Выветривание
Содержание:
Индивидуальные доказательства
- Ганс Георг Вундерлих : Введение в геологию. Том 1: Экзогенная динамика (= университета BI 340 / 340a, ). Bibliographisches Institut, Mannheim, 1968, стр. 39.
- Герберт Луи , Клаус Фишер: Allgemeine Geomorphologie (= учебник общей географии. Том 1). 4-е, обновленное и дополненное издание. де Грюйтер, Берлин и др. 1979, ISBN 3-11-007103-7 , стр. 113 и далее.
- Франк Анерт: Введение в геоморфологию. 4-е издание. Ulmer (UTB), Штутгарт 2009, ISBN 978-3-8252-8103-8 , стр. 297.
- Si-Liang Li, Damien Calmels, Guilin Han, Jérôme Gaillardet, Cong-Qiang Liu: Серная кислота как агент карбонатного выветривания, ограниченная δ 13 C DIC : Примеры из Юго-Западного Китая. Письма о Земле и планетологии. Vol. 270, No. 3–4, 2008, pp. 189–199, doi : (альтернативный
- Фрэнк Дж. Стивенсон: Химия гумуса. Генезис, состав, реакции. 2-е издание. John Wiley & Sons, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк и др. 1994, ISBN 0-471-59474-1 , стр. 474.
- Фрэнсис Джордж Генри Блит, Майкл Х. Де Фрейтас: геология для инженеров. 7-е издание. Арнольд, Лондон 1984, ISBN 0-7131-2882-8 , стр.31 .
- Грег Джон Реталлак: Почвы прошлого. Введение в палеопедологию. 2-е издание. Blackwell Science, Лондон и др. 2001, ISBN 0-632-05376-3 , стр. 75.
Латеритное выветривание
Выветривание латеритное – процесс преобразования пород в тропической и субтропической климатической зонах, характеризующихся сменой дождливых и сухих и жарких сезонов. При этом происходит разложение алюмосиликатов и силикатов исходных пород, вынос щелочей, щелочных земель и кремнекислоты с накоплением в верхней зоне коры выветривания окислов и гидроокислов Al, Fe, Ti и др. В результате этого процесса образуется зонально построенная латеритная кора выветривания, достигающая мощности в несколько десятков метров. Интенсивность В. л. и мощность коры выветривания зависят от температуры, количества атмосферных осадков, мощности зоны вертикальной фильтрации грунтовых вод, определяемой рельефом и тектоническим режимом района, составом материнских пород (наиболее благоприятны магматические породы основного состава).
Химическое выветривание
Выветривание химическое – процесс преобразования пород и минералов под влиянием растворения, окисления, гидратации, замещения и гидролитического разложения, проявляющихся в изменении их внешнего облика, окраски, минерального и химического составов и свойств. Химическое выветривание наиболее интенсивно развивается в условиях тёплого, жаркого избыточно влажного гумидного климата тропиков и субтропиков. На развитие В. х. существенно влияют наличие и характер растительного покрова, микроорганизмы, продукты их жизнедеятельности и в целом активность биохимических процессов (таблица).
