11. Процессы выветривания, основные формы и факторы выветривания.

Большинство геологических процессов на поверхности Земли обусловлены действием солнечной энергии и силы тяжести. Такие процессы называются экзогенными. Все горные породы под воздействием целого ряда факторов постепенно разрушаются – выветриваются. Образовавшиеся мелкие обломки – дресва, песок, глина смываются дождем, водными потоками, т.е. перемещаются. Этот процесс называется денудацией (денудо – смыв, лат.). В дальнейшем весь рыхлый материал где-то накапливается – происходит его аккумуляция. Процесс разрушения первоначально монолитных горных пород – выветривание является очень важным в ряду выветривания, денудации и аккумуляции. Приходя в контакт в поверхностной части Земли с атмосферой, гидросферой и биосферой горные породы, ранее находившиеся на глубине, подвергаются изменению своего состояния, нарушению сплошности и, наконец, дезинтеграции, разрушению на мелкие частицы.

Какие же процессы приводят к выветриванию горных пород?

Прежде всего это физическое, механическое разрушение, а также химическое и биохимическое разложение минералов и горных пород. Воздействие этих факторов усиливается тем, что как в магматических, так и в осадочных породах, всегда присутствуют первичные трещины или трещины отдельности, возникшие при сокращении объема породы, после ее остывания или образования. Следовательно, увеличивается площадь соприкосновения породы с воздухом и водой, в трещины легко проникают корни растений (рис. 5.1) Механическое разрушение породы связано, как с особенностями состава и строения самой породы, так и внешними воздействиями.

Рис. 5.1. Увеличение поверхности выветривания породы по мере ее растрескивания

Первичные трещины в породах, по мере эрозии залегающих выше толщ, высвобождают усилия давления и расширяются, разрушая материнские породы.

Однако, наиболее существенным физическим фактором, вызывающим дезинтеграцию пород, являются температурные колебания, как суточные, так и сезонные.

Расширяясь и сжимаясь в разной степени минералы провоцируют микронапряжения в горной породе, которые расшатывают ее «скелет» и она рассыпается на мелкие обломки – дресву.

Когда поверхность горных пород в каком-либо обнажении нагревается сильнее внутренних частей и, соответственно, расширяется больше, то наблюдается отслаивание, шелушение породы параллельно поверхности обнажения. Такой процесс называется десквамацией.

Морозное или механическое выветривание связано с расклинивающим действием, возникающим за счет:

1. увеличением объема воды, попавшей в трещины, при замерзании(вода, замерзая превращается в лед, объем которого на 10% больше и при этом создается давление на стенки, например, трещины, до 200 Мпа, что значительно больше прочности большинства горных пород)

2. кристаллов соли при их росте из раствора.

3. корней деревьев и кустарников, которые увеличиваясь в объеме создают большое

4. добавочное напряжение на стенки трещины.

5. мелких грызунов, а также червей, муравьев и термитов оказывающих механическое воздействие на горную породу, роя ходы до 1,5 м глубиной (земляные черви способны переработать до 5 т почвы на 1 га за 1 год, при этом поверхностные слои почвы обогащаются гумусом; улитки высверливают глубокие ходы в

6. карбонатных породах, а муравьи роют неглубокие, но многочисленные ходы, разрыхляя

7. почву и способствуя проникновению в нее воздуха)

Очевидно, что температурное выветривание шире всего проявляется в условиях жаркого климата, особенно в пустынях, где велики перепады дневных и ночных температур, достигающие 50°С. Морозное выветривание свойственно полярным и субполярным областям, а также высокогорьям, для которых характерны развалы обломков горных пород.

Химическим выветриванием называется разрушение горных пород под воздействием воды, кислорода, углекислоты и органических кислот, содержащихся в воздухе и воде и воздействующих на поверхность пород, растворяя их (рис. 5.2). Химические выветривание представлено несколькими основными типами: растворением, окислением, гидратацией, восстановлением, карбонатизацией, гидролизом.

Рис. 5.2. Схема взаимодействия воды с поверхностью минерала. Молекулы воды способны отрывать ионы от минерала: 1 – минерал; 2 – раствор; 3 – поверхность минерала; 4 – катион; 5 - анион; 6 – молекула воды.

Растворение играет наиболее важную роль, т.к. связано с воздействием воды, в которой растворены ионы Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Cl, SO^2-, HCO^3-. Особенно существенны ионы водорода (Н+), гидроксильный ион (ОН-) и содержание О₂, СО₂ и органических кислот. Как известно, концентрация ионов Н+ оценивают в виде рН – логарифма концентрации ионов (при рН=6 растворимость железа в 100 000 раз (!) больше, чем при рН=8,5; глинозем – Al₂O₃, практически нерастворимый при рН от 5 до 9, при рН< 4 прекрасно растворяется; кремнезем – SiO₂ значительно увеличивает свою растворимость при переходе от кислых растворов с рН <7 к щелочным рН >7). Отсюда ясно, какую важную роль играют водородный ион в ускорении процессов химического выветривания, в частности, растворения.

