ПОЧВА лесники ответы / Voprosy_13-17

Вопросы 13-17

Лекция 4. Выветривание горных пород.

1. Выветривание горных пород.

2. Осадочные горные породы, их особенности и свойства.

3. Физическое, химическое и биологическое выветривание.

4. Продукты выветривания, их перемещение и формы отложений.

5. Зоны и типы коры выветривания.

6. Стадийность выветривания.

В верхней части земной коры, где горные породы находятся в условиях тесного взаимодействия с атмосферой, гидросферой и биосферой, они претерпевают значительные изменения в своём составе и состоянии. Преобладающее большинство горных пород создано в специфических термодинамических условиях - в глубине Земли, в зоне активности магмы и процессов метаморфизма или же на дне моря. Попадая на земную поверхность, они оказываются в новой физико-химической обстановке, становятся неустойчивыми и под влиянием различных факторов начинают разрушаться.

Процессы механического разрушения и химического разложения минералов и горных пород, вызванных действием колебаний температуры, воды, кислорода, углекислоты, жизнедеятельностью организмов - высших и низших растений, животных и человека называется выветриванием.

Главными агентами выветривания являются:

1) солнечная радиация, поглощаемая и накопляемая на Земле, колебания температуры, нагревание и охлаждение;

2) вода с растворенными в ней химическими элементами, проникающая в кору из атмосферы при её круговороте на Земле;

3) кислород и углекислота воздуха, образующаяся при биохимических и минералогических процессах;

4) растительные и животные организмы.

Особая роль принадлежит антропогенному фактору, т.е. деятельности человека.

Под воздействием агентов выветривания в одних случаях происходит разрушение горной породы на обломки различной величины или на отдельные составляющие её минералы. В других же случаях под влиянием ряда химических агентов наблюдается коренное изменение минералов и горных пород с появлением совершенно новых, отличных от первичных минералов.

Результатом процессов выветривания является изменение лика Земли в течение многих миллионов лет за счёт сглаживания форм рельефа и создания скоплений рыхлых горных пород.

Эти породы имеют большое практическое значение, поскольку служат основанием для различных сооружений, часто содержат полезные ископаемые или являются подпочвой, на которой формируется почва. Это осадочные горные породы. Выветривание подготавливает породы к образованию почвы и составляет важную часть процесса её формирования. Этот процесс определяет скважность, водопроницаемость, поглотительную способность пород.

Только под совместным и одновременным воздействием выветривания и почвообразования горная порода превращается в почву. Сам процесс выветривания не способствует аккумуляции в породах элементов питания растений: N, Р₂О₅, К₂О и др., а наоборот происходит вымывание соединений калия, фосфора, азота и только в процессе почвообразования создаётся особое свойство - плодородие, превращающее бесплодную горную породу в почву.

В зависимости от воздействующих факторов на горную породу различают физическое, химическое и биогенное выветривание. Процессы выветривания оказывают значительное влияние на образование осадочных пород. Осадочные породы более стойки, чем другие горные породы, и не разрушаются под воздействием климатических факторов. Осадочные горные пород слагают верхнюю часть литосферы и как бы покрывают поверхность суши. Мощность их колеблется в широких пределах: от нескольких метров до километров.

В общем составе земной коры осадочные породы не играют существенной роли, зато на поверхности Земли они занимают 70-75% всей площади. Для осадочных пород характерны такие свойства как слоистое сложение, пористость. Они могут находиться в рыхлом состоянии (пески) и быть сцементированными. В осадочных породах имеются остатки животных и растительных организмов.

По сравнению с изверженными породами в осадочных породах больше окисного железа (Fe₂О₃), чем закисного (FeО), преобладание калия над натрием, повышенное содержание воды, углекислоты и углерода. Минералы осадочных горных пород устойчивы на поверхности Земли и не переходят в другие формы под воздействие климатических факторов. Ряд минералов характерны только для осадочных пород и не встречаются в изверженных горных породах (гипс, каменная соль, глинистые минералы).

Отдельные минералы концентрируются в осадочных горных породах и дают начало мономинеральным породам (известняки, гипс, фосфориты, бокситы).

