учебники / Короновский Н.В. «‎Общая геология‎» 3-ие издание

Выше, до высот 50–55 км, располагается стратосфера, в которой наблюдается рост температур до верхней ее границы — стратопаузы, где температура почти такая же, как у поверхности Земли, что связано с поглощением солнечного излучения озоном. Водяной пар содержится в стратосфере в ничтожных количествах, но на высоте около 25 км присутствуют переохлажденные капельки воды, образующие тонкие

перламутровые облака.

Над стратопаузой до высоты 80 км находится мезосфера, в которой температура снова понижается до –100 °С, и затем слой с давлением воздуха в 100 раз меньшим, чем у поверхности Земли, — мезопауза. В этих трех слоях заключено 99,5 % всей массы атмосферы, а на высоте 80 км давление уже в 10 тыс. раз меньше приземного.

Выше мезопаузы располагается термосфера, в которой температура снова резко повышается до 1200–1500 °С на высоте 250 км, а верхняя граница термосферы находится на уровне 800–1000 км, выше которого выделяется экзосфера, или сфера ускользания газов. Космические исследования показали, что еще до высот 20 тыс. км простирается так называемая земная корона, в которой на 1 см3 приходится около 1000 частиц газа.

На высоте около 100 км начинается разделение газов и более легкие стремятся вверх, а более тяжелые — вниз, например доля аргона будет уже не 1 %, а менее 0,001 %. Здесь же происходит разделение молекул на составляющие их атомы.

Климат Земли определяется атмосферной циркуляцией, теплооборотом и влагооборотом, а также астрономическими факторами — наклоном оси вращения Земли к плоскости эклиптики, светимостью Солнца и т. д. Климат, присущий отдельно взятому региону, определяется рядом факторов: географической широтой, наличием морей и суши, рельефом, растительностью, ледовым покровом и др. От климата зависит характер выветривания и другие экзогенные геологические процессы.

Регулярные наблюдения за атмосферной циркуляцией до высоты 60 км производятся с искусственных спутников Земли. Многие системы ветров обусловлены термической конвекцией, т. е. перепадом температур. Однако эти ветры имеют небольшие горизонтальные размеры. Наиболее мощные конвективные ячейки в атмосфере расположены в Cеверном

иЮжном полушариях от экватора до 20–30° широты и называются циркуляцией Хэдли, вызывающей знаменитые ветры-пассаты. Севернее

июжнее 30° широты известны ячейки циркуляции Ферелл, в которых воздух движется в противоположном направлении по сравнению с ячейками Хэдли. То есть в поясе широт 20–30° происходит опускание сухого верхнего слоя воздуха к земной поверхности, где развиты пустыни.

Гигантские вихри в атмосфере — циклоны вызваны потерей устойчивости атмосферного потока. Переход потенциальной и тепловой энергии

Рис. 4.2. Солнечная радиация, поступающая на Землю. 1 — 47 % поглощается горными породами, почвой и водой на земной поверхности; 2 — 19 % поглощается атмосферой и облаками; 3 — 23 % отражается облаками; 4 — 8 % рассеивается атмосферой; 5 — 3 % отражается грунтами

атмосферы в кинетическую и обусловливает разгон воздушной массы, которая под действием силы Кориолиса отклоняет движение воздуха вправо в Северном полушарии и влево — в Южном. Циклоны и антициклоны в средних и высоких широтах перемещаются с запада на восток, что и определяет погоду.

Вся энергия атмосферных процессов зависит от солнечной радиации, или излучения. Каждая единица земной поверхности получает от Солнца за 1 год тепла в 30 тыс. раз больше, чем поступает из земных недр. Солнечная радиация на 99 % представляет собой коротковолновую радиацию с длиной волн от 0,1 до 4 мкм и включает в себя видимый свет, ультрафиолетовую и инфракрасную радиацию. Нагреваемая земная поверхность излучает уже длинноволновую радиацию с длиной волн от 4 до 100 мкм. Атмосфера рассеивает солнечную радиацию, чему способствует облачный покров (рис. 4.2).

Гидросфера — это прерывистая оболочка Земли от распространения воды в атмосфере до нижней границы подземных вод. Водяной пар содержится в атмосфере от 0,2 % в высоких широтах до 4 % в тропическом экваториальном поясе и постоянно поступает в атмосферу при испарении воды с поверхности водоемов, почвы, а также от растительности (транспирация). Вода Мирового океана покрывает 71 % поверхности Земли (361 млн км2), если сюда присоединить все остальные водоемы, то — 383 млн км2, с учетом зимнего снежного покрова — 443 млн км2, т. е. 83 % площади поверхности земного шара (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Распределение воды на Земле

Роль океанов заключается и в том, что их вода, будучи теплее, чем атмосфера, в среднем на 3 °С, непрерывно обогревает последнюю, имея запас тепла в 21 раз больше, чем в атмосфере. Между атмосферой и гидросферой все время осуществляется сбалансированный обмен теплом.