Хорошо растворяются соли хлористо-водородной и соляной кислот. Карбонаты и сульфаты растворяются хуже. Еще хуже растворяются карбонатные породы известняки, мергели, доломиты. Однако, если растворение продолжается длительное время, то возникает большое разнообразие карстовых форм рельефа, включая глубокие, многокилометровые пещеры.

Окисление представляет собой взаимодействие горных пород с кислородом и образование оксидов или гидрооксидов, если присутствует вода. Сильнее всего окисляются закисные соединения железа, марганца, никеля, серы, ванадия и других элементов, которые легко соединяются с кислородом. Легко окисляется такой распространенный минерал, как пирит:

FeS₂ + n O₂ + m H₂O → FeSO₄ →Fe₂ (SO₄) → Fe₂O₃ ⋅n H₂O

Таким образом, на «выходе», после окисления получается такой распространенный минерал как лимонит или бурый железняк. На многих месторождениях сульфидных руд встречается «шляпа» или «покрышка» из бурого железняка – результат одновременных окисления и гидратации. Для нижних частей почвы характерны отрзанды, корки лимонита, цементирующего песка.

Восстановление происходит в условиях отсутствия химически связанного кислорода, когда сильным восстановителем является органическое вещество, сформировавшееся в результате отмирания болотной растительности. При этом необходимы анаэробные условия в неподвижной, застойной воде, например, в болотах. Восстановительные процессы превращают породы с оксидом железа, окрашенные в бурые, желтые и красноватые цвета, в серые и зеленые. Под торфом иногда возникает серо-зеленая глинистая масса, называемая глеем.

Гидролиз – это довольно сложный процесс, особенно затрагивающий минералы из группы силикатов и алюмосиликатов. Происходит он при взаимодействии ионов Н+ и ОН- с ионами минералов, следовательно, для гидролиза всегда необходима вода. Гидролиз приводит к нарушению первичной кристаллической структуры минерала и возникновению новой структуры уже другого минерала. Наиболее распространенный пример – это гидролиз ортоклаза, одного из полевых шпатов, часто встречающегося в горных породах, особенно в гранитах. Гидролиз в присутствии СО₂ приводит к образованию нерастворимого минерала каолинита и выносу бикарбоната калия и кремнезема:

K₂Al₂Si₆O₁₀ + 2 H₂O + CO₂ → H₂Al₂Si₂O₁₈ ⋅ H₂O + K₂CO₃ + 4 SiO₂

Ортоклаз каолинит

Каолиновая глина, покрывая панцирем выветривающуюся породу, препятствует ее дальнейшему разрушению. Будучи довольно устойчивым минералом, каолинит при определенных условиях способен к дальнейшему разложению с образованием еще более устойчивых минералов, например, гиббсита – AlO(OH)₃, входящего в состав боксита, основной руды для получения алюминия.

Карбонатизация представляет собой реакцию ионов карбоната и бикарбоната с минералами, которая ведет к образованию карбонатов кальция, железа, магния и других. Большая часть известных нам карбонатов хорошо растворяется в воде и выносится из зоны выветривания. Именно поэтому грунтовые воды в таких местах обладают высокой жесткостью.

Гидратация – это процесс присоединения воды к минералам и образование новых минералов. Самый простой пример – переход ангидрита в гипс:

CaSO₄ + 2 H₂O ⇔ CaSO₄ ⋅ 2H₂O

Или гематита в гидроокислы железа:

Fe₂O₃ + n H₂O ⇔ Fe₂O₃ ⋅ n H₂O

Объем породы при гидратации увеличивается, что может привести к деформациям отложений.

Биологическое выветривание. Живое вещество, с точки зрения В.И.Вернадского, создает химические соединения, которые могут производить большую геологическую работу.

Горные породы на своих поверхностях содержат огромное количество микроорганизмов. На 1 г выветрелой породы может приходиться до 1 млн. бактерий. Как только порода начинает выветриваться, на ней сразу же поселяются бактерии и сине-зеленые водоросли, затем лишайники и мхи, которые растворяют и разрушают

поверхностный слой породы и после их отмирания на ней образуются углубления, ямки, борозды, заполненные сухой биомассой отмерших организмов. Еле заметные трещинки на поверхности камней обладают другими экологическими обстановками, нежели обстановки на гладкой поверхности породы. Там больше влаги и меньше света. Поэтому в субаэральных пленках на поверхностях камней преобладают микроскопические грибы, гифы которых активно растут, удлиняются и, в конце концов, покрывают все поверхность камня. Таким образом, порода постепенно разрушается.