Характеристика химического выветривания пород (по И. И. Гинзбургу)
|
Преобладающие процессы |
Окраска, текстурные особенности и состояние пород |
Особенности состава пород |
|
Окисление и конечный гидролиз |
Бурая, красная, обелённая; текстура часто бобовая, ноздреватая, оолитовая, землистая. Глинистая порода пластичная |
Охры полуторных окислов железа, алюминия и других конечных продуктов выветривания, иногда галлуазита и каолинита |
|
Конечное выщелачивание, развитие гидролиза и слабого окисления (в бедных железом породах) |
Пёстрая, красноватая, пятнистая, зелёная. Заметны следы реликтовой текстуры. Глинистая порода пластичная |
Накопление промежуточных продуктов выветривания – глинистых минералов и других минеральных образований в коллоидно-дисперсном состоянии. Неравномерное распределение гидроксидов. Каолинит (в гранитах), бейделлит, монтмориллонит (в основных породах) |
|
Конечная гидратация силикатов, развитие выщелачивания, начало окисления (в богатых железом силикатах) и начало гидролиза |
Пёстрая, пятнистая, красноватая, зеленоватая и другая более светлая и яркая, чем у исходной породы. Глинистая порода слабопластичная |
Накопление промежуточных продуктов выветривания – глинистых минералов (гидрослюды, гидрохлорита, бейделлита, монтмориллонита, иногда карбонатов) |
Каким образом происходит образование почвы
Возникновение почвы – процесс длительный и сложный. В нем задействовано множество факторов, которые связаны между собой объединяющей основой – временем. На то, чтобы из материнской горной породы получилась более-менее плодородная почва, требуются не годы и даже не столетия. На процесс ее образования природа затрачивает тысячелетия и миллионы лет
Именно поэтому важно осознавать ценность земли и стараться сохранить ее во чтобы то ни стало
Выветривание горной породы
Под этим термином понимается широкое воздействие на горные породы, связанное не только непосредственно с влиянием ветров. Выветривание горных пород происходит за счет комплексного воздействия группы факторов, в результате чего возникает кора и продукты выветривания.
Существуют следующие типы выветривания:
- Механическое, или физическое.
- Химическое.
- Органическое, или биологическое.
- Ионизирующее, или радиационное.
Физическое
Этот тип выветривания связан с воздействием перепадов температур, влияния воды, природных катаклизмов, ветровой эрозии и других факторов. Вода подтачивает горные породы и переносит их на дальние расстояния, замерзание ночью и сильный нагрев днем вызывают растрескивание и разрушение, землетрясения, наводнения и селевые потоки перемешивают минералы, а процесс дальнейшего преобразования дополняют ветра.
С механического выветривания начинается процесс формирования почвенного покрова.
Химическое
Под этим типом выветривания понимается последовательность разнообразных химических процессов, которые продолжают процесс разрушения горных пород, а также запускается их преобразование в совершенно новые соединения и минералы. Постепенно они приобретают особые качества и свойства, образуют принципиально отличающиеся от стартовых веществ минералы.
Биологическое
Этот тип выветривания «запускают» живые организмы. В их перечень входят микроорганизмы (бактерии, вирусы и грибки), простейшие, грибы, лишайники, низшие и высшие растения, а также ряд животных, оказывающих воздействие на почву, например, те, которые роют норы, питаются и обитают под землей.
Первичное почвообразование
Это длительный период развития процесса формирования земли на обнаженной горной породе, представляющий собой комплекс физических, химических и биологических процессов, которые протекают одновременно.
В результате действия такого комплекса процессов формируется основа земли, для которой характерен конкретный состав и характеристики. Они будут в дальнейшем углубляться, изменяться и развиваться.
Развитие почвы
На этом этапе продолжаются основные процессы формирования, к которым добавляется интенсивное воздействие биологических факторов. Наземные экосистемы становятся все более разнообразными и сложными, что приводит к накоплению принципиально новых соединений и компонентов, то есть формируется собственно почва. Она становится основой для жизнедеятельности следующих поколений живых организмов, что продолжает процесс развития и совершенствования, а также появления различных типов грунтов.
Равновесие
Состояние стабильности возникает при завершении формирования почвы и достижении ею зрелости. В этом случае между минеральным компонентом грунта и живыми организмами появляются и закрепляются принципиально иные связи и отношения.
Земля достигает равновесия с климатическими условиями и растительным покровом.
Эволюция
Это изменения уже сформированных, зрелых почв под влиянием эволюции окружающей среды. Так появляются новые типы или подтипы почвы. Эволюция происходит в результате саморазвития грунтов, накопления в них изменений в составе и структуре, включает в себя следующие циклы:
- Биогенный (биологический).
- Биогеоморфологический.
- Биоклиматический.
- Антропогенный.
