Силы выветривания. Гипергенные процессы

Выветривание

процесс разрушения и изменения горных пород в условиях земной поверхности под влиянием механического и химического воздействия атмосферы, грунтовых и поверхностных вод и организмов. По характеру среды, в которой происходит В., различают атмосферное и подводное (см. Гальмиролиз). По роду воздействия В. на горные породы различают: физическое В., ведущее только к механическому распаду породы на обломки; химическое В., при котором изменяется химический состав горной породы с образованием минералов, более стойких в условиях земной поверхности; органическое (биологическое) В., сводящееся к механическому раздроблению или химическому изменению породы в результате жизнедеятельности организмов. Своеобразным типом В. является почвообразование, при котором особенно активную роль играют биологические факторы. В. горных пород совершается под влиянием воды (атмосферные осадки и грунтовые воды), углекислоты и кислорода, водяных паров, атмосферного и грунтового воздуха, сезонных и суточных колебаний температуры, жизнедеятельности макро- и микроорганизмов и продуктов их разложения. На скорость и степень В., мощность продуктов В. и на их состав, кроме перечисленных агентов, влияют также рельеф и геологическое строение местности, состав и структура материнских пород. Подавляющая масса физических и химических процессов В. (окисление, сорбция, гидратация, коагуляция) происходит с выделением энергии. Обычно виды В. действуют одновременно, но в зависимости от климата тот или иной из них преобладает. Физическое В. происходит главным образом в условиях сухого и жаркого климата и связано с резкими колебаниями температуры горных пород при нагревании солнечными лучами (инсоляция) и последующем ночном охлаждении; быстрое изменение объёма поверхностных частей пород ведёт при этом к их растрескиванию. В областях с частыми колебаниями температуры около 0°С механическое разрушение пород происходит под влиянием морозного В.; при замерзании воды, проникшей в трещины, объём ее увеличивается и порода разрывается. Химические и органические В. свойственны главным образом пластам с влажным климатом. Основные факторы химического В. - воздух и особенно вода, содержащая соли, кислоты и щелочи. Водные растворы, циркулирующие в толще пород, помимо простого растворения, способны производить также сложные химические изменения.

Физические и химические процессы В. происходят в тесной взаимосвязи с развитием и жизнедеятельностью животных и растений и действиям продуктов их распада после смерти. Наиболее благоприятными для образования и сохранения продуктов В. (минералов) вместе являются условия тропического или субтропического климата и незначительное эрозионное расчленение рельефа. При этом толще горных пород, подвергшихся В., свойственна (в направлении сверху вниз) геохимическая зональность, выраженная характерным для каждой зоны комплексом минералов. Последние образуются в результате следующих друг за другом процессов: распада пород под влиянием физического В., выщелачивания оснований, гидратации, гидролиза и окисления. Эти процессы часто идут до полного разложения первичных минералов, вплоть до образования свободных окислов и гидроокислов. В зависимости от степени кислотности - щёлочности среды, участия биогенных факторов образуются минералы различного химического состава: от устойчивых в щелочной среде (в нижних горизонтах) до устойчивых в кислой или нейтральной среде (в верхних горизонтах). Разнообразие продуктов В., представленных различными минералами, определяется составом минералов первичных горных пород. Например, на ультраосновных породах (Серпентинит ах) верхняя зона представлена породами, в трещинах которых образуются карбонаты (Магнезит , Доломит), керолиты, сепиолит. Далее следуют горизонты: карбонатизации (кальцит, доломит, Арагонит), в верхней части которого по трещинам могут образоваться никелевые керолиты, Гарниерит , гидролиза, с которым связано образование Нонтронит а и накопление никеля (NiO до 2,5%): окремнения (Кварц , Опал , Халцедон). Зона конечного гидролиза и окисления сложена гидрогётитом (охристым), Гётит ом, Магнетит ом, окислами и гидроокислами марганца (никель и кобальтсодержащими). С процессами В. этого типа пород связаны крупные месторождения никеля, кобальта, магнезита и природно-легированных железных руд.

