1.6. Геологические процессы в формировании почвообразующих пород (семинар)

Конспект теории

Общие понятия. На протяжении длительной истории земная кора не оставалась постоянной, а испытывала и испытывает разнообразные изменения. Одни участки ее поднимаются, другие опускаются, третьи перемещаются в горизонтальном направлении. Эти движения происходят неравномерно, с различными скоростями и размахом. Они обусловлены действием различных геологических процессов. Часть из них протекает на глазах человека (землетрясения, вулканизм, горные осыпи, обвалы). Другая часть геологических процессов действует медленно и постоянно в течение длительного промежутка времени. К ним относятся, например, геологическая работа ветра, действие морских волн и течений, колебательные движения земной коры и т.д. Главным фактором этих процессов является энергия. Источники энергии:

• тепло, посылаемое на Землю солнцем;

• тепло, выделяющееся из Земли при распаде радиоактивных изотопов;

• тепло, возникающее при течении ряда химических реакций;

• тепло, появляющееся от вращения Земли вокруг своей оси;

• гравитационная энергия.

Соответственно источникам энергии все геологические процессы делятся на эндогенные и экзогенные.

Эндогенными называются геологические процессы, происходящие за счет внутренней энергии Земли. К ним относятся:

1. магматизм,

2. тектонические движения земной коры,

3. метаморфизм.

Эндогенные процессы коренным образом меняют характер земной коры; они приводят к созданию основных форм рельефа поверхности Земли – горных систем, отдельных возвышенностей, впадин и котловин.

Рельеф, созданный эндогенными силами, в свою очередь, подвергается действию экзогенных сил.

Экзогенные геологические процесс возникают в результате взаимодействия земной коры с атмосферой, гидросферой и биосферой. К ним относятся:

1. выветривание,

2. геологическая деятельность ветра,

3. геологическая работа текучих вод, а также вод морей, озер, болот,

4. геологическая работа льдов и ледников,

5. деятельность человека.

Под влиянием экзогенных процессов возвышенности разрушаются реками и ветрами; у подножия возвышенностей накапливаются остатки пород в виде песка, ила, галечника; впадины заполняются продуктами разрушения (осадками горных пород), берега впадин размываются волнами.

Таким образом, если эндогенные процессы стремятся к расчленению и усложнению рельефа земной поверхности, то экзогенные направлены к тому, чтобы выровнять поверхность Земли. Развитие земной коры и ее поверхности происходит во взаимодействии эндогенных и экзогенных процессов.

Все виды экзогенных геологических процессов объединяют в 3 большие группы:

• процессы выветривания,

• процессы денудации,

• процессы аккумуляции.

Выветриванием называется процесс разрушения и изменения горных пород и минералов под влиянием солнечной радиации, механического и химического воздействия воздуха, воды и организмов. Выветривание совершается in situ.

Под денудацией понимается совокупность процессов сноса продуктов выветривания. Денудация сводится к перемещению раздробленного или химически растворенного материала с возвышенностей в депрессии рельефа – долины, котловины, озерные и морские бассейны. Главными факторами денудации являются сила тяжести, ветер, текучие воды и движущиеся льды и ледники.

Аккумуляция – это процесс накопления принесенных денудацией продуктов выветривания.

Выветривание, продукты выветривания. Физическое выветривание проявляется в раздроблении горных пород на обломки разной величины без изменения химического состава. Наиболее интенсивно протекает в горах и пустынях. Влияют такие факторы, как:

• колебания температуры,

• замерзание воды,

• чередование увлажнения и высушивания,

• минералогический состав пород (темные и светлые, одноцветные и пестрые, крупно- и мелкозернистые),

• механические свойства пород (хрупкие и вязкие, слоистые и однородные).

В результате физического выветривания массивные горные породы распадаются по плоскостям на плитки, расслаиваются, дробятся, измельчаются и превращаются в скопления рыхлых обломочных пород, состоящих из глыб (>100 мм), щебня (100-10 мм), дресвы (10-1 мм), песка (1-0,1 мм), алеврита или пыли (0,1-0,01 мм). Продукты физического выветривания отличаются следующими признаками:

1) остроугольным характером обломков различного размера,

2) хаотичностью и отсутствием сортировки обломочных пород по крупности (рис. 1).

В результате физического выветривания образуются особые формы ландшафта (рис. 2, 3). Если выветривание происходит в горной области, где имеются плоские горизонтальные поверхности, то продукты выветривания накапливаются на них в виде глыб и более мелкого дресвяного материала. В этом случае создаются россыпи беспорядочного нагромождения обломочных пород, получившие название «каменных морей». Типичными областями физического выветривания в пустынях являются «каменистые пустыни» с многочисленными глыбами матрацевидной формы. На склонах невысоких гор образуются «конусы осыпания», представляющие собой скопления различных по размеру обломков от основания до самой вершины склона. Поэтому возвышенность кажется как бы утонувшей в продуктах разрушения слагающих ее пород.

