7. Первинні мінерали грунтоутворюючих порід і ґрунтів

Для розуміння грунтоутворювального процесу необхідне знання походження, мінералого-петрографічного і хімічного складу грунтоутворюючих порід, а також умов залягання їх по елементах рельєфу. У процесі ґрунтоутворення материнські породи істотно змінюються, що виражається у вивітрюванні складових їхніх мінералів і утворенні нових мінералів. Відповідно до цього варто розрізняти первинні мінерали, що входили до складу магматичних, масивних-кристалічних порід, і вторинні мінерали, що утворилися в процесі вивітрювання і ґрунтоутворення.

До первинних варто віднести ті мінерали, що входили до складу магматичних порід і перейшли в інші грунтоутворюючі породи і ґрунти без яких-небудь змін їхньої складу. Таким чином, первинні мінерали являють собою збережений у ґрунтах без хімічної зміни в процесі вивітрювання залишок магматичних порід, який підданий тільки в більшому чи меншому ступені механічному руйнуванню. Ці первинні мінерали в більшій чи меншій кількості домішані до вторинних мінералів, що звичайно утворюють основну мінеральну масу ґрунтів. Виключення представляють піски, які в основному складаються з первинних мінералів. У грунтоутворюючих породах і ґрунтах містяться наступні первинні мінерали: кварц, польові шпати (ортоклаз, мікроклін, вапняно-натрієві плагіоклази), слюди (біотит і мусковіт), рогова обманка, авгіт, магнетит, гематит, апатит і ін.

Кількісне співвідношення їх у складі масивнокристалічних порід наступне (у %):

польові шпати – 60,

рогові обманки і авгіт – 20,

слюди – 3,

кварц – 10,

магнетит і гематит - 3,

апатит – 1.

8. Вивітрювання гірських порід і мінералів

Магматичні й інші гірські породи, що утворилися в термодинамічних умовах, які різко відрізняються від тих, котрі панують на земній поверхні, при виході на поверхню починають швидко піддаватися руйнуванню. Процес механічного руйнування і хімічної зміни гірських порід, які вийшли на земну поверхню, і складових їхніх мінералів називають вивітрювання гірських порід. Основними діячами його є біологічні і біохімічні процеси, що проходять у гірських породах під впливом організмів, які оселилися на них, а також термічні умови земної поверхні, дія атмосферної води і газів - СО₂, О₂, які мають теж біогенне походження. Усі перераховані фактори діють на гірську породу спільно й одночасно, так що дію кожного з них неможливо відокремити від дії інших. Проте за характером переважного чинника звичайно прийнято розрізняти три основні форми вивітрювання: фізичне, хімічне та біологічне. Такий поділ є зовсім умовним, тому що будь-яка зміна хімічного складу породи супроводжується зміною її фізичних властивостей. У свою же чергу хімічне вивітрювання є результатом впливу на породу біогенних кисню, вуглекислоти й інших продуктів життєдіяльності організмів, тобто є біологічним вивітрюванням.

Під фізичним вивітрюванням розуміють процес механічного руйнування гірських порід на більшої чи меншої величини уламки, без зміни хімічного складу утворюючих їхніх мінералів.

Найголовнішим фактором фізичного вивітрювання є температурні умови земної поверхні: сильне нагрівання (теплове вивітрювання) чи, навпаки, охолодження (морозне вивітрювання), особливо ж різкі добові коливання температур. Безпосередньою причиною, механічного руйнування порід, яке відбувається при цьому є різне лінійне й об'ємне розширення окремих порід і мінералів, які входять до їх складу.

Крім того, нагрівання окремих мінералів є різним внаслідок різного їх забарвлення і теплоємності. Під впливом нагрівання й охолодження відбувається механічне руйнування навіть таких мономінеральних порід, як мармур, кварцит і ін., тому що коефіцієнт лінійного розширення кристалів того самого мінералу по різних осях не однаковий, що при різному орієнтуванні кристалів у породі приводить до виникнення в ній місцевих тисків, які руйнують породу. Таке руйнування відбувається в місцях контакту різних порід внаслідок різного коефіцієнта їхнього лінійного розширення. Таким чином, під впливом нагрівання й охолодження порід відбувається утворення тріщин між кристалами. У ці тріщини проникає вода, унаслідок чого там виникає капілярний тиск, достатній для руйнування навіть досить твердих порід.

Замерзаючи узимку, вода ще більш збільшує тріщини. У результаті від породи, розбитої мережею тріщин, починають відпадати окремі уламки, і з часом її поверхня може піддатися повному механічному руйнуванню. Фізичне вивітрювання є переважним типом вивітрювання в областях із сильним нагріванням чи охолодженням поверхні порід і різких добових коливань температур — у полярних і субтропічних пустелях і у високогірних областях. У результаті фізичного (термічного) вивітрювання гірська порода набуває нової якості — проникність для води.

