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

другими экологическими обстановками, нежели обстановки на гладкой поверхности породы. Там больше влаги и меньше света. Поэтому в субаэральных пленках на поверхности камней преобладают микроскопические грибы, гифы которых активно растут, удлиняются и в конце концов покрывают всю поверхность камня.

Таким образом, на поверхности горных пород формируются сообщества микроорганизмов, играющие важную роль в процессах выветривания.

Биота, поселившаяся на поверхности горных пород, извлекает из нее необходимые для жизни химические элементы — Р, S, K, Ca, Mg, Na, B, Sr, Fe, Si, Al и др., что подтверждается их большим содержанием в золе растений, выросших на горных породах. Даже Si извлекается из кристаллических решеток алюмосиликатов. Следовательно, организмы участвуют в разложении минералов. Однако они и возвращают новые химические элементы в геологическую среду. Тем самым происходит круговорот веществ, обусловленный активностью биоты.

Следует отметить, что в процессах химического выветривания организмы участвуют и косвенным путем, выделяя, например, кислород при фотосинтезе, образуя СО2 при отмирании растений, провоцируя образование весьма агрессивных органических кислот, которые резко усиливают растворение и гидролиз минералов. Такое воздействие наиболее интенсивно происходит во влажном тропическом климате, в густых болотистых лесах, в которых опад (отмершие растения, листья и др.) составляет почти 260 ц/га. Вода в подобных джунглях обладает кислой реакцией и активно растворяет горные породы, нарушая связи в кристаллической решетке минералов.

5.2. ПРОЦЕССЫ ГИПЕРГЕНЕЗА И КОРЫ ВЫВЕТРИВАНИЯ

Под зоной гипергенеза понимается поверхностная часть земной коры, непрерывно подвергаемая воздействию различных экзогенных факторов и в которой горные породы стремятся войти в равновесие с непрерывно изменяющейся окружающей геологической средой. Термин «гипергенез», введенный А. Е. Ферсманом, знаменитым российским минералогом, по существу является синонимом термину «выветривание». Гипергенные процессы проникают далеко вглубь поверхностной части земной коры и видоизменяют ее в сильно расчлененном горном рельефе на сотни метров и даже несколько километров.

Типы гипергенеза, установленные Б. М. Михайловым, включают в себя следующие обстановки. Поверхностный (континентальный) гипергенез происходит на поверхности суши и проникает вглубь с помощью нисходящей воды. К наиболее важным образованиям поверхностного гипергенеза относятся следующие:

1.Элювий, или кора выветривания, представляет собой геологическое тело, развитое на определенной площади или вдоль какой-либо зоны в горных породах, сложенное продуктами переработки поверхностных горных пород процессами физического, химического и биохимического выветривания. Элювий не перемещается, он остается на месте разрушенных пород. Естественно, что процессы формирования элювия развиваются на слабо расчлененном, выровненном рельефе, достигшем стадии зрелости. Именно в таких условиях и формируются коры выветривания, представляя собой остаточные продукты разрушения пород. Кора выветривания, как и ее мощность, зависит от ряда факторов. Наиболее благоприятные условия создаются при высокой температуре, высокой влажности и выровненном рельефе. В таких условиях жаркого гумидного климата образуются латеритные красные коры выветривания, состоящие из минералов гидрооксидов и оксидов алюминия, железа и титана с примесью каолинита (рис. 5.6). В связи с тем что верхняя часть коры выветривания обладает наибольшей степенью разложения первичного материала, в ней присутствуют глинозем (Al2O3)

игидроокислы железа, которые придают элювию в сухом состоянии высокую прочность, напоминая красный кирпич. Эта твердая самая верхняя часть латеритной коры выветривания называется панцирем, или кирасой. Нижняя часть латеритной коры выветривания имеет неровную границу с глубокими карманами над более раздробленными участками пород, где залегает дресва — мелкие обломки этих же коренных горных пород.

В областях с гумидным климатом распространен глинистый элювий — слой или толща глин, в которых сохраняется реликтовая структура коренных пород.

Над рудными залежами сульфидных руд иногда образуются рудные «шляпы», специфические коры выветривания, прочные корки из разложившихся сульфидных минералов.

2.Иллювий, или инфильтрационная кора выветривания, — еще один из типов гипергенеза, в котором вещество, замещающее коренные породы, привнесено извне. Иллювиальные коры выветривания имеют различный состав и мощность в зависимости от химического состава инфильтрующего раствора, физико-химических и климатических обстановок. Встречаются сульфатные, карбонатные, кремнистые и соляные (солончаки и солонцы) иллювиальные коры выветривания.