За последние два столетия роль антропогенного фактора резко выросла. Это значительно усилило нагрузку на почвы и привело к их качественным и количественным изменениям.
Физическое выветривание
Физическое выветривание подразделяется на температурное и морозное.
Температурное выветривание – разрушение горных пород и минералов на поверхности Земли под влиянием колебаний температуры. Известно, что при нагревании и охлаждении твёрдые тела изменяют свой объём. Не являются исключением горные породы и минералы. В результате суточных колебаний температуры в массиве горных пород возникают напряжения двух типов.
Напряжения первого типа (называемые объёмно-градиентными) связаны с неравномерным нагреванием поверхностной и более глубоких частей массива; различие температур (и, соответственно, различное расширение) в этих частях массива приводят к образованию трещин, направленных параллельно его поверхности. Вследствие этого происходит шелушение и отслаивание пород, называемое десквамацией.
Десквамация в слоистой карбонатной породе (плато Лаго-Наки, Большой Кавказ)
Десквамация вулканических пород (вулканический массив Карад-Даг, Крым)
Второй тип напряжений в пределах объёма породы и минерала связан с различием коэффициентов теплового расширения-сжатия минералов. Напряжения этого типа приводят к раскалыванию до уровня минеральных зёрен и далее, по трещинам спайности, до образования частиц размером до сотых долей мм. Быстрее разрушаются темноокрашенные минералы и породы, а также крупнокристаллические полиминеральные породы с большими различиями коэффициентов расширения составляющих их минералов.
Так в процессе температурного выветривания массив пород разрушается с образованием обломочных пород различного размера – от щебня до алевритового материала. Суточные колебания температуры проявляются до глубины 1 м, что определяет максимальную мощность возникающих таким путём обломочных отложений.
Наиболее активно температурное выветривание протекает в пустынях и, в несколько меньшей степени, в нивальных областях и в высокогорных районах, не покрытых снегом. Этому способствует сочетание двух факторов: 1) резкие суточные колебания температуры, достигающие 50оС и 2) обнажённость горных пород ввиду отсутствия растительного покрова и почвенного слоя.
Морозное выветривание – разрушение горных пород в результате периодического замерзания попадающей в трещины воды.
Попадая в трещины, в холодное время суток вода замерзает – превращается в лёд, объём которого, как известно, значительно выше, чем исходный объём воды. Кристаллизующийся лёд оказывает на стенки трещин весьма существенно давление, достигающее 1000 кг/см3 и более, что значительно выше прочности большинства горных пород. Давление льда приводит к расширению трещин и раскалыванию пород на крупные обломки размером от десятков сантиметров до метров в диаметре. Отсутствие более мелкого материала обусловлено тем, что свободная вода не способна проникать в микротрещины.
Наиболее активно морозное выветривание протекает в холодных и умеренных областях с резкими суточными колебаниями температуры, а также в области развития вечной мерзлоты и в зоне деятельности ледников.
Образующиеся в ходе физического и химического выветривания продукты разрушения могут быть перемещены с места своего образования под действием водных потоков, ветра, движущихся ледников и других экзогенных факторов (процесс перемещения продуктов разрушения горных пород называется денудация) или остаться на месте своего образования. Продукты выветривания, залегающие на месте своего образования, называются элювий. К элювию относят продукты выветривания, не смещённые за пределы площади развития материнских пород (субстата за счёт которого они образовались).
В результате физического выветривания образуются особые формы ландшафта. 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 результате создаются элювиальные россыпи и ландшафты беспорядочного нагромождения глыб, получившие название «каменных морей».
Характерным ландшафтом зон физического выветривания являются каменистые пустыни, или, как их называют в Сахаре, гаммады. Гаммады представляют собой нагромождения глыб и щебня, образующиеся за счёт выветривания горизонтально лежащих платов горных пород и выноса ветром пылеватых и песчаных продуктов их разрушения. Краю пластов часто расчленены на останцы конусовидной формы, понижения между которыми заполнены россыпями каменных глыб и щебнем.