Состав и свойства их зависят от климатических условиях. Для пустынь характерно преобладание обломочных пород (пески, песчаники, соли замкнутых водоёмов). Для влажного тропического климата типичны накопления латерита и краснозёма.

Основной их особенностью является то, что они служат основным материалом для образования различных видов почв. В результате процессов выветривания образуются следующие группы осадочных пород:

1) группа обломочных пород;

2) группа глинистых пород;

3) группа химико-органогенных пород.

Физическое выветривание вызывается разнообразными причинами, однако решающая роль принадлежит факторам, вызывающим механическое движение частиц породы. В одних случаях движение частей происходит внутри самой горной породы без участия внешнего механически действующего агента.

Сюда относится изменение объёма составных частей породы под воздействием суточных и сезонных колебаний температуры воздуха. Такое явление называется температурным выветриванием. Оно обусловлено тем, что различные минералы, составляющие горную породу, обладают различными теплофизическими свойствами.

Под воздействием колебаний температуры происходит неравномерный нагрев и охлаждение горных пород, а минеральные зёрна, слагающие породу, испытывают попеременно то расширение, то сжатие. Поскольку коэффициенты объёмного теплового расширения у минералов неодинаковые, то при колебании температуры они испытывают различные по величине объёмные деформации.

Вследствие этого на контакте минеральных зёрен возникают температурные напряжения, под действием которых порода растрескивается. Температурные напряжения возникают и в мономинеральных породах, что связано с анизотропностью теплофизических свойств.

На интенсивность процесса температурного выветривания влияют различия в окраске горных пород. Горные породы, состоящие из минералов различной окраски, нагреваются на солнцепёке с различной скоростью и распадаются более интенсивно, чем горные породы с монотипной окраской.

На скорость выветривания оказывает влияние величина минеральных зёрен. Крупнозернистые породы разрушаются быстрее, чем мелкозернистые.

При температурном выветривании главное значение имеют суточные колебания температуры; именно они дают максимальный эффект.

Физическое выветривание обычно начинается со вскрытия и расширения уже имеющихся в горной породе микротрещин. В дальнейшем происходит распад горной породы на отдельные обломки, минеральные зёрна (дресву) и частицы песка и пыли (дезинтеграция).

Скорость и характер физического выветривания зависят от климатических условий и ряда свойств горной породы и составляющих её минералов.

С повышением континентальности климата, т. е. с увеличением амплитуд суточных и сезонных колебаний температуры и снижением влажности воздуха возрастает скорость физического выветривания.

Наиболее интенсивно оно протекает в сухих (аридных) климатических областях, особенно в пустынях.

Дневное нагревание после холодной ночи вызывает в этих условиях интенсивное шелушение обнаженной горной породы - десквамацию. Последующее охлаждение приводит к её растрескиванию. В жарких, но влажных климатических условиях, физическое выветривание усиливается ливневыми (обильными) дождями, выпадающими нередко на раскалённую поверхность обнаженных горных пород. При высыхании горной породы на сонцепеке наблюдается интенсивное растрескивание и щелушение.

Температурное выветривание интенсивно протекает на крутых склонах высоких гор, что связано с большей прозрачностью воздуха и инсоляцией, чем в соседних низменностях.

Образующие обломки горных пород легко удаляются со склонов в силу своей тяжести, вследствие чего поверхность склонов остается обнаженной и подвергается дальнейшему разрушению. Таким путем у подножий склонов и нижней их части накапливаются каменные осыпи, достигающие значительной мощности и распространения, местами образуются сплошные каменные развалки.

Обломочный материал, полученный в результате разрушения коренных пород, переместившийся вниз по уклону под влиянием силы тяжести и отложенный у подножий склонов, называется коллювием. Процесс разрушения горных пород и перемещение продуктов разрушения в пониженные участки называется денудацией. К денудационным процессам относятся также разрушительная деятельность рек, моря, ветра и др. экзогенных факторов, т. е. совокупность процессов разрушения и сноса.

