книги из ГПНТБ / Борголов И.Б. Геология с основами минералогии и петрографии учеб. пособие для студентов с.-х. вузов, обучающихся по специальности агрономия, агрохимия и почвоведение

Например, в горной породе, состоящей из зерен различной

цвета и состава характеризуются различными объемными ко­

ный коэффициент расширения в кристаллах в различных на­ правлениях также неодинаков, поэтому после длительного воздействия колебаний температуры даже в мономинераль­ ной породе взаимное сцепление минеральных зерен наруша­ ется и она распадается на отдельные остроугольные облом­

ширение и сжатие ее объема проявляются в большей мере на поверхности породы с последующим ее шелушением.

Считают, что наибольшее влияние на горные породы ока­ зывают суточные изменения температуры, резкие колебания которой имеют место в районах с континентальным клима­

дается до 0°С, иногда и ниже, и поэтому здесь факторы фи­ зического выветривания играют весьма существенную роль. Также наиболее активно процессы физического выветрива­ ния проявляются в высокогорных областях с резкими коле­ баниями температуры в течение суток. Так, например, на­ блюдения за активностью физического выветривания в пре­ делах северного склона Центрального Кавказа позволили установить, что за 25 месяцев с площади 1600 м2 поступило 360 м3 обломочного материала.

Разрушению горных пород под действием смены тепла и холода не в меньшей мере способствует вода. Во время лив­ невых дождей в пустынях происходит быстрое охлаждение сильно нагретых горных пород с последующим их растрески­ ванием. Еще более значительным является действие замер­ зающей воды в трещинах и мелких пустотах горных пород. Замерзая, она оказывает на стенки трещин и пустот давле­ ние до 2000 кг/см2. Такой вид выветривания иногда еще на­ зывают морозным выветриванием, особенно интенсивно про­ являющимся в горных, субполярных и полярных областях с частыми колебаниями температур около точки замерзания воды. Как видно, процессы физического выветривания значительно быстрее протекают в трещиноватых породах. Трещины могут быть как первичными, связанными с перпо-

180

начальным образованием горных пород, так н вторичными, возникающими в результате тектонических движений в зем­

ной коре.

Большую механическую работу по разрушению горных пород производят различные роющие животные, в частно­ сти грызуны, а также корневая система кустарников и де­ ревьев. Кроме того, существенное механическое влияние ока­ зывают электрические явления, происходящие в атмосфере. Так, например, под ударами молний горные породы не толь­ ко раскалываются, но иногда даже сплавляются. И наконец, человек, извлекая из недр Земли различные полезные иско­ паемые, занимаясь сельским хозяйством, создавая' различ­ ные сооружения, каналы, водохранилища и перемещая по­ верхностные отложения, измельчает и разрушает огромную

массу горных пород.

Химическое выветривание. Химическое выветривание представляет собой разрушение горных пород, которое со­ провождается изменением их химического состава. В резуль­ тате этого образуются новые минеральные соединения, ус­ тойчивые в условиях поверхности Земли. Процессы такого рода выветривания в той или иной мере проявляются всюду, но наиболее интенсивно они развиваются в условиях теплого и влажного климата; в умеренных же широтах интенсив­ ность их на 40—50% слабее, а в пустынях — слабее в десятки и даже сотни раз. В условиях влажного тропического кли­

активными агентами, которые способны разлагать любые горные породы. Известно, что диссоциация воды резко уве* личивается при ее обогащении углекислотой. Поэтому в поч­ вах районов влажного и теплого климата, обычно "богатых углекислотой и органическими кислотами, наиболее интенсив­ но проявляются процессы химического выветривания.

Даже незначительно диссоциированная и слабоминерали­ зованная вода может привести к полному растворению неко­ торых горных пород, например, галоидов. Весьма интенсивно растворяются в воде, насыщенной углекислотой, горные по­

181

и более сложные процессы: гидролиз, окисление, восстанов­ ление и др.