Хімічним вивітрюванням називають хімічну зміну мінералів гірських порід і утворення з них нових сполук. Воно починається з поверхні гірських порід, які безпосередньо стикається з атмосферою, і з часом може змінити породу на значну глибину. Основним фактором хімічного вивітрювання є атмосферна вода, дія якої на мінерали гірських порід підсилюється розчиненою в ній вуглекислотою. Значну роль у процесах хімічного вивітрювання відіграє також кисень повітря. Оскільки кисень і вуглекислота атмосфери являють собою в основному продукт біологічних процесів, хімічне вивітрювання представляє одну з форм впливу на гірські породи продуктів життєдіяльності організмів.

Хімічне вивітрювання гірських порід складається з наступних більш простих хімічних процесів: розчинення, гідролізу, гідратації, окислювання.

Процеси розчинення гірських порід водою, і особливо водою, що містить у розчині різні сполуки, відіграють велику роль при вивітрюванні деяких осадових порід, наприклад вапняків і гіпсоносних порід.

Значно складніше питання про розчинність магматичних порід, унаслідок практичної неможливості відокремити при дії на них води просте розчинення від гідролітичних процесів.

Основною формою хімічного вивітрювання мінералів магматичних порід є гідроліз, що складається в заміщенні в кристалічних ґратах алюмосилікатів іонів лугів і лужних земель водневим іоном води внаслідок її часткової дисоціації.

З діяльністю води зв'язана також гідратація, тобто хімічний процес приєднання часток води до часток мінералу.

Окисні процеси, зв'язані з дією атмосферного кисню, широко поширені при вивітрюванні мінералів, що містять закисне залізо.

Процеси розчинення, гідратації, окислювання при вивітрюванні завжди супроводжуються протилежними процесами — випадання опадів, дегідратації, відновлення. При утворенні опадів особливо значну роль відіграє вуглекислота, що дає з основами розчину карбонати.

Перераховані протилежні процеси звичайно найрізноманітнішим чином з’єднуються один з іншим, даючи складне хімічне вивітрювання. У результаті хімічного вивітрювання гірська порода перетворюється в пористе тіло, що володіє капілярними властивостями і здатністю утримувати воду.

Перше і найбільш характерне геохімічне явище полягає в переході всіх елементів у більш високі ступені окислювання. Однак звичайно це лише перший етап процесів руйнування, тому що нерідко при подальшій діяльності біохімічних факторів спостерігаються процеси відновлення з виносом металів.

Другий процес — гідратація — пов'язана з впливом води і водяної пари. Гідратація представляє перехід мінералів кристалічних порід у сполуки, більш багаті водою; при цьому спостерігається характерне поглинання Н₂О або шляхом входження кисню і водню в кристалічні ґрати мінералу (хімічні сполуки з Н⁺ і ОН^-), або входженням Н₂О в порожні проміжки кристалічних ґрат (водяні алюмосилікати — цеоліти), чи, нарешті, приєднанням Н₂О (кристалізаційна вода).

Третій процес - гідроліз — приводить до виносу катіонів Ca²⁺, Na⁺, К⁺ і нагромадження аніонного залишку.

Четвертим характерним процесом хімічного вивітрювання магматичних порід є нагромадження в осаді системи SiО₂ - Аl₂О₃ - Fe₂O₃, причому в різних широтних зонах хід міграції цих оксидів різний.

Усі перераховані реакції є екзотермічними, тобто проходять з виділенням тепла. Вони приводять до утворення як простих, так і складних сполук.

У результаті вивітрювання магматичних порід утворюються продукти трьох типів: 1) залишкові утворення, 2) перевідкладені опади і 3) розчинні солі.

Біологічним вивітрюванням називають процес механічного руйнування і хімічної зміни мінералів гірських порід під безпосереднім впливом організмів, які оселилися на них, продуктів їхньої життєдіяльності і продуктів розкладу органічних залишків. Біологічне вивітрювання є основною формою вивітрювання і, зокрема, завжди відбувається при ґрунтоутворенні.

Абіотичне, термічне вивітрювання могло мати місце тільки до зародження життя на Землі. Продукти його надходили у великий, геологічний кругообіг речовин. З виникненням життя цей процес різко змінився, тому що утворився ґрунт і в ньому стали накопичуватися зольні елементи поживи рослин і азот. Виник малий, біологічний кругообіг елементів, протилежний геологічному, і почалося ґрунтоутворення, в якому обидва цикли процесів, і вивітрювання і ґрунтоутворення, повинні обов’язково проходити одночасно і сумісно. Одне ж вивітрювання не може створити ґрунту.

Розкладання гірських порід роблять, насамперед, мікроорганізми, особливо прототрофні бактерії — хемосинтетики, що зокрема нітрифікують бактерії, що утвоюють у процесі життєдіяльності сильну мінеральну (азотну) кислоту.

Значну руйнуючу дію на гірські породи роблять лишайники, причому цей вплив їх пов'язаний з виділенням як вуглекислоти, так і специфічних лишайникових кислот. Лишайники руйнують породи не тільки хімічно, але і механічно, внаслідок проникнення гіф гриба в найтонші пори гірської породи. При цьому в органічній речовині під лишайниками накопичуються сірка, фосфор і калій, тобто елементи поживи рослин, а в породі виявляється вторинний мінерал - монтморилоніт, мабуть, біогенного походження. Руйнування порід ще більше підсилюється після зміни лишайників мохами, що затримують багато вологи.