Механическое выветривание - представляет собой явление, при котором разрушение горных пород происходит под механическим воздействием посторонних агентов - замерзающей воды, корней растений, кристаллизацией солей. Особенно сильным и быстрым разрушителем горных пород является вода. При попадании в трещины и поры вода при замерзании увеличивается в объёме на 10-11%, производя при этом огромное давление на стенки трещин (сотни кг на 1см²). При этом легко преодолевается сопротивление горных пород на разрыв и они раскалываются на отдельные обломки. Это явление называется «морозным выветриванием». Для протекания этого процесса необходимо:1) наличие пор и трещин, 2) наличие воды, 3)соответствующие температурные условия.

Наиболее интенсивно этот процесс протекает, когда наблюдаются частые колебания температуры около точки замерзания воды: в высоких полярных и субполярных широтах, а также в горных районах, преимущественно выше снеговой линии. Здесь нередко встречаются огромные пространства, сплошь покрытые обломками горных пород различных размеров - «каменные моря», «каменные потоки» как результат морозного выветривания.

Разрушение горной породы происходит также при кристаллизации солей в капиллярных трещинах. Это явление наблюдается в условиях сухого климата, где днем при сильном нагревании солнцем влага, находящаяся в капиллярных трещинах, подтягивается к поверхности и испаряется, а соли содержащиеся в ней кристаллизуются. Под давлением растущих кристаллов капиллярные трещины расширяются, увеличиваются в размерах, что приводит к нарушению монолитности горной породы и её разрушению.

Разрушающее механическое действие на горные породы производит корневая система деревьев. По мере разрастания дерева увеличиваются в размерах и его корни. Они давят с большой силой на стенки трещин и раздвигают их как клинья, чем вызывают раскалывание массивов пород на отдельные глыбы и обломки. Отмершие корни растений, набухая от дождей, также расширяют трещины. Участие растений в разрушении горных пород наблюдается во всех климатических зонах. Большую механическую работу производят роющие животные (хомяки, суслики), насыпая холмики высотой 0,3-0,5м на поверхности.

Из всех свойств и особенностей горных пород, влияющих на скорость физического выветривания, наибольшее значение имеют:

1) Минералогический состав. Полиминеральные горные породы разрушаются легче, чем мономинеральные. Это объясняется тем, что различные минералы нагреваются и охлаждаются с различной скоростью, при этом расширяясь и сжимаясь на различную величину в зависимости от коэффициента теплового расширения, теплоёмкости, теплопроводности и других теплофизических свойств. Особенно интенсивно выветриваются горные породы, имеющие в своём составе минералы с резко выраженной анизотропией указанных теплофизических свойств.

2) Строение горной породы. Плотносложенные породы мелкозернистого строения более стойки против физического выветривания, чем породы пористые, рыхлосложенные крупнозернистые или неравномернозернистые. В случае порфирового строения (кристаллы заключены в стекловатую основу) выветривание идёт быстрее, если порфировые выделения крупные и медленнее, когда они мельче.

3) Сложение горных пород. Породы массивного сложения более стойки против выветривания. Сланцеватость (расслоение на тонкие пластинки) и плойчатость (мелкая складчатость, размер складок измеряется мм) облегчают физическое выветривание.

4) Трещиноватость. С повышением трещиноватости скорость выветривания горных пород резко возрастает. Скорость выветривания монолитных пород минимальна.

5) Водно-физические свойства горной породы. Влагоёмкость и водоотдача играют большую роль в процессах физического выветривания. Породы с высокой влагоёмкостью, но со слабой водоотдачей подвержены интенсивной десквамации (шелушению) и морозному выветриванию.

Химическое выветривание есть результат взаимодействия горных пород наружной части литосферы с химически активными элементами атмосферы, гидросферы и биосферы.

Процессы физического и химического выветривания протекают одновременно. Наибольшей химической активностью отмечаются: кислород, вода, углекислота и органические кислоты. С воздействием этих веществ на горные породы связано в основном химическое выветривание.

Процессы, протекающие при химическом выветривании, подразделяются на следующие типы: 1) окисления 2) гидратации 3) растворения 4) гидролиза.

Окисление минералов и горных пород в природной обстановке происходит при наличии свободного кислорода в присутствии воды.