При гидролизе имеет место химическое разложение ми­ нералов и удаление отдельных элементов из их состава. Так, водородные ионы могут замещать катионы оснований, нахо­ дящиеся на поверхности кристаллов, занимая их место в ре­ шетке. Это явление можно рассмотреть на примере каолини­ зации алюмосиликатов. Каолинизацию полевого шпата, в ча­ стности ортоклаза, при действии на него влаги воздуха и уг­ лекислоты схематически можно представить в следующем

опал

Хорошо растворимый в воде поташ уносится в водном растворе. Выносится в виде коллоидного раствора и водный кремнезем (Si02-nH20 ), переотлагающийся на новом месте в виде опала. На месте разрушения остается лишь нераство­ римый в воде каолинит (2 SiÖ2 -Al20 3 -2 H20 ). Подобные реак­ ции происходят не только с ортоклазом, но и со всеми дру­ гими полевыми шпатами. В условиях жаркого и влажного климата реакция идет дальше. Каолинит при участии С 02 подвергается дальнейшему распаду и дает боксит и опал:

2Si02-А120 з-2Н20 + С 02+ рН20 — А120 3 • т Н20 + Si02 ■пН20

Так, в условиях умеренного климата из полевых шпатов образуется каолинит, а жаркого и влажного — боксит. Еще более интенсивно процесс гидролиза протекает в таких сили­ катах, как оливин, авгит, роговая обманка и в горных поро­ дах, содержащих в значительных количествах указанные ми­ нералы. Установлено, что в условиях теплого и влажного кли­ мата из них выщелачиваются кальций и магний. Железо же из закисной переходит в окисную форму, с образованием ли­ монита. В умеренных широтах при выветривании силикатов чаще всего накапливаются глинистые минералы.

Под действием влаги и свободного кислорода воздуха имеет также место и окисление минералов и горных пород. Особенно интенсивно процессы окисления протекают в ми­

182

нералах и горных породах, содержащих в своем составе за­ писное железо. Так, например, в результате окисления маг­ нетита образуется лимонит. Сульфидные минералы, напри­ мер, пирит, при окислении и последующем гидролизе раз­ лагаются с образованием серной кислоты и лимонита. По­ следний же обычно образует красновато-бурую корку над сульфидными залежами в виде так называемой «железной

шляпы», развивающейся до уровня подземных вод; ниже, за­ легают неокисленные сульфиды.

Восстановление является процессом обратным окислению и заключается в частичной или полной потере веществом содержащегося в нем химически связанного кислорода. При выветривании оно возникает только в том случае, когда по* каким-либо причинам имеет место недостаток свободного кислорода. Так, например, в условиях болотной среды в ре­ зультате недостатка кислорода окисные соединения железа переходят в закисные (FeO), с образованием гидратов заки­ си зеленоватого цвета. Возникает серо-зеленая или сизая глинистая масса, подстилающая торфяники. Это так назы­ ваемый глей, а процесс его образования называется оглеенаем. Кроме того, при выветривании в восстановительной среде может происходить образование некоторых минералов,

бедных или лишенных кислорода, например, пирита или мар­ казита и др.

Не менее важную роль в химическом выветривании мине­ ралов и горных пород играют в природе процессы гидрата­ ции, которые можно рассматривать как взаимодействие без­ водных соединений с во^ой. Например, при взаимодействии ангидрита с водой образуется более устойчивый в поверх­ ностной зоне минерал гипс. Гидратация обычно сопровожда­ ется увеличением объема минерала или горной породы на 25% и более и поэтому вызывает деформацию вышележащих пластов горных пород.

Биологическое выветривание. Интенсивность химическо­ го выветривания резко повышается за счет наличия в самых верхних горизонтах земной коры, а также на его поверхности живых организмов. Как известно, растения, различные ли­ шайники, черви и другие землерои являются весьма энергич­ ными агентами выветривания. Растения не только способ­ ствуют разрыхлению горных пород, но и, произрастая на них, усваивают многие элементы питания. В дальнейшем под воз-' действием различных органических кислот начинается про­ цесс их химического разложения. Нередко разрушительную работу в горных породах начинают самые низкоорганизо­

183

ванные представители органического мира — бактерии. Они обычно подготавливают основу для появления микрофлоры (грибков), а также для лишайников и мхов.

