водорода молекул воды:
KАlSi3O8
+ H2О
HАlSi3O8
+ KOH
→
ортоклаз
H
АlSi3O8
+ 4Н2О
Al(OH)3
+ 3H2SiO3,
2
СаСО3
+ Н2О
Са(ОН)2
+ Са(НСО3)2.
кальцит
Образующиеся при гидролизе первичных минералов катионы и коллоидные соединения кремния, алюминия служат исходным материалом для новообразования вторичных глинистых минералов, аккумулирующихся в корах выветривания.
Слюда → Гидрослюда → Иллит → Переходные → Монтмориллонит
минералы
Гидратация – химический процесс присоединения молекул воды к частицам минералов:
F
e2O3
+ nH2O
FeO(OH) + nH2O
FeO(OH)3
+ nH2O
2Fe2O3·3H2O.
гематит гетит гидрогетит лимонит
Окисление – наиболее распространенный и активный процесс выветривания минералов, заключающийся во взаимодействии минералов с кислородом:
4CaFeSi2O6 + O2 + 4H2CO3 + 6H2O → 4CaCO3 + 4FeOOH + 8H2SiO3.
авгит
Окислению подвергаются многочисленные минералы, содержащие закисное железо или другие способные к окислению элементы:
2FeS2 + 7O2 + 2H2O = 2FeSO4 + 2H2SO4,
12FeSO4 + 36H2O + 3O2 = 4[Fe2(SO4)3 · 9Н2О] + 2Fe2O3,
4FeS2 + 15O2 + 10H2O = 4 FeOOH + 8H2SO4.
В процессе окисления пирита, наряду с сульфатами и гидратами оксидов железа, образуется серная кислота, участвующая в создании новых минералов. Окислительные процессы ведут обычно к сильному подкислению среды и интенсивному выносу катионов в условиях достаточного увлажнения.
Наблюдаются и более сложные процессы превращения первичных минералов в глинистые:
слюда → гидрослюда → смешанослойные минералы → вермикулит → монтмориллонит
В результате химического выветривания разрушаются кристаллические решетки первичных минералов, порода обогащается глинистыми минералами и приобретает связность, влагоемкость, поглотительную способность и другие свойства, более характерные для почв.
Биологическое выветривание – механическое разрушение и химическое изменение горных пород и минералов под действием организмов и продуктов их жизнедеятельности.
При биологическом выветривании организмы извлекают из породы необходимые для построения своего тела минеральные вещества и аккумулируют их в поверхностных горизонтах, создавая условия для формирования почв. Корни растений и микроорганизмы выделяют во внешнюю среду углекислый газ и различные органические кислоты (щавелевую, яблочную, янтарную и др.), которые оказывают разрушающее действие на минералы. Нитрификаторы образуют азотную кислоту, серобактерии – серную кислоту, усиливающие процесс выветривания.
Поскольку при выветривании элементарные процессы действуют с неодинаковой скоростью, а подвижность (степень выноса) продуктов выветривания также различна, формирующиеся коры выветривания образуют определенные хронологические ряды – хронокатены.
Б. Б. Полынов (1934) установил следующие стадии развития кор выветривания в элювиальном процессе: 1) обломочная; 2) обызвесткованная; 3) сиаллитная насыщенная; 4) сиаллитная ненасыщенная (выщелоченная); 5) аллитная. Среди них выделяют две главные: сиаллитную, распространенную в регионах с умеренно влажным климатом, которая характеризуется образованием глинистых минералов монтмориллонитовой группы и гидрослюд, а также сохранением устойчивых первичных минералов; аллитную, формирующуюся в условиях влажного субтропического и тропического климата, которая отличается почти полным разрушением первичных минералов (кроме кварца), выносом оснований и кремнезема, накоплением вторичных минералов группы гидроксидов Al, Fe, а также каолинита.
Дальнейшее развитие почвы в верхней части коры выветривания, формирование зрелых, полно развитых почв происходит уже под влиянием процесса почвообразования.
Кора выветривания – продукт разрушения, трансформации и переотложения горных пород. Почва – результат новообразования специфического биокосного природного тела, отличающегося наличием гумуса, определенным морфологическим строением профиля, появлением особых свойств и функций.