В атмосфере около 21% свободного кислорода, а в воздухе - растворяющемся в воде, около 30-35%. Свободный кислород атмосферы и растворённого в воде воздуха являются чрезвычайно активным химическим реагентом. Наиболее интенсивно процессы окисления протекают в отношении элементов, различной валентности (Fe²⁺ → Fe³⁺). Окислению подвержены многие минералы и, прежде всего сульфиды и органические вещества.

При окислении сульфидов образуются кислородные соединения (сульфаты, карбонаты, гидроокислы). Сам процесс окисления имеет многостадийный характер.

Все минералы, содержащие в своём составе закисные формы железа (авгит, роговая обманка, оливин) в условиях поверхности Земли быстро окисляются и покрываются бурой коркой.

Химическое выветривание, связанное с окислением, определяется границей распространения свободного кислорода, т.е. «кислородной поверхностью» и количественным содержанием кислорода или кислородным потенциалом данной среды, который зависит от характера горных пород, их пористости, трещиноватости, от глубины залегания и циркуляции воды и газов.

Кислородная поверхность определяет характер протекающих процессов, т.е. выше неё идут преимущественно процессы окисления, ниже – процессы восстановления. Глубина её залегания различна, иногда она совпадает с поверхностью Земли (в районах развития торфяников или вечной мерзлоты) или достигает глубины 1000 м и более.

Глубина залегания кислородной поверхности зависит от пересечённости местности, вещественного состава и проницаемости горных пород, глубины залегания подземных вод.

Гидратация – явление поглощения минералами воды. При гидратации молекулы воды входят в структуру минерала и могут быть из него удалены при полном его разрушении (t = 400^оС).

Вследствие вхождения воды в структуру минерала происходит перестройка кристаллической структуры и увеличение первоначального объёма. Поэтому при явлениях гидратации возникают весьма значительные напряжения и деформации, сопровождающиеся развитием интенсивной трещиноватости горных пород.

В природных условиях явление гидратации наблюдается при переходе ангидрита в гипс, в результате чего возникли некоторые месторождения гипса.

CaSO₄ + 2H₂O = CaSO₄ * 2H₂O

При гидратации происходит сочетание химического выветривания, приводящего к образованию новых, более устойчивых в поверхностной зоне минералов, и механического, связанного с увеличением объёма, вошедших в реакцию масс.

Fe₂O₃ + nH₂O (гематит) = Fe₂O₃ * nH₂O (лимонит – во влажном климате)

В жарком климате, благодаря интенсивному прогреванию солнцем и испарению влаги, вода легко отнимается от окислов железа и они легко переходят в минералы, лишённые воды – процесс дегидратации.

Продукты коры выветривания характеризуются красной окраской, быстро твердеют при высыхании. Образуется латеритная кора выветривания.

Карбонатизация представляет собой процесс присоединения углекислоты к продуктам изменения горных пород, приводящий к образованию карбонатов Ca, Fe, Mg и других металлов. Подавляющее большинство карбонатов растворимо в воде и выносятся из коры выветривания в подстилающие породы, переотлагаются, образуя стяжения (конкреции), или в грунтовые воды.

В стране с сухим климатом большая часть карбонатов остаётся в коре выветривания в тонкораспылённом виде. Такая карбонатная кора выветривания состоит из глин, суглинков и супесей, сильно вскипающих с соляной кислотой.

Восстановление является процессом, обратным окислению и заключается в потере веществом части или всего содержащегося в нём химически связанного кислорода. Этот процесс развит в условиях болот, когда все поры пород и покрывающих их рыхлый слой заполнены водой, в которую поступает много органического вещества за счёт отмирания болотной растительности. Все они являются сильными восстановителями, так как легко соединяются с кислородом при своём разложении, используя его из воды и минералов.

В результате окись железа Fe₂O₃ переходит в закись FeO, гидраты которой имеют зеленоватый цвет. Образующаяся сизая глинистая масса, подстилающая торфяники, называется глеем, а процесс его образования – оглеением. Таким путём происходит образование минералов, лишённых кислорода (пирит, марказит).

Растворение. При растворении минеральное вещество переходит в раствор и затем может быть вновь выделено из раствора. Растворимость минералов зависит от свойств растворителя и свойств самих минералов.