Большую работу совершают различные землерои, в част* ности, дождевые черви, муравьи и термиты. Заглатывая не­ которое количество рыхлых горных пород, пропуская через кишечник и извлекая из них пищу, они не только разрыхля­ ют, но в значительной степени изменяют их химический со­ став. Так, известно, что дождевые черви имеют громадное значение как структурообразователи поверхностных отложе­ ний. Ежегодно они могут перерабатывать до 15 т земли на площади в один гектар.

В процессе выветривания возникают две основные груп­ пы продуктов: 1) подвижные, т. е. растворимые соединения: сода, сернокислые соли, щелочи и многие другие, которые выносятся атмосферными водами в более глубокие горизон­ ты или за пределы материнской породы и 2) остаточные про­ дукты выветривания, остающиеся на месте разрушения гор­ ной породы, так как они являются устойчивыми для данных условий поверхностной зоны земной коры.

Продукты физического выветривания горных пород, ос­ тающиеся на месте их образования, называются элювием. Элювиальные отложения отличаются рыхлостью, отсутствием слоистости и сортировки материала и характеризуются посте­ пенным переходом к нижележащим материнским породам. В минералогическом составе элювия преобладают наиболее ус­ тойчивые в зоне выветривания минералы, такие, как кварц, мусковит, ортоклаз, альбит и другие. По составу и характе­ ру элювия можно судить о составе материнских горных по­ род. Например, при разрушении крупнозернистых горных по­

цевые, полевошпатовые, слюдистые и др. При разрушении различных гнейсов и сланцев, а также осадочных пород слоистого строения образовавшиеся при этом обломки при­ обретают форму чешуек и листов и т. д.

Верхняя часть элювия весьма благоприятна для поселе­ ния в ней различных бактерий, растительных и животных ор­ ганизмов, которые производят дальнейшую его переработку. Почвообразовательные процессы преобразуют верхнюю часть элювия и под влиянием жизнедеятельности организмов об­ разуются почвы.

Внешняя часть земной коры, сложенная продуктами вы­ ветривания, известна под названием коры выветривания. За

184

тия процессов выветривания наиболее благоприятны; здесь горные породы периодически смачиваются атмосферными осадками, а в их порах и пустотах циркулирует воздух.

Следует подчеркнуть, что образующиеся в процессе вы­ ветривания растворимые соединения вместе с нерастворимы­ ми частицами обычно вымываются поверхностными и грун­ товыми водами в моря и океаны, где частично или полно­ стью осаждаются. Через продолжительный промежуток времени эти морские отложения в результате тех или иных геологических процессов могут стать сушей и вновь подверг­ нуться действию факторов выветривания. Такой круговорот веществ, совершающийся между сушей и океаном, принято называть большим геологическим круговоротом. По своей направленности он ведет к обеднению пород коры выветрива­ ния элементами зольного питания растений (Р, S, Ca, Mg, К и др.).

Формирование коры выветривания происходило также и в отдаленные геологические эпохи. Местами она сохранилась до настоящего времени, и в отличие от современной, назы­ вается ископаемой корой выветривания. В СССР ископаемая кора выветривания установлена в протерозое, палеозое, а также в мезозое. С корой выветривания .связаны многие по­ лезные ископаемые: каолиниты, бокситы, никелевые и же­ лезные руды, россыпные месторождения золота, платины, алмазов и др. Мощность ископаемой и современной коры выветривания различна и колеблется от долей метров до 100 м и более. Она зависит от климатических условии, рель­ ефа местности, состава горных пород и интенсивности их разрушения. Наибольшую мощность кора выветривания име­

В зависимости от климатических условий, подвижности эле­ ментов и некоторых других факторов в проявлении процес­ сов выветривания наблюдается определенная стадийность, на которую впервые обратил внимание академик Б. Б. Полынов. Так, он установил четыре стадии выветривания:

горных пород выносится хлор и сера, а также расщепляются силикаты и алюмосиликаты. При этом имеет место вынос Na, К, Ca, Mg, что обусловливает щелочную реакцию среды.

185

Кальций вступает в реакцию с углекислым газом, и поэтому элювий обогащается известью, чем и обусловлено название этой стадии. Из вторичных минералов для нее характерно образование гидрослюд и других промежуточных минералов (мусковита, серицита, монтмориллонита).