Говоря о физическом выветривании необходимо подчеркнуть, что оно приводит к механической дезинтеграции пород и минералов, но не приводит к их химическому преобразованию.
Примеры новообразований посредством химии
В результате химического выветривания из твёрдых пород магматического происхождения (гранитов, базальтов, гнейсов) получаются податливые глины. К числу продуктов окисления, гидролиза, миграции разрушенных частиц вещества относятся также карбонаты, фосфориты, цеолиты, гидроксиды железа, марганца. Некоторые примеры превращений твёрдых камней в рыхлые отложения сведены в таблицу преобразований при химическом выветривании.
| Исходный минерал | Воздействие реагентов | Продукт хим. реакции |
| Пирит — железный, серный колчедан. Твёрдость 6−6,5 по шкале Мооса, цвет — светло-латунный. | Окисление кислородом | Лимонит — бурый железняк. Минерал охряно-жёлтого оттенка до чёрного, тв. 1,5−5,5. Способен впитывать воду. |
| Гематит — красная железная руда. Окрашенность до тёмно-вишнёвого тона, тв. — 5,5−6,5. | Гидратация | Лимонит. Описание выше. |
| Ангидрит — сульфат кальция. Цвет от синеватого до белого, по Моосу — 3−3,5: ногтем не царапается. | То же | Гипс — может быть серым, красноватым, розовым, синим, желтоватым, бесцветным. Твёрдость — 1,5−2. |
| Полевые шпаты — силикатные минералы, основа половины горных пород земной коры. Кристаллы бесцветные, розовые или любой окраски, тв. 6 единиц. | Гидролиз | Каолин, каолинит — белая глина, может впитывать воду. Высокая огнеупорность. Ценное полезное ископаемое. Применяется во многих отраслях народного хозяйства. |
Химическое выветривание в известняках, доломитах, кальцитах происходит быстрее, чем в кварцевых песчаниках, а повышение температуры ускоряет процесс разрушения. Благодаря химическому типу выветривания, в недрах находится много месторождений полезных ископаемых. Часть из них разрабатывается, другие пребывают в государственном резерве, третьи пока ещё не разведаны.
Процессы в зоне гипергенеза
В зоне гипергенеза, соответствующей приповерхностной биокостной части литосферы, выведенные на поверхность либо на дно морского бассейна горные породы стремятся прийти в равновесие с окружающей средой. Основными источниками энергии здесь являются солнечное тепло и в значительно меньшей степени внутренне тепло Земли. Важнейшую роль в гипергенных процессах играют органическое вещество и вода.
Верхней границей служит земная поверхность. Нижняя граница соответствует уровню затухания воздействия на горные породы фотосинтезирующей жизни, что сопровождается резким сокращением содержания кислорода и соответственно изменением химических условий среды (Eh, pH, угнетение процессов окисления, гидролиза, коллоидообразования). Обычная мощность зоны гипергенеза не превышает десятков метров, но иногда гипергенные процессы проявляются на глубинах в сотни и даже первые тысячи метров. Их проявление в глубинных зонах приурочено к зонам трещиноватости, карстовым полостям, поверхностям контактов пород, подземным горным выработкам, сохраняющим связь с земной поверхностью и служащим путями проникновения гипергенных агентов.
В зоне гипергенеза всегда присутствуют два принципиально различных комплекса минеральных образований: 1) материнские породы (субстрат) и 2) продукты гипергенеза.
В зависимости от условий процессы гипергенеза можно разделить на три группы:
поверхностный (или наземный) гипергенез – комплекс явлений и процессов, происходящих непосредственно на поверхности суши или связанных с проникающими в толщи пород инфильтрационными водами;
глубинный (или подземный) гипергенез — комплекс явлений и процессов, происходящих ниже земной поверхности и связанных с воздействием подземных вод, движущихся по водоносным горизонтам или восходящих по проницаемым зонам (заметим, что эти воды также имеют поверхностное происхождение);
подводный гипергенез (или гальмиролиз) — комплекс явлений и процессов, происходящих на дне морей и океанов при взаимодействии морских вод с горными породами.
