учебники / Гаврилов В.П. «‎Общая и историческая геология и геология СССР»

§ 2. ВЫВЕТРИВАНИЕ

Сово,купное влияние колебаний температуры, воздействия атмо­ сферы, воды и организмов на горные породы, приводящее к их

изменению и ,разрушению, получило название выветривание.

Различают две фазы выветриваниядезинтеграцию и химиче­ ское разложение. Дезинтеграция представляет собой механиче­ ское разрушение пород с образованием частиц меньшего раз­

мера, состоящих из того же материала, что и коренная порода.

При химическом разложении изменяются первичные минералы. Как правило, эти процессы протекают одновременно, тем не

менее, в зависимости от преобладания того или иного разру­ шающего фактора, различают механическое, физическое, хими1Iеское и биологическое выветривание.

Механическое выветривание протекает под действием ветра,

rюэтому такое выветривание можно рассматри,вать в качестве

геологической деятельности ветра.

Геологическая работа ветра во многом зависит от его ско­

рости. Это объясняется, во-первых, тем, что при ветре возра­

стает давление на разрушающийся массив горных nород (при

скорости ветра 30 м/с на 1 м2 поверхности оказывается давле­

ние 55-70 кг), а во-вторых, тем, что в ветровом nотоке нахо­ дятся мелкие обломочные частицы, которые и оказывают ис­ тирающее воздействие на горную породу. Размеры переносимых

ветром частиц, а следовательно, и их ударная сила находятся

в прямой зависимости от скорости ветра. При движении воз­

духа со скоростью 6,5 м/с ветер способен переносить частицы

размером менее 0,25 мм; при скорости 10 м/с диаметр перено­ симых частиц увеличивается до 1 мм, а при скорости 30 м/с­ до 5 мм и более. Неравномерно распределение механических

частиц в потоке ветра и по вертикали: чем выше, тем меньше

диаметр переносимых частиц при прочих равных условиях.

Крупнозернистый песок и мелкий гравий редко поднимаются

выше 5 м. Механические частицы, двигаясь в потоке воздуха, ударяются о массивы горных пород и выбивают из них мель­

чайшую пыль, которая в свою очередь также подхватывается

ветром н уносится прочь. Так на поверхности горных пород об­ разуются штрихи, борозды, желобки. Данный процесс называ­ -ется коррозией, а выдувание материала при этомдефляцией

(лат.- выдувать). Направление штрихов указывает на направ­ ление преобладающих ветров. Наиболее активно эти nроцессы nротекают в незащищенных или слабо защищенных травяным и

лесным покровом участках суши- в пустынях и в высокогорных

областях. На долю nервых приходится 28 млн. км2, из которых

43 %'находится в Австралии, 30 % -в Африке, 24 %-в Азии.

Разрушение nород под действием коррозии зависит or их крепости, но обычно быстрее всего nодтачиваются породы в ниж-

61

IOIX частях возвышенiiостей. С течением нрсмени в результате

совместного проявления коррозии и дефляции разрушаются и

возвышенные формы местности с образованием характерного эолового рельефа. Положительными его формами служат ос­

танцы выветриваниястолбаили башневидные образования,

аотрицательнымиэоловые рытвины (хольвеги), ниши, пе­

щеры, а иногда целые эоловые долинывади.

Наряду с разрушительной работой, ветер осуществляет пе­ ренос (транспортировка) продуктов коррозии. Сильный ветер

поднимает в воздух. огромное количество мелкого материала.

Например, средняя буря поднимает с поверхности Земли в воз­ дух до 25 км3 пыли, т. е. порядка 50 млрд т. Значительна и даль­

ность переноса этого материала: обломки диаметром 0,05 мм и менее уносятся ветром на тысячу километров, диаметром 0,5- 2 ммна сотни Iшлометров. Во время пыльной бури в г. Ашха­ баде (1968 г.) здесь был обнаружен пылевидный материал диа­

метром 0,05-0,001 мм принесенный из Турции и Ирана на рас­

стояние 3-3,5 тыс. км. В морских отложениях у Карибских ост­ ровов обнаружен тонкий песчаный материал, транспортирован­ ный воздушным-и потоками из пустыни Сахара на расстояние

4,5 тыс. км. Крупные зерна песка способны перемешаться под

действием ветра прыжками (сальтация) или путем перетекания (соскальзывания). Такой перенос может осуществляться на не­

сколько километров.