3.Кислая сиаллитная стадия характеризуется почти пол­ ным выносом всех оснований, и поэтому среда становится кислой. Из промежуточных глинистых минералов в эту ста­ дию образуются минералы группы каолинита, галлуазит; об­ разовавшийся СаС03 выносится водой за пределы зоны. В случае отсутствия промывного водного режима в почвах обычно присутствуют минералы монтмориллонитовой и гид­ рослюдистых групп, содержащие много кремнезема.

4.Конечная аллитная стадия (латеритная форма) имеет место только в условиях жаркого тропического климата. Все силикаты и алюмосиликаты разрушаются и из них образуют­

ся простейшие, наиболее устойчивые в поверхностных усло­ виях соединения. Это водные окислы Al, Fe, ЭіСД, являющие­ ся соответственно составными частями бокситов, бурого же­ лезняка, опала.

В тундре процессы выветривания оканчиваются обломоч­

процессы подчиняются географо-климатической зональности, впервые установленной профессором В. В. Докучаевым. Раз­ личают три основные пояса: арктический, умеренный и тро­ пический. Особенно четко явления географо-климатической зональности выражены на территории европейской части

СССР, где с северо-запада на юго-восток последовательно сменяется ряд географических зон: тундровая, лесная, лесо­ степная, степная и пустынная. Соответственно этим зонам можно выделить различные типы ландшафтов: ледниковый, тундровый, степной, пустынный и др. При этом под ландшаф­ том следует понимать природный географический комплекс, включающий следующие элементы: климат, почву, фауну и флору, а также хозяйственную деятельность человека. Все эти элементы соединяются в одно целое и, взаимодействуя между собой, обусловливают определенные признаки и осо­ бенности ландшафта. Известно, что растения различных ландшафтов характеризуются своеобразным составом. В пус­ тынях они богаты натрием, хлором и серой. В степных райо­ нах растения и организмы животных богаты кальцием, но бедны алюминием, железом, марганцем; в условиях болот растения часто содержат много железа и марганца. Во

186

влажных тропиках растительность бедна натрием, кальцием, хлором, серой, но обогащена алюминием и кремнеземом. Например, в Индии в стволах бамбука «табашир» образуют­ ся желваки опала.

Многие растения, как своеобразные насосы, перекачивают химические элементы из нижних горизонтов почвы в верхние. Так, растения солончаков ежегодно вовлекают в биохимиче­ ский круговорот до 200—500 кг солей на один гектар, под­ держивая таким образом засоленность почвы.

Почвообразование. Оно представляет собой сложный процесс преобразования горной породы в почву под влия­ нием органических веществ, образующихся при участии мик­ роорганизмов из отмирающих наземных растений.

Заселение поверхности рыхлой горной породы растениями осуществляется постепенно, при этом наблюдается последо­ вательная смена одних растений другими (низших высши­ ми). Такая смена объясняется тем, что рыхлая порода пер­ воначально обладает весьма незначительной способностью обеспечивать растения питательными веществами и водой. Поэтому вначале на се поверхности поселяются лишь низшие растения (автотрофные бактерии, микроскопические водо­ росли и др.). Последние извлекают из горной породы труд­ нодоступные питательные вещества и связывают азот. Отми­ рая, эти растения обогащают верхние слои породы питатель­ ными веществами, более доступными живым организмам. В результате на этих породах могут поселиться более сложные организмы, которые будут использовать питательные веще­ ства в доступной форме, оставшиеся после отмирания низ­ ших растений. В свою очередь, эти более сложные растения, отмирая, оставляют после себя большее количество пита­ тельных веществ в доступной форме. Это обусловливает воз­ можность появления еще более сложных организмов, вплоть до высших растений. Одновременно в почве появляются бо­ лее сложные микроорганизмы.

Таким образом, рассеянные в породе зольные элементы, а также азот концентрируются, проходят ряд биохимических превращений и накапливаются в верхнем слое почвы. Так осуществляется круговорот питательных веществ между рас­ тениями и горными породами, превращающимися в почву. Это так называемый биологический круговорот. По своей сущности он противоположен геологическому круговороту, так как растворимые продукты выветривания и минерализа­ ции органических веществ перехватываются растениями в

187

качестве пищи и поэтому частично или полностью концентри­ руются в верхнем слое горной породы.