На карбонатитах (См. Карбонатиты), первично состоящих более чем на 90% из Кальцит а, Анкерит а или Сидерит а и небольшого количества минералов-примесей (пироксенов (См. Пироксены), амфиболов (См. Амфиболы), тантало-ниобатов (См. Тантало-ниобаты) и редкоземельных минералов), конечные продукты В. становятся рыхлыми. В результате окисления карбонатов накапливаются гидроокислы железа, а окислы кальция и магния подвергаются существенному выносу, что приводит к увеличению содержания минералов-примесей, устойчивых в гипергенных условиях. В связи с этим свежие карбонатиты даже при ничтожном содержании ниобия, тантала, редких земель и фосфора при В. могут дать промышленные месторождения этих элементов. При В. угля (физическом) происходят его разрыхление до образования угольной сажи, потеря блеска, изменение мощности пластов; в составе углей при химическом В. содержание углерода, водорода уменьшается, а кислорода в органической массе увеличивается, кроме того, увеличивается влажность угля, понижается способность его к спеканию, уменьшается теплопроводность.

В тех случаях, когда продукты В. не остаются на месте своего образования, а уносятся с поверхности выветривающихся пород водой или ветром, нередко возникают своеобразные формы рельефа, зависящие как от характера В., так и от свойств горных пород, в которых процесс как бы проявляет и подчеркивает особенности их строения. Для изверженных пород (гранитов, диабазов и др.) характерны массивные округлённые формы В.; для слоистых осадочных и метаморфических - ступенчатые (карнизы, ниши и т.п.). Неоднородность пород и неодинаковая устойчивость их различных участков против В. ведёт к образованию останцов в виде изолированных гор, столбов, башен и т.п. Во влажном климате на наклонных поверхностях однородных сравнительно легко растворимых в воде пород, например, известняков, стекающие воды разъедают неправильной формы углубления, разделённые острыми выступами и гребнями, в результате чего образуется неровная поверхность, известная под названием карров (См. Карры). В процессе перерождения остаточных продуктов В. образуется много растворимых соединений, которые сносятся грунтовой водой в водные бассейны и входят в состав растворённых солей или выпадают в осадок. Процессы В. приводят к образованию различных осадочных пород и многих полезных ископаемых: каолинов, охр, огнеупорных глин, песков, руд железа, алюминия, марганца, никеля, кобальта, россыпей золота, платины и др., зон окисления колчеданных месторождений с их полезными ископаемыми и др.

Лит.: Гинзбург И. И., Образование древней коры выветривания на территории СССР, её минералы и их свойства, в кн.: Труды юбилейной сессии, посвященной 100-летию со дня рождения В. В. Докучаева, М. - Л., 1949; Казанский Ю. П., Выветривание и его роль в осадконакоплении, М., 1969: Выветривание и литогенез, М., 1969.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Синонимы :

Смотреть что такое "Выветривание" в других словарях:

ВЫВЕТРИВАНИЕ, в геологии и физической географии разрушение и химическое изменение горных пород и минералов на поверхности Земли в результате физических, химических и органических процессов. Влияет на образование почвы и играет основную роль в… … Научно-технический энциклопедический словарь

Выветривание - Совокупность процессов физического, химического и биологического разрушения минералов и горных пород верхней части литосферы под влиянием колебаний температуры, влажности, воздействия газов (атмосферных и растворенных в воде), растений и т.п.… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

ВЫВЕТРИВАНИЕ, выветривания, мн. нет, ср. 1. Действие по гл. выветривать. Выветривание дурного запаха из комнаты. 2. Действие по гл. выветриваться (геол.). Выветривание шпата и гранита. Толковый словарь Ушакова. Д.Н. Ушаков. 1935 1940 … Толковый словарь Ушакова

Основа почвообразовательного процесса, заключающаяся в превращении твердых горных пород в рыхлые образования. Разрушению породы, лежащей в основании почвенного горизонта или же на недавно обнажившейся поверхности, способствуют физические… … Экологический словарь

Процесс изменения и разрушения минералов и г. п. на поверхности Земли под воздействием физ., хим. и орг. агентов. Различают физ. (механическое) и хим. В. Некоторые выделяют также орг. В. Физическое В. происходит под воздействием изменения… … Геологическая энциклопедия

Акватолиз, гарь, исчезание, исчезновение, латеритизация, гальмиролиз Словарь русских синонимов. выветривание сущ., кол во синонимов: 8 акватолиз (2) … Словарь синонимов

выветривание - Процесс изменения и разрушения минералов и горных пород на поверхности Земли под воздействием физических, химических и органических агентов. [Терминологический словарь по строительству на 12 языках (ВНИИИС Госстроя СССР)] [Словарь геологических… … Справочник технического переводчика