На Земле происходит постоянный и хорошо известный круговорот воды, включающий в себя океаническое и материковое звенья, которые связаны друг с другом, т. к. водяной пар переносится с океана на сушу и наоборот, а также поверхностным и подземным стоком с суши в океан. Водяной пар, переносимый с океана на сушу, составляет 47 км3, в то время как с поверхности Мирового океана ежегодно испаряется 505 тыс. км3 воды, а возвращается атмосферными осадками 458 тыс. км3. На поверхность суши ежегодно выпадает 119 тыс. км3 осадков. Поверхностный сток суши составляет 44,7 тыс. км3/год, а подземный — 2,2 тыс. км3/год, из них водный сток рек — 41,7 тыс. км3/год, а ледниковый сток — 3 тыс. км3/год. Естественно, что ледниковый сток Антарктиды больше всего. Атмосферные осадки в каждом конкретном районе суши складываются из влаги, испарившейся в этом районе, и влаги, привнесенной извне.

Глава 5

ВЫВЕТРИВАНИЕ

Большинство геологических процессов на поверхности Земли обусловлены действием солнечной энергии и силы тяжести. Такие процессы называются экзогенными. Все горные породы под воздействием целого ряда факторов постепенно разрушаются — выветриваются. Образовавшиеся мелкие обломки — дресва, песок, глина — смываются дождем, водными потоками, т. е. перемещаются. Этот процесс называется денудацией. В дальнейшем весь рыхлый материал где-то накапливается — происходит его аккумуляция. Процесс разрушения первоначально монолитных горных пород — выветривание — является очень важным в ряду выветривания, денудации и аккумуляции. Приходя в контакт с атмосферой, гидросферой и биосферой, горные породы, ранее находившиеся на глубине, подвергаются изменению своего состояния, нарушению сплошности и, наконец, дезинтеграции, разрушению на мелкие частицы.

Какие же процессы приводят к выветриванию горных пород? Прежде всего это физическое, механическое разрушение, а также химическое и биохимическое разложение минералов и горных пород. Воздействие этих факторов усиливается тем, что как в магматических, так и в осадочных породах всегда присутствуют первичные трещины или трещины отдельности, возникшие при сокращении объема породы, после ее остывания или образования. Следовательно, увеличивается площадь соприкосновения породы с воздухом и водой, в трещины легко проникают корни растений (рис. 5.1). Механическое разрушение породы связано как с особенностями состава и строения самой породы, так и с внешними воздействиями. Первичные трещины в породах по мере эрозии залегающих выше толщ высвобождают усилия давления и расширяются, разрушая материнские породы (рис. 7–9 на цветной вклейке).

Однако наиболее существенным физическим фактором, вызывающим дезинтеграцию пород, являются температурные колебания, как суточные, так и сезонные. Темная поверхность горной породы летом может нагреваться до +60 °С, а в пустынях и выше. В то же время внутренняя часть породы гораздо холоднее. Ночью температура падает, а днем снова возрастает. Так происходит температурное «раскачивание» не только разных частей породы, но и ее минеральных составляю-

Рис. 5.1. Увеличение поверхности выветривания породы по мере ее растрескивания

щих, особенно в полиминеральных породах, таких как граниты, гнейсы, лавы с крупными кристалликами-вкрапленниками. Разные минералы обладают различными коэффициентами объемного расширения, причем даже в одном минерале этот коэффициент меняется в зависимости от направления. Расширяясь и сжимаясь в разной степени, минералы провоцируют микронапряжения в горной породе, которые расшатывают ее «скелет», и она рассыпается на мелкие обломки — дресву.

Когда поверхность горных пород в каком-либо обнажении нагревается сильнее внутренних частей и, соответственно расширяется больше, то наблюдается отслаивание, шелушение породы параллельно поверхности обнажения. Такой процесс называется десквамацией.

5.1. МЕХАНИЧЕСКОЕ, ХИМИЧЕСКОЕ И БИОЛОГИЧЕСКОЕ ВЫВЕТРИВАНИЕ

Морозное, или механическое, выветривание связано с увеличением объема воды, попавшей в трещины, при замерзании. Вода, замерзая, превращается в лед, объем которого на 10 % больше, и при этом создается давление на стенки, например, трещины, до 200 МПа, что значительно больше прочности большинства горных пород (рис. 5.2). Такое же расклинивающее действие на породы оказывают кристаллы соли при их росте из раствора. Механическое расклинивающее воздействие на горные породы оказывают корни деревьев и кустарников, которые, увеличиваясь в объеме, создают большое добавочное напряжение на стенки трещины. Хорошо известно, как раньше раскалывали гранитные блоки. В них забивали дубовые клинья, поливали их водой, и разбухший клин разрывал породу на блоки. Даже мелкие грызуны, а также черви, муравьи и термиты оказывают механическое воздействие на горную породу, роя ходы до 1,5 м глубиной. Земляные черви способны переработать до 5 т почвы на 1 га за 1 год. При этом поверхностные слои почвы обогащаются гумусом. Улитки высверливают глубокие ходы в карбонатных породах, а муравьи роют неглубокие, но многочисленные ходы, разрыхляя почву и способствуя проникновению в нее возду-

Рис. 5.4. Матрацевидная форма выветривания в палеозойских гранитах. Центральный Казахстан

Очевидно, что температурное выветривание шире всего проявляется в условиях жаркого климата, особенно в пустынях, где перепады дневных и ночных температур достигают 50 °С. Морозное выветривание свойственно полярным и субполярным областям, а также высокогорьям, для которых характерны развалы обломков горных пород.