Природные воды, циркулирующие в толщах горных пород, являются их активными растворителями. Растворяющая способность природных вод зависит от диссоциации молекул воды на ионы Н⁺ и ОН^-.

Водородный ион воды является главным агентом химического выветривания. Чем больше диссоциированы молекулы воды и соответственно, чем выше концентрация водородных ионов рН, тем выше химическая активность воды.

Концентрация Н⁺ увеличивается с повышением температуры и содержания в воде свободной углекислоты. Повышение температуры от 0 до 30^оС увеличивает концентрацию Н⁺ почти в 2 раза, а при насыщении воды углекислотой концентрация Н⁺ увеличивается в 300 и более раз. Поэтому особо высокой растворяющей способностью обладают высокотемпературные подземные воды, насыщенные углекислотой. Растворяющая способность подземных вод увеличивается при появлении в их составе сильных кислот (H₂SO₄, HF).

Все минералы земной коры в той или иной степени растворимы в воде. По степени растворимости различают легкорастворимые минералы (каменная и калийная соли, гипс и др.), растворимые (кальцит, доломит) и слаборастворимые (силикаты).

Процессы полного растворения минералов в воде наблюдаются в соленосных толщах, гипсах, известняках, доломитах и в меньшей степени в мергелях. С этими породами связано образование карстовых полостей и пустот. Интенсивность растворения горных пород зависит не только от растворимости составляющих её минералов, но и от свойств породы – трещиноватости, структуры и текстуры. Скорость растворения горных пород повышается с увеличением скорости циркуляции подземных вод.

Гидролиз - сложный процесс, заключающийся в разложении минералов и удалении отдельных элементов. Гидролиз характерен для сильных оснований и слабых кислот. К ним относятся силикаты и алюмосиликаты. В ходе гидролиза кристаллическая решетка минерала перестраивается в зависимости от состава образующих её ионов и может оказаться даже полностью разрушенной.

Гидролиз, как и другие процессы химического выветривания, носит многостадийный характер. Полевые шпаты при воздействии на них воды и углекислоты разлагаются по следующей схеме:

Так протекает процесс разложения и других алюмосиликатов. Характерным при этом является полное вытеснение катионов К, Nа, Са, которые при взаимодействии с водой образуют истиные растворы карбонатов и бикарбонатов, уносимых поверхностными водами с места их образования.

Кремнезём при распаде первичного минерала частично вытесняется углекислотой и переходит в раствор; при этом часть растворённого кремнезёма уносится реками (до11%). Подавляющая часть его переходит в коллоидное состояние и оседает на месте в виде геля водного кремнезёма - опала, часть SiО₂ остаётся ещё прочно связанной в каолине. Таким путём в результате процессов выветривания магматических и метаморфических пород, богатых алюмосиликатами (граниты, гнейсы) образовались месторождения каолина. Каолин в условиях земной поверхности - минерал достаточно устойчивый. В жарких, но влажных климатических условиях, происходит дальнейшее разложение каолина на гидроокись алюминия (составная часть боксита) и кремнезём.

Гидролиз железомагнезиальных силикатов (оливин, пироксен, амфиболы) протекает более интенсивно, чем алюмосиликатов. Двухвалентное железо этих минералов переходит из закисной формы в окисную и, в конечном счёте, в свободные гидроокислы железа (лимонит) Fe₂О₃ * nН₂О. Кремнезём выходит в виде опала и частично выносится с образующимися бикарбонатами Са и Мg.

Промежуточные минералы в условиях влажного, но умеренно тёплого климата достаточно устойчивы и образуют месторождения.

Накопление конечных продуктов гидролиза железомагнезиальных силикатов (водных окислов Al, Fe, Si) наблюдается в жарких климатических зонах тропиков и субтропиков.

Биогенное выветривание. Разрушение горных пород организмами осуществляется физическим или химическим путём. Процессы выветривания, связанные с жизнедеятельностью растений и животных, определяются, прежде всего, количеством организмов в различных зонах. Количество их достигает максимума в верхних частях гидросферы и на границе литосферы и атмосферы, уменьшаясь в вертикальном направлении довольно быстро.