Выделяется также подводный гипергенез, или гальмиролиз. Этот процесс связан с воздействием морской воды на отложения океанского или морского дна. Магматические породы в этом случае разлагаются с образованием глин, а вулканические пеплы превращаются в особую глинистую массу.

Рис. 5.6. Кора выветривания в тропической лесной зоне (по Н. М. Страхову). 1 — граниты, 2 — слабо измененная химически зона дресвы, 3 — гидрослюдисто- монморилонитово-бейделитовая зона, 4 — коалинитовая зона, 5 — охры Al2O3, 6 — панцирь Fe2O3+ Al2O3

Современные коры выветривания обладают небольшой мощностью и они, как правило, еще не сформировались, т. к. времени было недостаточно. В далекие геологические времена, когда большие пространства континентов обладали слабо расчлененным, выровненным рельефом, в условиях благоприятного климата формировались мощные, до 100 м и более, коры выветривания, обладающие характерным вертикальным профилем. В их основании располагалась дресва коренных пород, сменяемая выше зоной с гидрослюдами, и в верхней части разреза находилась толща каолиновых глин. Подобный стиль разреза древней мезозойской коры выветривания характерен для гранитных пород Урала, а для других коренных пород зональная последовательность в коре выветривания может быть иной. С древними корами выветривания связаны разнообразные полезные ископаемые, такие как бокситы — основное сырье для получения алюминия; гидроокислы и окислы железа, марганца; гидросиликаты никеля, развитые по ультраосновным породам и многие другие.

В настоящее время мы наблюдаем лишь сохранившиеся остатки древних кор выветривания, уцелевших от эрозии в западинах и карманах

рельефа. А раньше они были площадными, занимали большие пространства или, наоборот, имели линейный характер, будучи приуроченными к раздробленным зонам крупных разломов.

Чаще всего перечисленные выше типы выветривания действуют одновременно. Однако под воздействием климата, водного режима, смены суточной и сезонной температур решающим становится какойнибудь один тип, подчиняющийся климатической зональности. Так, во влажной тропической зоне химическое выветривание благодаря высокой температуре протекает интенсивно, с максимумом выщелачивания. Несколько менее энергично такое же выветривание происходит в таежноподзолистой зоне. В пустынях, полупустынях и тундре преобладает физическое выветривание, тогда как химическое сходит на нет.

Выветривание происходит всегда и везде. Даже на пирамиде Хеопса в Гизе, в предместье Каира, за последние 1000 лет потеря материала поверхности известняковых блоков составила 0,2 мм за 1 тыс. лет, а гранитных облицовочных плит — 0,002 мм/год. Современное загрязнение воздушной среды способствует быстрому выветриванию древних каменных скульптур, храмов и памятников.

5.3. ОБРАЗОВАНИЕ ПОЧВ И ИХ СВОЙСТВА

Практически вся поверхность суши покрыта тонким слоем почвы, энергетически и геохимически весьма активным, в котором проявляется взаимодействие между живыми организмами, атмосферой, гидросферой и горными породами.

Более 100 лет назад великий русский ученый В. В. Докучаев показал, что почва представляет собой самостоятельное, очень тонкое природное тело, созданное из почвообразующих пород, растительности, животного мира, климата и рельефа. Коренные горные породы, на которых формируется почва, играют решающую роль в химическом и минеральном составе почвы, а живые организмы обусловливают формирование органического вещества в почве — гумуса. Академик В. И. Вернадский когда-то назвал почву биокосным телом, подразумевая под этим взаимодействие как живых организмов, так и коренных (косных) горных пород.

Почвы относятся к наиболее сложным природным телам, и в настоящее время на мировой почвенной карте их выделено 133 типа, разделяемые еще более дробно. Почвы различных типов характеризуются набором горизонтальных слоев, называемых генетическими горизонтами:

А — гумусово-аккумулятивный поверхностный горизонт, в котором скапливаются органические вещества и элементы питания для растительности;

Е — элювиальный, или горизонт вымывания. Назван так потому, что нисходящий поток воды вымывает из него Fe, Mn, Ca, Mg;

В — иллювиальный, или горизонт вмывания, т. к. в нем накапливаются вещества, вымытые из горизонта Е;

ВСа — горизонт скопления карбонатов кальция;

G — глеевый горизонт с восстановительной обстановкой, в которой Fe3+ восстанавливается до Fe2+;

C и D — почвообразующие и подстилающие горные породы. Эти генетические горизонты в разных почвах различаются между

собой, и их сочетания отличаются большим разнообразием, но, что важно, наличие одного горизонта обусловлено существованием другого, например иллювиальный горизонт В, в котором накапливаются вещества, не может существовать без горизонта Е, из которого эти вещества вымываются (см. также рис. 5.7).