Формирование продуктов поверхностного гипергенеза связано с процессами выветривания.
Выветривание – это процесс изменения и разрушения минералов и горных пород на земной поверхности под воздействием физических, химических и органических факторов.
В зависимости от того, какие факторы обуславливают процессы преобразования пород, выветривание можно подразделить на физическое (или механическое) и на химическое. Биогенные процессы, очень широко проявленные в процессах выветривания, проявляются как в механическом, так и в химическом воздействии на минеральный субстрат. Механическое разрушение пород при биогенном выветривании осуществляется, например, корнями растений, расширяющими трещины, или роющими организмами (черви, муравьи, термины, суслики, кроты и др.). Биохимические процессы активно воздействуют на минеральное вещество как в процессе жизнедеятельности (например, лишайники извлекают минеральные вещества из минералов, что приводит к разрушению последних), так и поставляя химически активные соединения в процессе разложения (органические кислоты, возникающие при разложении опавшей листвы и пр.).
Взаимодействие минерального и органического вещества приводит к возникновению почвы.
Типы выветривания
Различают несколько типов выветривания, которые могут преобладать в разной степени:
- физическое, или механическое (трение, лёд, вода и ветер);
- химическое;
- биологическое (органическое);
- радиационное (ионизирующее).
Физическое, или механическое
«Гора смерти» около парка «Корниш» в Серово в Санкт-Петербурге
«Арка» в штате Юта (США), пример механического выветривания
Чем больше разница температур в течение суток, тем быстрее происходит процесс выветривания. Причиной механического выветривания также является попадание в трещины воды, которая при замерзании увеличивается в объёме на 1/10, что способствует ещё большему выветриванию породы.
Если глыбы горных пород попадут, например, в реку, то там они медленно стачиваются и измельчаются под воздействием течения. Селевые потоки, ветер, сила тяжести, землетрясения, извержения вулканов также содействуют физическому выветриванию горных пород.
Механическое измельчение горных пород приводит к пропусканию и задерживанию породой воды и воздуха, а также значительному увеличению площади поверхности, что создаёт благоприятные условия для химического выветривания. В результате катаклизмов с поверхности могут осыпаться породы, образуя плутонические породы. Всё давление на них оказывают боковые породы, из-за чего плутонические породы начинают расширяться, что ведёт к рассыпанию верхнего слоя пород.
Химическое
Скалы у Колыванского озера, Алтайский край
Химическое выветривание — это совокупность различных химических процессов, в результате которых происходит дальнейшее разрушение горных пород и качественное изменение их химического состава с образованием новых минералов и соединений.
Важнейшими факторами химического выветривания являются вода, углекислый газ и кислород. Вода — энергичный растворитель горных пород и минералов.
Основная химическая реакция воды с минералами магматических пород — гидролиз — приводит к замене катионов щелочных и щелочноземельных элементов кристаллической решётки на ионы водорода диссоциированных молекул воды:
Образующееся основание (KOH) создаёт в растворе щелочную среду, при которой происходит дальнейшее разрушение кристаллической решётки ортоклаза. При наличии углекислого газа KOH переходит в форму карбоната:
Взаимодействие воды с минералами горных пород приводит также и к гидратации — присоединению частиц воды к частицам минералов. Например:
В зоне химического выветривания также широко распространена реакция окисления, которой подвергаются многие минералы, содержащие способные к окислению металлы. Ярким примером окислительных реакций при химическом выветривании является взаимодействие молекулярного кислорода с сульфидами в водной среде.
Так, при окислении пирита наряду с сульфатами и гидратами окислов железа образуется серная кислота, участвующая в создании новых минералов.