Рис.1. Физическое выветривание

Рис.2. На первой стадии туфовые скалы в процессе выветривания превращаются в подобие песчаных дюн

Рис. 3. Каменные арки и колонны в пустыне Юты

Химическое выветривание выражается в разрушении и измельчении горных пород под влиянием химического воздействия на них газов (О₂ и СО₂) и воды атмосферы. Оно проявляется в виде реакций растворения, гидратации, дегидратации, гидролиза, окисления и восстановления. Это приводит к частичному или полному преобразованию исходных горных пород и возникновению совершенно новых минералов и горных пород. Химическое выветривание протекает наиболее интенсивно в условиях влажного и теплого климата, в умеренных широтах оно на 40-50% слабее, а в пустынях еще слабее.

Растворением называется способность молекул одного вещества распространяться вследствие диффузии в другом веществе. Наиболее распространенным растворителем в природе является вода. Природная вода никогда не бывает химически чистой, а всегда содержит в растворе или в коллоидном состоянии различные вещества. Точно также не существует абсолютно нерастворимых минералов. Степень растворимости химических соединений, входящих в состав горных пород, неодинакова. Первыми в значительных количествах выщелачиваются из пород соединения хлора и серы. Затем соединения кальция, натрия, магния и калия. Еще медленнее – кремний, входящий в состав силикатов, и, наконец, последними выносятся полуторные оксиды алюминия и железа, а также кремний кварца. Иначе говоря, элементы, содержащиеся в минералах и породах, по степени растворимости располагаются в следующий ряд: Cl > S > Ca > Na > Mg > K >…Si (силикатов) >…Fe > Al …Si (кварц).

В соответствие с этим Б.Б. Полыновым установлены 4 стадии выветривания. В первой стадии (обломочной) выветрелые породы представлены продуктами физического выветривания, еще не подвергшимися химическому изменению. Во второй стадии (сиаллитной обызвесткованной или карбонатной) удаляются соединения хлора, серы и порода обогащается карбонатами. В третьей стадии (сиаллитной кислой или стадии глин) происходит отщепление и вынос оснований Ca, Na, Mg, K и образование глин. В четвертой стадии (стадии латеритов) отщепляется и выносится кремний силикатов и накапливаются кварц и полутораоксиды (R₂O₃). Химическое выветривание достигает последней стадии лишь в тропиках и субтропиках, а в умеренном климате доходит только до стадии глин.

Гидратацией называется образование новых водных соединений путем адсорбции (поглощения поверхностью вещества молекул кристаллизационной воды). Наиболее характерным примером является гидратация ангидрита, который, подвергаясь воздействию подземных вод, переходит в гипс:

CaSO₄ + 2H₂O  CaSO₄ ∙ 2H₂O

Во влажном климате образуются богатые водой гидраты оксидов железа:

Fe₂O₃ + n H₂O  Fe₂O₃ ∙ n H₂O

В результате этой реакции на поверхности выветривающихся пород образуются бурые корки лимонита. В нижней части почвы накапливаются ортзанды, представляющие собой осадок бурого железняка, цементирующего пески.

Дегидратация характеризуется выделением воды из водных минералов. Так образуются минералы группы гематита:

Fe₂O₃ ∙ n H₂O  Fe₂O₃

Гидролизом называется обменное разложение веществ под влиянием гидролитической диссоциации воды, сопровождающееся разрушением их кристаллических решеток. Гидролизу широко подвергаются силикаты и алюмосиликаты. Наиболее распространенным видом гидролиза в природе является каолинизация алюмосиликатов. Процесс каолинизации ортоклаза (полевого шпата) при воздействии на него влаги и углекислоты атмосферы протекает по следующей реакции:

K[AlSi₃O₈] + nH₂O + mCO₂  Al₄[Si₄O₁₀](OH₈) + K₂CO₃ + SiO₂∙nH₂O

Хорошо растворимый поташ уносится в виде водного раствора. Водный кремнезем также выносится в составе коллоидного раствора и переотлагается на новом месте в виде опала. На месте разрушения полевошпатовой горной породы, например, гранита, остается каолинит (нерастворимый в воде глинистый минерал).

Окислением называется присоединение к молекуле вещества атомов кислорода, растворимых в воде, или содержащихся в воздухе. Окисление сопровождается переходом закисных соединений в оксидные и часто сопровождается изменением окраски минералов и пород. Примером может служить окисление магнетита в условиях жаркого климата:

4Fe₃O₄ + O₂  6 Fe₂O₃

Часто окисляется пирит по следующей схеме:

FeS₂ + nO₂ + mH₂O  FeSO₄  Fe₂(SO₄)₃  Fe₂O₃∙nH₂O

Восстановление – обратный процесс окисления – заключается в потере веществом части или всего содержащегося в нем химически связанного кислорода. Восстановительная среда (дефицит кислорода) возникает при насыщении породы водой, накоплении и распаде органического вещества, высокой плотности породы и низкой ее пористости. В условиях болот оксиды железа переходят в закисные. Появляется серо-зеленая или сизая глинистая масса, подстилающая обычно торфяники и называемая в почвоведении глеем. Процесс его образования получил название оглеения: R₂O₃  RO.