Рис. 5.7. Нормальный почвенный профиль. Горизонты:

А0 — неразложившиеся или слабо разложившиеся органические остатки, А1 — гумусовый, А2 — элювиальный, или почвенного выветривания, В — иллювиальный, или горизонт вмывания, С — коренные породы

Во всех типах почв: в черноземах, подзолистых, тундровых, каштановых, тропических и субтропических, торфянистых, солончаковых, пойменных и др. — содержатся все известные химические элементы. Первое место занимает кислород, затем кремний, алюминий и железо.

Все остальные элементы в сумме не превышают 5–6 %, однако в торфянистых почвах много углерода. В каждом типе почв много органических веществ, но не тех, которые содержатся в растительных и живых организмах, а вновь образовавшихся. Это прежде всего гуминовые кислоты и фульвокислоты, являющиеся характернейшей особенностью почв. Гуминовые кислоты — темные органические соединения с 50–60 % углерода и еще многих веществ. Темная окраска обусловлена длинной цепью сопряженных двойных связей – С = С – С = С –. Именно они придают черноземным почвам черный цвет. Гуминовые кислоты растворимы только в водных растворах щелочей, а фульвокислоты — и в воде.

Второй важнейшей составляющей любых почв является фракция, частицы которой размером 0,002–0,001 мм состоят преимущественно из глинистых минералов, например каолинита и монтмориллонита. Присутствуют также частицы кварца, полевых шпатов, слюд, а в засоленных почвах — минералы соли NaCl, KCl, MgCl2, CaCl2, которые в период дождей растворяются, а в сухое время кристаллизуются.

Хорошие черноземные почвы важны для существования человека. Деградация почв — это катастрофа для всего живого. Она происходит из-за эрозионных и дефляционных процессов, засолений, техногенных воздействий. Почвенный гумус аккумулирует в себе колоссальные запасы углерода и биогенных элементов, а следовательно, он является и аккумулятором солнечной энергии. Почвенный покров Земли обеспечивает существование биоценозов и является необходимым условием существования жизни на Земле. В почве непрерывно протекают сложные обменные процессы, в результате которых свойства почв меняются и может происходить саморазвитие почв. Почвенный покров создается тысячелетиями, но неразумная техногенная и сельскохозяйственная деятельность может разрушить его в считаные годы, несмотря на то что почвы, даже черноземы, способны к самовосстановлению — гомеостазу. Основные геосферные функции почвы обусловлены ее положением на стыке живой и неживой природы. Почва — это основное средство сельскохозяйственного производства, относящееся к невозобновляемым природным ресурсам.

Следует отметить, что во многих разрезах четвертичных отложений наблюдаются горизонты погребенных почв, т. е. таких, которые уже не входят в сферу биологического круговорота, они не могут продуцировать гумус и являются мертвыми почвами.

Глава 6

ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ ПОВЕРХНОСТНЫХ ТЕКУЧИХ ВОД

Водные потоки производят огромную геологическую работу на поверхности суши. Реки, ручьи, ручейки переносят основную массу продуктов выветривания в озера, моря и океаны. Ежегодный твердый сток (вынос) всех рек в мире оценивается цифрой около 17 млрд т, что намного больше, чем переносится всеми другими геологическими агентами, например ветром и ледниками. Реки, как известно, бывают крупными — Волга, Днепр, Лена, Обь, Енисей, Миссисипи, Нил, Хуанхэ, Ганг и др. с мощным постоянным водотоком, а бывают и мелкими, небольшой длины. Иногда водотоки носят временный, но бурный характер, особенно в горных районах после ливней или во время таяния снегов. Вода, выпадая в виде атмосферных осадков, просачивается в верхние слои земной коры, образуя грунтовые воды, которые и дают начало рекам.

Затем из них, озер и морей вода испаряется, снова выпадая на поверхность суши. Так осуществляется круговорот воды.

В цифрах круговорот воды в гидрологическом цикле выглядит следующим образом. С поверхности океана ежегодно испаряется 455 км3 воды, с поверхности суши — 62 км3. На поверхность океана выпадает 409 км3 осадков, суши — 108 км3. Реками выносится в моря и океаны 46 км3. Воды океанов составляют 97,5 % всего объема на поверхности Земли, ледники — 1,8 %, подземные воды — 0,63 %, а реки и озера — 0,02 % (рис. 6.1).