Процесс разрушения и химического изменения горных пород в условиях земной поверхности или вблизи нее под влиянием колебаний температуры, химического и механического воздействия атмосферы, воды и организмов. Различают физические (механические),… … Большой Энциклопедический словарь

Выветривание – это процесс разрушения и изменения состава пород вследствие колебаний температуры, замерзания и оттаивания воды, химического воздействия воды, растворенных в ней газов, кислот и щелочей, под действием ветра, растений и животных и др. Выветривание наиболее интенсивно протекает на поверхности земли, но распространяется и в глубину, особенно по зонам ослабления в породах – трещинам, разломам.

Различают выветривание физическое, химическое и биологическое или органическое. Физическое выветривание преобладает в условиях резко континентального или холодного климата и его значение состоит в раздроблении, дезинтеграции пород (см. обломочные ОГП). При химическом выветривании меняется минералогический состав пород. Активные реагенты при этом – вода, кислород, углекислота, органические кислоты. Наиболее общие процессы химического выветривания - растворение, гидратация, окисление, гидролиз; некоторые процессы называют по характеру образующихся при этом минералов: каолинизация, карбонизация, серпентинизация и др. Биологическое или органическое выветривание, связывая его с действием живых организмов; примеры биологического выветривания – действие корней растений, мхов и лишайников, животных - землероев, различных микроорганизмов.

В природе все виды выветривания протекают совместно, при определяющем влиянии того или другого, в зависимости от конкретных условий – климатических, геологических, гидрогеологических и др.

6.2. Кора выветривания и элювиальные отложения

В результате выветривания породы изменяются на некоторую глубину – обычно несколько метров, а в районах тропического климата до 100 метров. Эта зона сильно измененных пород вместе с почвой называется корой выветривания. Крупнообломочные и песчано-глинистые породы коры выветривания представляют собой элювиальные отложения или элювий. В общем случае кора выветривания имеет следующее строение (рис.6.1). Цифрами указаны:

1 – невыветрелая (материнская) порода; 2 – глыбовая зона, то есть выветрелая трещиноватая порода (вплоть до разборной скалы – рухляка); 3 – зона грубого дробления - крупнообломочный грунт (щебень, дресва с песчано-глинистым заполнителем); зона тонкого дробления: 4 – песок; 5 – глинистая порода; 6 – почва; 7 – уровень сноса пород (базис денудации а-а) или дно котлована; 8 – трещины выветривания; 9 – «острова» элювия среди разборной скалы.

Рис. 6.1. Кора выветривания:

1 – материнская порода; 2 – выветрилая скала; 3 – крупнообломочный грунт; 4 – песок; 5 – глинистая порода; 6 – почва; 7 – базис денудации;

8 – трещины выветривания; 9 – «острова» элювия среди скального грунта

Исходя из условий образования, элювиальные отложения представлены крупнообломочными, песчаными и глинистыми породами и характеризуются следующими свойствами:

Обломки имеют неокатанную, угловатую форму (щебень, дресва, хрящ); поверхность песчаных частиц шероховатая, что связано с отсутствием переноса материала;

Слоистость отсутствует, имеет место постепенный переход одной зоны в другую (рис.6.1);

Неоднородность механического состава;

Минералогический состав элювия связан с подстилающей материнской породой;

Наибольшее распространение и мощность элювия характерны для невысоких плоских водоразделов и отрицательных форм рельефа (понижений), где слабо проявляется денудация;

Нижняя граница элювия обычно неровная из-за разнообразия влияющих на выветривание факторов.

Возможность использования элювия в качестве основания сооружения зависит от мощности и вида грунта, его состава и состояния, а также от действующих нагрузок. Здания и сооружения с умеренными нагрузками успешно возводятся на элювиальных грунтах, особенно в районах широкого их распространения (Урал, Дальний восток). С другой стороны, для тяжелонагруженных особо ответственных сооружений (плотины, опоры мостов и др.) может потребоваться полное удаление выветрелых пород. Например, при возведении плотины Братской ГЭС снималось 1,5 метра верхней части слоя диабаза – основания плотины.