По мере снижения скорости ветра, переносимый им материа.ТI

оседает, формируя эоловые отложения или накопления, пред­

ставленные в основном песком и лёссом. Песок образует пере­ мещающиеся холмистые формыдюны и барханы, лёсс­ сплошные горизонтальные наслоения. Структура эоловых пес­ ков характеризуется неправильной косой слоистостью, обуслов­ ленной частой сменой ветрового режима. Отдельные слойки

песка залегают косо по отношению к границам слоя, которые,

всвою очередь, также более или менее нат<лонены по отношению

кгоризонтали. Поверхность эоловых песков покрыта характер­ ной рябьюминиатюрными грядами высотой 1-5 см и менее. Ориентированы они перпендикулярно направлению ветра.

Дюны накапливаются по берегам морей. озер и рек. Это хол­

мистые образования высотой 5-30 м, хотя известны дюны-ги­

ганты высотой до 200 (Тунис) и даже до 500 м (Сахара). В по­

перечном разрезе дюпа имеет асимметричное строение: подвет­

ренный ее склон более крутой (до 35°). а наветренныйболее

пологий (до 15°). Формируются дюны под действием ветра из

песчаного материала, намытого водой по побережью рек, озер

или М()рей. Дюны имеют тенденцию I< перемещенню от берег()В М()ря ил11 n:зera ю1 сушу. Этот процесс на:шнается ::юловой транс­ грессией. Скорость персмещения дюн различна: от 1-2 м в год до 20 м за один день при сильном ветре. Иногда дюны, объеди-

62

»яясь, образуют дюнные валы, протяженностыо многие кило­ метры. Вдоль атлантического побережья Франции известны сис­ темы дюнных валов, nротягивающиеся на 400 км при ширине до 10 км. Высота отдельных дюн достигает 90 м. В Советском Союзе дюны образуются на Балтийском море, вдоль nобережий крупных озер (Аральского, Ладожского), по берегам Днепра, Дона, Волги и т. д.

Барханы (материковые дюны) -это песчаные накопления,

характерные только для nустынных и полупустынных районов.

В плане барханы имеют серповидную форму, а в поперечном

разрезе они, как и дюны, асимметричны, с пологим наветренным

исравнительно крутым, осыпающимся подветренным склонами.

На стыке СI<лонов образуется острый угол. Крутизна подветрен­

ного склона соответствует углу естественного откоса и колеб­

лется от 28 до 38°. Барханы возникают у небольших препятст­

вийкуста саксаула, пучка травы, камня высотой порядка

20 см, создающих в приземном слое потока воздуха зону за­ тишья. Этого достаточно, чтобы начал образовываться бархан.

Обычно их высота колеблется от 1 до 200 м. В Сахаре известны отдельные пирамидальные барханы высотой до 500 м. У нас в стране барханы широко развиты в пустынях Каракумы и Кы­

зылкумы. Объединившись, барханы образуют барханные цепи или гряды, состоящие из сотен одиночных барханов. Протяжен­

ность таких гряд достигает 20 км при ширине 1 км. Гряды

обычно располагаются несколькими эшелонами друг за другом,

перпендикулярно к направлению господствующего ветра; рас­

стояние между ними 1,5-2 км.

Подобно дюнам, барханы способны перемещаться. Скорость

перемещения при скорости ветра 15-16 м/с может достигать 10 м в сутки. Движущиеся пески приводят к неприятным по­ следствиям. Они засыпают посевы, луга, мелкие селения. В ре­ зультате происходит опустынивание территорий. В настоящее

время 53 % Африканского и 34 % Азиатского континентов под­

вержены этому процессу. Для закрепления движущихся песков высаживают быстрорастущие растения с мощной корневой сис­ темой (саксаул, сосна, песчаная акация и т. д.), устанавливают вдоль дорог специальные щиты (механическая защита), nокры­ вают поверхность песков закрепляющими битумными эмуль­

сиями.

Лёсс имеет различное происхождение. Широкое развитие его

по периферии песчаных пустынь позволило в свое время акаде­

мику В. А. Обручеву обосновать его эоловое nроисхождение.

Jlёcc, или желтозем,- это массивная, легкая, очень пористая

(40-55%) порода желтого цвета. Размер составляющих лёсс

частиц колеблется от 0,01 до 0,005 мм. Jlёcc развит в Азии,

в Северной Америке, в Европе. Наиболее мощные лёссовые об­

разования известны по окраинам пустыни Габи в КНР; здесь

63

их мощность достигает 400 м. При замачивании лёсс уменьшает свой объем. Это его свойство получило название просадки. Эо.rювые отложения (пески, лёсс) характеризуются невысокой

прочностью, поскольку они сдабо сцементированы, а составля­

ющие их частицы хорошо окатаны.