Следует подчеркнуть, что с биологическим круговоротом веществ связано поступление в верхние слои не только ми­ неральных, но и органических веществ, богатых химической энергией. Последняя представляет собой трансформирован­ ную в процессе фотосинтеза лучистую энергию солнца. Ос­ вобождаясь при разложении органических веществ отмер­ ших растений, химическая энергия переходит в другие ее формы и расходуется на развитие почвообразовательного процесса. В результате этого однообразная вначале мине­ ральная масса горной породы приобретает новый состав, строение, свойства и обособляется в особое природное те­

ло — почву.

Продукты взаимодействия минеральных и органических веществ, передвигаясь в толще рыхлой породы в форме мо­ лекулярных и коллоидных растворов, осаждаются на раз­ личных глубинах. Это приводит к дифференциации однород­ ной материнской породы на ряд неодинаковых по химиче­ скому и механическому составу, а также физическим свой­ ствам слоев. Эти слои получили название почвенных горизонтов.

Максимальное накопление гумусовых веществ происхо­ дит в верхнем горизонте, поэтому он называется гумусовым. Во всех случаях значительной аккумуляции гумѵса верхний горизонт почвы обогащается и приобретает черную, темно­ бурую или серую окраску и рыхлое комковатое строение. С накоплением гумуса в почве увеличивается содержание пи­ тательных элементов, возрастает обменное поглощение ка­ тионов, играющих большую роль в почвообразовании и пр.

При сквозном промывании почвы водой и обеднении поч­ венного раствора основаниями минеральные, органические и органо-минеральные гели становятся неустойчивыми, они диспергируются водой и в виде илистых суспензий выносят­ ся из верхних слоев. В результате горизонт резко обедняется как основаниями, так и полуторными окислами, отчасти и кремнеземом. Это так называемый элювиальный, или гори­ зонт вымывания (горизонт А).

Иа некоторой глубине почвенной толщи происходит ча­ стичное или полное осаждение вмываемых сверху илистых суспензий, коллоидально растворимых соединений, а также солевых продуктов выветривания и почвообразования.

Выпадение солей в осадок происходит в порядке умень­ шения их растворимости: первыми осаждаются наименее

188

растворимые карбонаты кальция и магния, далее следует осаждение сульфата кальция и наконец сульфатов щелочей II хлоридов. Этот горизонт называется иллювиальным, или

горизонтом вмывания (горизонт В).

Ниже иллювиального горизонта располагается внешне слабо затронутая почвообразованием материнская порода (горизонт С). Все указанные почвенные горизонты связаны между собой общностью происхождения, поэтому их назы­ вают генетическими почвенными горизонтами.

На основании степени увлажненности климата, характера

почв с многочисленными разновидностями. Здесь рассмотре­ ны коротко некоторые из них, например, подзолистый, степ­ ной, болотистый, солонцовый и другие типы.

Подзолистый тип почв развит главным образом во влаж­ ных умеренных широтах таежно-лесной зоны. Эти почвы формируются под хвойными и смешанными лесами на раз­ личных породах при промывном водном режиме. В зависи­ мости от природных условий подзолистый процесс может со­ четаться с глеевым или дерновым процессами. Поэтому среди данного типа различают типичные подзолистые, глеево-под­ золистые и дерново-подзолистые почвы. Наиболее полно под­ золистый почвообразовательный процесс выражен в типич­

почвы лесную подстилку. В результате ее разложения в боль­ шом количестве образуются органические кислоты с преоб­ ладанием так называемых фульвокислот.

Поэтому самой существенной особенностью подзолообра­ зовательного процесса является глубокий распад как первич­ ных, так и вторичных минералов под воздействием органиче­

ности они имеют лесную подстилку (Ао) мощностью до 6— 7 см. Под ней залегает слаборазвитый гумусовый горизонт (А|А2) мощностью ке более 5 см. Ниже залегает подзоли­ стый горизонт (А2), нередко перекрываемый лесной подстил­ кой. Белесоватый или почти белый, листоватой структуры или мучнистый, бесструктурный. Горизонт А2 сменяется бурым

189