Особый характер имеет выветривание глинистых пород, происходящее в котлованах, откосах, подземных выработках. Увеличение влажности вызывает набухание породы с нарушением цементационных связей. Подсыхание приводит к усадке с появлением трещин. Аналогичные результаты может дать снятие части природной нагрузки (например, при отрывке котлована). Все такие изменения приводят к разупрочнению грунта и последующему разрушению. Это характерно и для таких полускальных пород, как аргиллиты, глинистые сланцы, мергели, опоки и др. Поэтому в строительных технологиях не допускаются длительные перерывы между разработкой котлована и бетонированием фундамента.

Выветривание – всеобщий процесс, действующий и на материалы искусственных сооружений, откосы выемок и насыпей и т.д. Защита от выветривания достигается нанесением на поверхности пород и материалов стойких покрытий или пропиткой их различными вяжущими.

Магматические и метаморфические породы при выходе на поверхность подвергаются разрушению. Они измельчаются, превращаются в рыхлые породы, изменяется их химический состав.

Выветриванием называют процесс механического разрушения и химического изменения горных пород и составляющих их минералов. На горную породу совместно воздействуют живые организмы, вода, газы и колебания температур. Все эти факторы оказывают на породу разрушающее действие одновременно. В зависимости от преобладающего фактора различают три формы выветривания: физическое, химическое и биологическое. Вместе с тем следует иметь в виду, что всякое изменение химического состава породы приводит к изменению ее физических свойств.

Физическое выветривание - это механическое разрушение горных пород без изменения химического состава. Главный фактор физического выветривания - колебание суточных и сезонных температур. При нагревании происходит расширение минералов, входящих в горную породу. Поскольку различные минералы имеют разные коэффициенты объемного и линейного расширения, возникает местное давление, разрушающее породу. Этот процесс происходит в местах контакта различных минералов и пород. При чередовании нагревания и охлаждения между кристаллами образуются трещины. Проникая в мелкие трещины, вода создает такое капиллярное давление, при котором даже самые твердые породы разрушаются. При замерзании воды эти трещины увеличиваются. В условиях жаркого климата в трещины попадает вода вместе с растворенными солями, кристаллы которых также разрушающе действуют на породу. Таким образом, в течение длительного времени образуется множество трещин, приводящих к полному механическому разрушению горной породы. Разрушенные породы приобретают способность пропускать и удерживать воду. В результате раздробления массивных пород сильно увеличивается общая поверхность, с которой соприкасаются вода и газы, что обусловливает протекание химических процессов.

Химическое выветривание приводит к образованию новых соединений и минералов, отличающихся по химическому составу от первичных минералов. Оно осуществляется под воздействием воды с растворенными в ней солями и диоксидом углерода, а также кислорода воздуха. Химическое выветривание включает следующие процессы: растворение, гидролиз, гидратацию, окисление. Растворяющее действие воды усиливается с повышением температуры. При повышении ее на каждые 10 °С скорость химических реакций увеличивается в 2,0...2,5 раза. Если в воде содержится диоксид углерода, то в кислой среде минералы разрушаются быстрее.

Так, растворимость известняка резко усиливается вследствие перехода СаСО 3 в более растворимый гидрокарбонат:

СаСO 3 + СO 2 + Н 2 O = Са(НСO 3) 2 .

Гидролиз - основная химическая реакция минералов магматических пород с водой. При этом катионы калия, натрия, кальция и магния в кристаллической решетке алюмосиликатов замещаются водородными катионами воды.

Гидратация - процесс присоединения молекул воды к минералам.

При гидратации происходит разрыхление поверхности минералов, благодаря чему усиливается воздействие на них водных растворов и газов.

Окисление - процесс, связанный с действием атмосферного кислорода на минералы, содержащие оксид железа (II) или другие элементы, способные к окислению, например:

4FeCO 3 + ЗН 2 O + O 2 = 2Fe 2 O 3 ЗН 2 O + 4СO 2 .

В результате выветривания магматических пород образуются оксиды, переотложенные осадки и растворимые соли.

Биологическое выветривание - это механическое разрушение и химическое изменение горных пород под воздействием живых организмов и продуктов их жизнедеятельности. Этот вид выветривания связан с почвообразованием. Если при физическом и химическом выветривании происходит только превращение магматических горных пород в осадочные, то при биологическом выветривании образуется почва, в ней накапливаются элементы питания растений и органическое вещество.