Химическим выветриванием называется разрушение горных пород под воздействием воды, кислорода, углекислоты и органических кислот, содержащихся в воздухе и воде и воздействующих на поверхность пород, растворяя их (рис. 5.5).

Химические выветривание представлено несколькими основными процессами: растворением, окислением, гидратацией, восстановлением, карбонатизацией, гидролизом.

вода. Сильнее всего окисляются закисные соединения железа, марганца, никеля, серы, ванадия и других элементов, которые легко соединяются с кислородом. Легко окисляется такой распространенный минерал, как пирит:

FeS2 + nO2 + mH2O → FeSO4 → Fe2 (SO4) → Fe2O3 nH2O.

Таким образом, на «выходе» после окисления получается такой распространенный минерал, как лимонит, или бурый железняк. На многих месторождениях сульфидных руд встречается «шляпа», или «покрышка», из бурого железняка — результат одновременных окисления и гидратации. Для нижних частей почвы характерны отрзанды, корки лимонита, цементирующего песка.

Следы окисления в виде пород, окрашенных в бурый, охристый цвет, наблюдаются везде, где в породах содержатся железистые минералы или их включения. Во влажном и жарком климате при испарении воды образуются бедные водой минералы группы гематита Fe2O3, обладающие красной окраской. Вот почему в тропических областях коры выветривания превращаются в твердую красную породу — латерит.

Восстановление происходит в отсутствие химически связанного кислорода, когда сильным восстановителем является органическое вещество, сформировавшееся в результате отмирания болотной растительности. При этом необходимы анаэробные условия в неподвижной, застойной воде, например в болотах. Восстановительные процессы превращают породы с оксидом железа, окрашенные в бурые, желтые и красноватые цвета, в серые и зеленые. Под торфом иногда возникает серо-зеленая глинистая масса, называемая глеем.

Гидролиз — это довольно сложный процесс, особенно затрагивающий минералы из группы силикатов и алюмосиликатов. Происходит он при взаимодействии ионов Н+ и ОН– с ионами минералов, следовательно, для гидролиза всегда необходима вода. Гидролиз приводит к нарушению первичной кристаллической структуры минерала и возникновению новой структуры уже другого минерала. Наиболее распространенный пример — это гидролиз ортоклаза, одного из полевых шпатов, часто встречающегося в горных породах, особенно в гранитах. Гидролиз в присутствии СО2 приводит к образованию нерастворимого минерала каолинита и выносу бикарбоната калия и кремнезема:

K2Al2Si6O10 + 2H2O + CO2 → H2Al2Si2O18 H2O + K2CO3 + 4SiO2.

Каолиновая глина, покрывая панцирем выветривающуюся породу, препятствует ее дальнейшему разрушению. Будучи довольно устойчивым минералом, каолинит при определенных условиях способен к дальнейшему разложению с образованием еще более устойчивых минералов, например гиббсита — AlO(OH)3, входящего в состав боксита, основной руды для получения алюминия.

Карбонатизация представляет собой реакцию ионов карбоната и бикарбоната с минералами, которая ведет к образованию карбонатов кальция, железа, магния и др. Большая часть известных нам карбонатов хорошо растворяется в воде и выносится из зоны выветривания. Именно поэтому грунтовые воды в таких местах обладают высокой жесткостью.

Гидратация — это процесс присоединения воды к минералам и образования новых минералов. Самый простой пример — переход ангидрита в гипс:

CaSO4 + 2 H2O CaSO4 2H2O

или гематита в гидроокислы железа:

Fe2O3 + nH2O Fe2O3 nH2O.

Объем породы при гидратации увеличивается, что может привести к деформациям отложений.

Биологическое выветривание. Живое вещество, с точки зрения В. И. Вернадского, создает химические соединения, которые могут производить большую геологическую работу.

Горные породы на своих поверхностях содержат огромное количество микроорганизмов. На 1 г выветрелой породы может приходиться до 1 млн бактерий. Как только порода начинает выветриваться, на ней сразу же поселяются бактерии и сине-зеленые водоросли, затем лишайники и мхи, которые растворяют и разрушают поверхностный слой породы, и после их отмирания на ней образуются углубления, ямки, борозды, заполненные сухой биомассой отмерших организмов. Изучение под микроскопом поверхности камней, слагающих древние храмы, дворцы, церкви, жилые здания и т. п., показывает, что на них находится множество разнообразных организмов — бактерии (цианобактерии, актиномицесты), водоросли, грибы, протисты, членистоногие, лишайники и др. Наиболее распространены грибные гифы (ветвящиеся тяжи) и микроколонии из округлых клеток. Грибы, как правило, интенсивно окрашены различными пигментами — меланином, каротиноидами, микроспоринами, которые вызывают потемнение трещин и придают поверхности мрамора, например, красновато-бурый, бурый — почти черный — цвет. Еле заметные трещинки на поверхности камней обладают