Физическое выветривание протекает под влиянием колеба­

ний температуры, поэтому иногда его называют температурным

выветриванием. Минералы, слагающие горные породы, имеют

неодинаковые коэффициенты линейного и объемного расшире­

ния, т. е. по-разному реагируют на нагревание и охлаждение.

Особенно активно эти процессы протекают в районах с конти­

нентальным климатом, где отмечается резкая разница в сезон­

ных и суточных температурах. Прежде всего, они свойственны

пустынным и полупустынным районам, а также высокогорным

обдастям. Периодическое неравномерное сжатие и расширение

слагающих горную породу частиц приводит к образованию

между ними тончайших трещин. Наиболее активно реагируют

на неравномерное нагревание солнечными лучами и последую­

щее охлаждение грубозернистые породы, состоящие из разноок­

рашенных минералов, поскольку минералы темного цвета на­

греваются сильнее светлоокрашенных. Вода, проникающая днем

в образовавшиеся трещины, ночью застывает, увеличивает свой

объем и давит на стенки трещин с силой до 6 т на 1 см2• Тре­

щины растут, и происходит постепенное обособление частиц, от­

слаивание их от массива горной породы. Возникает своеобраз­ ное шелушение выветривающихся породдесква.мация.

Физическое выветривание усугубляется периодическим на­

моканием породы и ее последующим высыханием, ростом кри­

сталлов различных солей в порах и трещинах породы, разру­ шающим действием корневой системы растений. Вместе все эти

факторы разрушают массив горной породы, ослабляют связи

между слагающими ее частицами и, в конечном итоге, дезинте­

грируют породу, которая сначала превращается в отдельные

глыбы, потом- в более мелкие обломки, а далее- в щебень,

гравий и песок.

Химическое выветривание представляет собой процесс разру­

шения горной породы, обусловленный распадом слагающих ее

минералов вследствие различных химических процессов. Обычно

химическое выветривание протекает одновременно с тем или

иным видом физического выветривания. К числу химически ак­ тивных веществ, содержащихся в атмосфере и воздействующих

на породу, в первую очередь, следует отнести кислород, воду,

углекислоту, различные органические кислоты. Они обеспечи­

вают протекание основных химических реакций разрушения­

окисления, гидратации, карбонизации, растворения н гидролиза.

Окисление протекает в приповерхностной зоне, куда могут

проникнуть атмосферные воды, богатые кислородом. Особенно

64

вин, кальцит, гипс. Так, для растворения 1 кг галита требуется

3 кг воды, длн растворения 1 кг гипса-ночти 500 J<Г воды. Дру­

гие минералы растворяются в воде значительно хуже. Однако

растворяющая способность воды существенно повышается при

добавJiении в нее различных кислот (угольная, гумидная), ще­ лочей, активных газов (кислород, азот). Наиболее характерный пример увеличения растворяющей способности водыобога­

щение ее диоксидом углерода, что приводит к появлению уголь­

ной кислоты (см. реа1щию карбонизации). В этом случае карбо­

наты переходят в бикарбонаты, которые значительно легче рас­

творяются в воде:

Эта реакция способствует развитию карста; о нем будет ска­

зано позже.

Различают конгруэнтные и инконrруэнтные растворы. Пер­ вые образуются, когда минерал растворяется, не меняя своего химического состава (галит, кальцит, кремний); вторые харак­ теризуются возникновением новой твердой фазы и изменением соотношения атомов в растворе. Например ортоклаз, раство­ ряясь в воде, образует раствор, обогащенный калием и крем­ нием, и твердую фазу, представляющую собой глинистый мине­

рал:

4KAlSi80 8 + 22Н20 -+ 4К+ + 40Н~ + 8Si (ОН)4+

Ортоклаэ В растворе

+Al,Si,01o (ОН)в.

Восадке

Инконгруэнтные растворы играют большую роль при хими­

ческом выветривании горных пород, которое сопровождается

образованием новых глинистых минералов и специфических ла­

теритных почв.

Гидролизреакция обменного разложения между водой и

различными химическими соединениями (например, минера­

лами); разложение минералов сопровождается разрушением

его кристаллической структуры. Известно, что в воде в раство­

ренном состоянии содержатся различные ионы -ОН-, НСО3,

SO~-. CJ-, Н+, Са2+, Mg2+, Na+, К+. Эти .ионы могут замещать

заряженные атомы в кристаллах или реагировать с ними, нару­

шая таким образом первичную кристаллическую структуру. На­ иболее характерна реакция гидролиза для силикатов (прежде всего, полевых шпатов), на долю которых приходится более по-

66

ловнны объема земной коры. Для гидролиза снлиr{атов харак­

терны следующие реакции:

кальция

Впроцессе этих реакций происходит несколько превращений:

врезультате гидролиза образуется каолинит, в результате кар­

бонизациибикарбонаты калия, натрия и кальция, которые

все хорошо растворяются в воде; кварц выносится из ортоклаза

и альбита в виде слабой ортекремниевой кислоты. В условиях

жаркого, влажного (гумидного) климата реакция идет дальше:

AlzSi20ь (ОН)4 +СО2 + pHzO -+ А120з · mHzO + SIOz ·nH20.