Дождевая эрозия. Любой дождь производит большую работу. Так, средний по мощности ливень с диаметром капли 0,27 см и конечной скоростью капли при падении на землю 7 м/с способен произвести работу, эквивалентную подъему слоя почвы 10 см на высоту 2 м. Падающие капли, выбивая тонкий пылеватый материал, оставляют на поверхности маленькие столбики почвы, прикрытые сверху более крупными камушками или частицами почвы, а вода стекает по уклону безрусловыми тонкими струйками, которые несут с собой мелкий обломочный материал и образуют делли — плоскодонные неглубокие ложбины. Более глубокие промоины — борозды и рытвины — дают

Делювиальные шлейфы суглинков и супесей обычно широко развиты в равнинных, слабохолмистых областях, а также в горных районах. Так как делювиальные отложения формируются плоскостным смывом, в их структуре наблюдаются следы водной сортировки, обогащение отдельных слоев мелкими обломками, дресвой, причем вниз по склону размер обломков уменьшается. Слоистость в делювиальных отложениях всегда параллельна коренному склону, и в разрезах делювия нередко наблюдаются горизонты погребенных почв, свидетельствующих о периодах более влажного климата, когда делювиальные шлейфы покрывались растительностью. Мощность делювиальных отложений обычно составляет несколько метров и порой достигает 15–20 м.

6.1. ВРЕМЕННЫЕ ВОДНЫЕ ПОТОКИ

Временные водные потоки возникают при выпадении атмосферных осадков или таянии снегов. В остальное время сток в равнинных условиях приводит к формированию оврагов, т. к. отдельные безрусловые потоки, сливаясь в более крупный ручей, способны размывать склоны, эродировать их, образуя уже более глубокие борозды — зарождающиеся овраги. Учение о формировании и развитии оврагов хорошо разработано русскими учеными А. П. Павловым и В. В. Докучаевым.

Образование оврага начинается с неглубокой борозды или рытвины на склоне. В дальнейшем борозда наряду с углублением наращивает свою долину как вверх, так и вниз по склону. Продольный профиль зарождающегося оврага в это время неровный, а его устье еще не достигает подножья склона — базиса эрозии и как бы висит на склоне, поэтому и называется висячим. Вершина оврага в это же время продвигается вверх по склону, овраг как бы пятится. Такой вид эрозии носит название регрессивной, или пятящейся, эрозии (рис. 6.3). Постепенно овраг своим истоком приближается к водоразделу, а устьем — к базису эрозии. Интенсивная эрозия углубляет дно, или тальвег, оврага, по которому переносится мелкоземистый материал. Достигнув наконец своего базиса эрозии, овраг вступает в зрелую стадию развития, его продольный профиль приобретает вогнутую форму, а поперечный — V-образную с крутыми осыпающимися склонами, которые стремятся достигнуть угла естественного устойчивого откоса. Постепенно профиль оврага становится очень пологим в своей нижней части и крутым в верхней. Вода, периодически текущая по дну оврага, переносит мелкий, плохо окатанный и сортированный материал, формируя его скопления около устья, т. н. конус овражного выноса. В южных регионах России и Украины развивается обширная

Рис. 6.3. Пятящаяся эрозия оврага. Стрелкой указано направление роста оврага. Стадии роста отмечены цифрами. 5 — базис эрозии оврага

сеть оврагов с расширенным плоским дном и пологими склонами. Такие овраги называются балками.

Овраги, если с ними не бороться, растут быстро: — на 1–1,5 м/год, например, в районе Нижнего Дона; на 3–5 м/год — в Северном Предкавказье. Особенно их рост ускоряется там, где на поверхности залегают рыхлые породы, которые быстро размываются. Регрессивная эрозия может за считаные годы вывести из сельскохозяйственного оборота большие площади пахотных земель, т. к. от главного ствола оврага начинают отходить более мелкие ответвления, а от них — еще более мелкие и скоро все пространство покрывается дренажной сетью промоин, рытвин, отвержков (ответвлений) и оврагов.

Чтобы замедлить или прекратить рост оврагов, следует перегораживать их долины, начиная от верховий, поперечными препятствиями, которые замедляли бы сток воды. Еще лучше ликвидировать в зародыше рытвины и промоины. Многие районы мира с легко размываемыми породами, например лессами и лессовидными суглинками, покрыты сплошной сетью оврагов. Такие участки называются бедленды (англ. bad — плохой, land — земля, поверхность) (рис. 6.4).

Временные горные потоки. Во многих горных районах под влиянием бурного летнего таяния снегов и ледников, а также в результате кратких, но сильных грозовых ливней возникают мощные временные водотоки, нередко содержащие в себе очень много обломочного материала (до 100–150 кг/м3) и обладающие поэтому большой плотностью, оказывающие разрушительное воздействие на любые препятствия, склоны и русла долин временного стока. Такие высокоплотностные потоки называются селями. Когда количество обломочного материала достигает в потоке 80 %, это уже не водный, а грязекаменный поток. В таком потоке плывут и не тонут каменные глыбы диаметром до 2 м и более (рис. 6.5).