Карбонитизация представляет собой процесс присоединения углекислоты к продуктам изменения горных пород, приводящий к образованию карбонатов кальция, железа, магния и других металлов:

Na₂S + H₂CO₃  Na₂CO₃ + H₂S

Выпадение карбонатов может происходить также вследствие уменьшения содержания углекислоты в растворе или при биологическом поглощении ее растениями:

Са(НСО₃)₂ > СаСО₃ + Н₂О + О₂

Большинство карбонатов хорошо растворимы в воде и поэтому выносятся из зоны выветривания в подстилающие породы, где часть из них переотлагается, образуя конкреции. Вынос карбонатов достигает огромной величины. Например, ежегодный сток СаСО₃ с суши в океан составляет около 560 млн т. Но в районах с сухим климатом образующиеся карбонаты остаются преимущественно в зоне выветривания в тонко распыленном виде и в форме конкреций.

Увеличение содержания СО₂ в растворе вызывает повышение растворимости карбонатов, т.е. декарбонитизацию.

Биогенное выветривание протекает при участии живых организмов. Как высшие, так и низшие организмы в процессе роста и взаимодействия с внешней средой поглощают известное количество минеральных веществ. В обмен на поглощение катионов они выделяют эквивалентное количество Н⁺, а в обмен на поглощение анионов выделяют НСО₃^-. Образовавшаяся угольная кислота внедряется в кристаллическую решетку минерала и вызывает его разрушение. Это одна сторона проявления биогенного выветривания. Другая заключается в механическом воздействии живых организмов на породы. Например, корни деревьев, проникая по трещинам, постепенно их расклинивают и разрушают. Они способны разорвать даже очень плотную массу, т. к. тургор или давление, развивающееся в клетках корней, достигает очень больших величин, 60 и даже 100 атм.

Таким образом, нужно иметь в виду, что интенсивность физического и химического выветривания резко повышается благодаря жизнедеятельности живых организмов.

Продукты выветривания подразделяют на:

• подвижные (растворимые и вынесенные из зоны выветривания),

• остаточные,

• переотложенные.

Продукты выветривания горных пород, накапливающиеся на месте своего образования (остаточные), называются элювиальными отложениями или элювием (рис. 4). В состав элювия входят грубо- и среднеобломочные породы, образовавшиеся в результате процессов физического выветривания (глыбы, щебень, дресва, песок, алеврит), а также мелкообломочные, образовавшиеся в результате химического выветривания (глины).

Рис. 4. Элювиальные отложения

Часть элювиальных отложений за счет процессов денудации выносится из непосредственной зоны выветривания и переотлагается на новое место, формируя другие отложения (коллювий, делювий, пролювий, аллювий, эоловые, морены и флювиогляциальные). Таким образом, совокупность процессов химического и физического преобразования минеральных веществ в верхних частях земной коры и на ее поверхности под воздействием атмосферы, гидросферы и живых организмов называется гипергенезом.

Внешняя часть земной коры, сложенная остаточными и переотложенными продуктами выветривания, называется корой выветривания. Значит, образование коры выветривания происходит при гипергенезе. Мощность ее колеблется от единиц до нескольких десятков, а в тропиках – до 100-200 м. По времени образования различают современную и древнюю кору выветривания. Состав коры выветривания определяется, преимущественно, стадией химического выветривания.

Порода, из которой сложена кора выветривания и на которой формируются почвы, называется почвообразующей породой.

Переотложенные продукты выветривания.

Коллювий – это элювий, отложенный у подножия склонов гор и возвышенностей в результате гравитационных сил (сил тяжести). В состав коллювия входят глыбы, щебень, дресва, песок, алеврит, глина. Отличительные признаки отложений коллювия:

• хаотичность обломочного материала,

• отсутствие слоистости и перераспределения обломков по крупности,

• остроугольный характер крупных обломочных пород (глыб, щебня и дресвы).

Эоловые отложения – скопления горных пород, образовавшиеся в результате геологической работы ветра. деятельность ветра выражается в дефляции, переносе и аккумуляции. Дефляция (от латинского – сдувать, выдувать) представляет собой процесс выдувания ветром различных обломков или частиц горных пород. Перенос выдутых частиц осуществляется на далекие расстояния. Перенос их происходит или во взвешенном состоянии или волочением. Масштабы переноса определяются силой ветра. Например, при скорости ветра 4-7 м/сек приходит в движение пыль; при скорости 10-11 м/сек перемещаются частицы размером 0,5-1 мм (тонкий песок), а при скорости 20-30 м/сек могут переноситься песок и дресва. Пылеватые частицы поднимаются на высоту несколько сотен метров, песок – до нескольких десятков метров, а дресва, мелкий щебень – на 8-10 м. При этом, мелкие частицы уносятся ветром дальше, а крупные – на меньшие расстояния. Так происходит сортировка материала. Аккумуляция (процесс скопления переносимых ветром частиц) происходит одновременно с дефляцией и переносом, образуя особые типы эоловых отложений. По составу эти отложения бывают либо пылеватые, либо песчаные. Отличаются следующими признаками:

• однородность состава,

• косая, неправильная слоистость,

• в песчаных по составу отложениях отмечается округленность и отполированность песчаных зерен, отсутствуют пылеватые частицы.