Первыми поселенцами обнажённых горных пород являются бактерии и синезелёные водоросли. Разрушая горные породы, они подготавливают почву для микроорганизмов - диатомовых водорослей и простейших грибков. Вслед за ними появляются лишайники и мхи, и, наконец, высшие растения и сопутствующий им животный мир.

Разрушение горных пород происходит под влиянием органических кислот, выделяющихся при жизнедеятельности организмов, а также под действием продуктов распада остатков растений и животных. Одновременно с этим происходит захват различных минеральных элементов горной породы как питательных веществ: К, Са, SiO₂, Мg, Nа, Р, S, Аl, Fe и других.

Большое значение имеет производство организмами газообразных веществ: О и СО₂, разрушительное действие которых было отмечено выше.

Значительная масса кислорода выделяется земной растительностью в процессе фотосинтеза органического вещества (углеводов). Растения также выделяют и углекислый газ в процессе дыхания, а также при горении органического вещества.

В результате выветривания горных пород при участии живых организмов и биохимических процессов происходит формирование почвенного слоя. Последний состоит из минеральных частиц (глины, пыли, песка, щебня), органических веществ (гумуса), живых организмов (главным образом бактерий и грибков), почвенной влаги и воздуха.

Процессы выветривания приводят к накоплению рыхлых щебенистых, песчаных и глинистых масс - продуктов выветривания горных пород.

Продукты выветривания подразделяются на две группы: 1)подвижные, которые уносятся с места разрушения 2)остаточные, которые остаются на месте разрушения.

Подвижные продукты под влиянием силы тяжести и денудационных процессов удаляются со склонов и накапливаются у подножий - каменные особи и каменистые развалки.

Остаточные, или несмещённые, продукты выветривания представляют собой один из видов континентальных образований, и называется элювием.

Элювий состоит из плохо отсортированных смесей щебня, дресвы, песка и тонких пылевато-глинистых масс. В горных областях, где имеются плоские горизонтальные поверхности, продукты выветривания накапливаются в них в виде крупных обломков, камня, щебня, дресвы, песка и более мелкого дресвяного материала, которые носят название элювиальных россыпей.

Ландшафты беспорядочного нагромождения глыб получили название «каменных морей». Области обнажённых горизонтально лежащих пластов, образующих террасообразные поверхности с вертикальными уступами между ними носят название каменистых пустынь (в Сахаре их называют гаммады). На краю уступов пласты расчленены на останцы конусовидной формы. Понижения между останцами покрыты россыпями каменных глыб и щебнем.

Процессы выветривания протекают неравномерно в разных горных породах. Легко разрушающиеся участки пород быстро осыпаются, разрыхленные продукты выносятся ветром и текучей водой, в результате чего поверхность приобретает неровную форму. Плотные, трудно выветривающие участки породы сохраняются в виде выступов, на месте легко выветривающихся образуются впадины. В результате возникает очень характерная скульптура поверхности выхода пород, получившая название форм выветривания. Такими формами являются различные выступы, карнизы, столбы, останцы грибовидной формы, арки, островерхие скалы или скалы причудливых контуров в виде сфинксов.

Процессы выветривания зависят, в первую очередь от климатического фактора, который обуславливает физико-географическую зональность продуктов выветривания элювий и почва горных пород.

Для северных (полярных и приполярных) стран наиболее характерны продукты температурного и морозного выветривания – элювиальные россыпи.

Для северных широт с умеренно климатическими условиями свойственен элювий, состоящий из смеси щебня, дресвы, песка и пыли.

В условиях средних широт алюмосиликаты каолинизируются. При разложении железомагнезиальных силикатов образуются нередко промышленные скопления промежуточных продуктов выветривания бейделлитовых, монтмориллонитовых и других глин.

Натриевые алюмосиликаты (альбит нефелин) в результате гидролиза превращаются в цеолиты.

В условиях жаркого и тёплого климата, со сменой сухих и дождливых сезонов, силикаты и алюмосиликаты разлагаются с постепенным выносом кремнезёма и щелочных земель и гидратацией окислов Fe и Al. В результате возникает латеритная кора выветривания, характеризующаяся скоплением в элювии больших масс гидроокисей железа и алюминия.