Каолинит Боксит Опал

Реакции гидролиза приводят к разрушению массивов магма­ тических и метаморфических пород, содержащих в большом ко­

личестnе полеnые шпаты и другие силикаты. Таким путем раз­

рушаются граниты, порфириты, гнейсы и т. д.

Биологическое выветривание производят живые организмы (микроорганизмы, черви, насекомые, мелкие грызуны) и расте­ ния. Особенно активно разрушают горные породы микроорга­ низмы (бактерии, грибки. nирусы, бактериофаги). населяющие

верхний слой почвы. Вблизи поверхности их содержание n 1 см3

грунта составляет сотни миллионов. на глубине 1-2 м- де­ сятки тысяч, а на глубине 4 м- сотни. По подсчетам ученых,

в одном гектаре пахотного слоя содержится от 5 до 10 т микро­

организмов, общая площадь поверхности нх I<леток достигает 50 га. Под nлиянием микроорганизl\Юв и разлагаются органиче­ ские остатки. Основными процессами при этом являются: бро­ жение, нитрификация, денитрификапия, обrазованис солей сер­ ной п соляной ЮJслот, разрушснпе фосфорных соrдшrений. Часп, этих процсссоn протекает при доступе воз,п:vха (аэробный про­

цесс), частьбез доступа воздуха (анаэробный процесс). При

распаде органической массы появляются органические кислоты

(щавелевая, янтарная. парафиновая. гумусовая). эфиры. спир­

ты, vгле1юдьr, азотистые соединения. тш.1оть до а~отистой и

азотной кислот. Это усиливает разрушающее nоздеi!СТВИС на

горные породы и приводит J< ее биохимичесiюму выветриванию.

Горные породы разрушаются и за счет жизнедея1ельности обык­ новенных дождевых червей. Подсчитано, что на 1 га луга их содержится до 4 т. За сезон они перерабатывают до 200 т грунта. Следовательно, в течение 10 лет луговая почва, по край­

ней мере, один раз проходит через кишечник дождевых червей.

Определенную разрушительную работу производят и насеко­ мые. В настоящее время на каждого жителя Земли приходится д.о 250 млн насекомых. Некоторые их представители, например

саранча, могут покрывать густым слоем территории до 6 тыс. км2 ;

при этом масса их аналогична общей массе меди, свинца и цинка, добытых человеком за последние 100 лет. В. И. Вернад­

ский назвал такие массы саранчи «движущейся горной породой,

одаренной свободной энергией». Естественно, что такие скопле­ ния насекомых могут производить и существенную работу по разрушению горных пород. Причем глубины этого воздействия измеряются иногда многими метрами. Например, муравьи в по­ исках воды проникают вглубь на 30-35 м.

Разрушают горные породы и сравнительно высокоорганизо­ ванные роющие животные (суслики, кроты). Сооружая норы в верхнем слое грунта, они разрыхляют его, в значительной сте­ пени способствуя дальнейшему выдуванию или вымыванию пы­ леобразного материала и образованию эоловых котловин.

Низшие и высшие растения также воздействуют на горные

породы. Мхи и лишайники, покрывающие скальные склоны,

в процессе жизнедеятельности выделяют кислоты (щавелевую. угольную), разрушающие породы. Корневая система высших

растений, проникая в трещины горных пород, вызывает увеличе­

ние размеров трещин. Все это также способствует разрушению

горных пород.

§З.ПРОДУКТЫВЫВЕТРИВАНИЯ

Обычно все виды выветривания оказывают совокупное воздей­

ствие на горные породы. В результате этого они не только раз­

рушаются, но и образуют специфические продукты выветрива­

ния, которые в дальнейшем участвуют в формированИи новых

осадочных породэлювия, делювия и коллювия (рис. 19).