12FeSO4+6H2O+3O2=4Fe2(SO4)3+4Fe(OH)3;
2Fe2(SO4)3+9H2O=2Fe2O3·3H2O+6H2SO4
Биогенное
Биогенное выветривание производят живые организмы (бактерии, грибки, вирусы, роющие животные, низшие и высшие растения, лишайники). В процессе своей жизнедеятельности они воздействуют на горные породы механически (разрушение и дробление горных пород растущими корнями растений, при ходьбе, рытьё нор животными). Особенно большая роль в биогенном выветривании принадлежит микроорганизмам.
Радиационное
Радиационным выветриванием называется разрушение пород под действием радиационного, или солнечного, излучения. Радиационное выветривание оказывает влияние на процессы химического, биологического и физического выветривания. Характерным примером породы, подверженной радиационному выветриванию, может служить реголит на Луне.
Продукты выветривания
Согласно традиционным представлениям остаточные, остающиеся на месте продукты выветривания, называются элювием. Этот термин использовался для обозначения рыхлых обломочных накоплений разного механического состава от глыб до глин, твердых продуктов – метасоматитов, инсоляционных образований (панцири, кирасы, калькреты, корки, горизонты). Последняя группа новообразований, порожденных выветриванием, сочетанием процессов разложения, выщелачивания (элювиирование – вымывание) и синтеза, по В. Т. Фролову называется хемоэлювием. К этой группе относятся и остаточные твердые продукты выветривания, слагающие шляпы соляных структур, железные шляпы зон окисления сульфидных месторождений. Общей характерной особенностью подобных геологических тел, сформированных в результате выветривания, является переход к породам неизменным и сохранение в той или иной степени структурных особенностей коренной породы (структурный элювий по Л. Б. Рухину).
Образование продуктов выветривания происходит на фоне естественноисторической эволюции земной коры, ее структур, форм рельефа, климата, тектонического режима. Непосредственным элементом выветривания является удаление его продуктов с места разложения пород с образованием переотложенных скоплений, разнотипных по способу переноса, механизму отложения и обстановкам седиментации. Удаление продуктов выветривания с места их образования под действием сил гравитации, ветра, водных потоков, движущихся ледников называется эрозией. Содержание этого понятия разными школами литологов понимается по разному.
Иногда вместо термина «эрозия» употребляется термин «денудация», означающий выветривание и снос. Денудация объединяет совокупность процессов, обуславливающих понижение и сглаживание земной поверхности в результате выветривания, эрозии, выноса и транспортировки материала, а также совместное разрушающее действие этих процессов. Вынос продуктов дезинтеграции пород, в том числе растворимых (элювиирование), является ее важным элементом, иначе из-за скопления разрушенного материала дальнейший процесс выветривания прекратится. Экзогенные геологические процессы способствуют мобилизации продуктов выветривания с последующим отложением. В этом плане выветривание – один из главных ландшафтнообразующих факторов, действие которого приводит к нивелировке (пенепленизации) земной поверхности. Самостоятельным геологическим образованием, порожденным процессом выветривания, являются почвы – верхний плодородный породный слой, формирующийся при существенном участии биоса в процессах выветривания, содержащий горизонт обогащения продуктами разложения, в основном, растительной биомассы.
Выветривание имеет два аспекта. С одной стороны это раздробление материнских пород, или физическое выветривание. Но процесс разрушения породы может состоять из химического разложения с участием реакций обмена, растворения, выщелачивания, окисления, гидратации, составляющих содержание выветривания химического. Обычно эти два основных типа выветривания сочетаются в разных пропорциях, причем физическое выветривание подготавливает горные породы к химическому выветриванию.
Особенности радиационного выветривания
Одним из самых опасных является процесс радиационного воздействия. Он характеризуется высокой интенсивностью и длительностью, причем во многих случаях остановить его просто невозможно. Но тут же стоит выделить естественное солнечное излучение, которое входит в группу радиационных факторов, и техногенные процессы. Во втором случае выветривание пород происходит в результате человеческой деятельности. Классическим примером является работа полигонов, на которых хранятся токсически опасные отходы. Соответственно, ближайшие массивы с горными породами будут подвергаться и разрушающему воздействию, и активным факторам разложения.