Элювий (лат. вымывать) -продукты выветривания (чаще

химического), которые остаются на месте первоначального за­ легания коренных пород. По химическим и физическим свойст­

вам, а также внешнему виду элювий существенно отличается от

материнских образований. Это рыхлый глинистый неслоистый

п неотсортированный материал белого, буроватого или красно­

вато-розового цвета в зависимости от содержащейся в нем при­

месигематита или лимонита. В составе элювия часто встре­

чаются такие минералы как каолинит и боксит. Мощность элю­ вия колеблется от нескольких миллиметров до десятков метров.

68

ляется у подножия горных массивов в виде своеобразных шлей­ фов, выклинивающихся вверх по склону. Вниз по склону про­ исходит дифференциация обломков от щебнистого и дресвяни­

стого состава до лёссовидных суглинков и глин. Имеется тон­ кая, параллельная склону слоистость, более явно выраженная

в грубозернистых делювиальных осадках.

Коллювий (лат.- скопление, беспорядочная гряда)- про­

дукты выветривания, перемещенные вниз по склону за счет силы

тяжести. (Иногда не делают различия между коллювием и де­ лювием.) Коллювий, как и делювий, накапливается на горных склонах, у подножий в виде шлейфов. Однако степень его отсор­

тированности и сцементированности значительно ниже, чем у де­

лювия. По другому расnределяются и обломки в массе коллю­ вия: более крупные удалены дальше от места первоначального залегания. l(оллювий обычно образует по склонам гор осыпи, состоящие из остроугольных обломков; встречаются и глыбовые осыпи. Осыпи формируются в результате постепенного осыпания горной породы и медленного передвижения образующихся при этом обломков по склон<:~м гор к подножию. Этот процесс по­ лучил название крипа (от англ. ползти). Крип приводит к засы­

панию горных дорог и железнодорожных путей; для предохра­

нения последних от осыпей сооружают специальные защитные

стенки.

Процессы выветривания способствуют образованию в горных местипетях обвалов, которые представляют собой мгновенное,

часто катастрофическое перемещение огромных масс горных по­ род к подножию. При крупных обвалах происходит перемl'щснис

лившихся камней массой в 7 млрд т перегородила долину pCI\!1

на протяжении 6 км. При этом образовалось Сареэскос озерn

протяженностью 75 км и глубиной до 500 м. Озеро Рица на Кав­

казе также имеет обвальное происхождение.

fiQ

В совокупности продукты выветривания (элювий, делювий и коллювий) образуют кору выветривания, мощность которой может меняться от нескольких сантиметров до 100 м и более. Максимальная мощность коры выветривания характерна для жарких и влажных климатических зон. В зависимости от мине­

рального состава различают каолиновую, латеритную, окислен­

ных руд, обломочную и другие коры выветривания. С ними свя­

заны месторождения многих полезных ископаемых: каолина,

бокситов, железных и никелевых руд, россыпей драгоценных ме­

таллов и т. д. Коры выветривания бывают современные и иско­

паемые.

Продукты выветривания, в свою очередь, подвергаются воз­

действию атмосферных и биологических факторов, т. е. даль­ нейшему выветриванию. В результате происходит процесс ново­ образования, приводящий к возникновению почвы. Ее можно

рассматривать как верхний слой коры выветривания, обогащен­

ный гумусом, т. е. продуктами жизнедеятельности организмов. В составе почвы различают три фазы: твердую, жидкую и газо­ образную. Твердая фаза почвы состоит из первичных (кварц, полевые шпаты, слюды и др.) и вторичных (монтмориллонит, каолинит и др.) минеральных образований. Сюда же относится гумус, или перегной. Жидкую фазу (почвенный раствор) состав­

ляет вода с растворенными в ней органическими и минераль­

ными соединениями, а газообразную фазу (почвенный воздух) -

различные газы, заполняющие свободные от воды поры.

В настоящее время выделяют более 30 типов почв, наиболее

важные из них: арктические; тундровые; лесотундровые; под­

золистые- подзолисто-гумусовые, подзолисто-болотные, дер­

ново-подзолистые и т. ·д.; серые лесные; бурые; черноземные;

светло-каштановые; солонцовые и др. В нашей стране более

половины территории занимают подзолистые почвы; 8,6%- чернозем; 7,6 %-почвы тундр и лесотундр; 3 %·-серые лесные

почвы и т. д. По химической активности почвы классифициру­

ются на кислые, щелочные и средние (нейтральные).

Вопросы для самопроверки

1.Что понн~ается под денvдацией? Ее вил.ы.

2.Что nредставляет собой ·11тмосфера?

~- Нарвсуйте схему строения атмосферы. 4. Охарактеризуйте слон атмосферы.

5_. Какие параметры определяют гео.1огическую леятельность атмосферы?

Охарактеризуйте их.

70