В почвообразовательном процессе участвуют бактерии, грибы, актиномицеты, зеленые растения, а также различные животные (дождевые черви, землеройные животные, насекомые и др.). Горные породы разлагают и многочисленные микроорганизмы. Так, нитрифицирующие бактерии образуют сильную азотную кислоту, а серобактерии - серную кислоту, которые энергично разлагают алюмосиликаты и другие минералы. Силикатные бактерии, выделяя органические кислоты и диоксид углерода, разрушают полевые шпаты, фосфориты и переводят калий и фосфор в форму, доступную для растений.

Водоросли (диатомовые, сине-зеленые, зеленые и др.) также разрушают горные породы. Особенно велика роль диатомовых водорослей, которые для построения своего скелета извлекают из алюмосиликатов кремниевую кислоту.

Лишайники, поселившиеся на горных породах, разрушают их посредством выделения специфических лишайниковых кислот и диоксида углерода. Кроме того, гифы лишайника способны проникать в тончайшие поры горных пород, что приводит к их физическому разрушению. Под лишайниками происходит некоторое накопление фосфора, калия, серы и других элементов, наличие которых обусловливает поселение на их месте мхов, а затем и высших растений. Мхи задерживают много влаги, что еще усиливает разрушение пород.

Зеленые растения выделяют органические кислоты и другие биогенные вещества, которые взаимодействуют с минеральной частью, образуя сложные органо-минеральные соединения. Корневые системы избирательно усваивают зольные элементы. После отмирания растений в верхних почвенных горизонтах происходит накопление азота, фосфора, калия, кальция, серы и других биогенных элементов. Кроме того, корни растений, особенно древесных, проникая в глубь горных пород по трещинам, оказывают давление на породы и разрушают их механически.

Таким образом, под влиянием физического, химического и биологического выветривания горные породы, разрушаясь, обогащаются мелкоземом, глинистыми и коллоидными частицами, приобретают поглотительную способность, становятся влагоемкими, водо- и воздухопроницаемыми; в них накапливаются элементы питания растений и органическое вещество. Это приводит к возникновению существенного свойства почвы - плодородия, которого не имеют горные породы.

Первое, что приходит в голову, когда слышишь «выветривание» - ужасно сильный ветер, разрушающий все на своем пути. Думаю, что хоть это и не связано с ужасными ветрами, сила явления огромна, ведь она меняет облик нашей планеты до неузнаваемости. Что ж, попробую объяснить, что же это за сила.

Выветривание и его виды

Под этим термином подразумевается процесс, при котором под воздействием извне породы деградируют и разрушаются. Этот процесс не прекращается и приводит к глобальному изменению в очертаниях земной коры. Факторы, которые обуславливают это явление, достаточно разнообразны: от обычной воды до влияния атмосферы. Однако в большинстве случаев наблюдается совокупность ряда факторов, что в итоге приводит к истощению горной породы. Науке известны следующие разновидности выветривания:

• химическое;
• физическое;
• органическое.

Выветривание органическое

Причина - живые организмы. Например, корни способны дробить породу, а лишайники выделяют кислоты, тем самым, внося свою лепту. И крупные, и мелкие животные делают норы, например, некоторые птицы просто выдалбливают ниши для гнезд. Останки органики разлагаются, а это тоже сопровождается выделением кислот.

Химическое и физическое выветривание

При контакте с химическими элементами горные породы вступают в реакцию, что приводит к изменениям их структуры. Подобные процессы, в основном, характерны для экваториальных районов и тропических широт. Здесь сказывается воздействие дождевой воды, которая содержит химически активные вещества. Конечным результатом становится накопление в водоемах осадка, где формируются полезные ископаемые.

Что касается выветривания физического, то здесь главная роль отводится температуре, вернее, ее колебаниям. К примеру, нагревшись на солнце, скалы расширяются, хоть это и не видно невооруженным глазом, а с наступлением прохладной ночи происходит обратное.

В результате появляются практически неразличимые трещинки, в которые устремляется влага. В конце концов, она разрывает породу, как обычную бутылку с водой, оставленную на морозе.

Выветривание – это совокупность процессов физического, химического, биологического разрушения, разложения магматических, метаморфических, древних осадочных пород на поверхности земной коры или вблизи нее, формирующих исходный материал для образования осадков, осадочных пород и остаточные образования, слагающие коры выветривания.

Выветривание отражает взаимодействие двух ведущих противоположных начал – дифференциации исходных пород и интеграции полученных компонентов, составляющих основу комплекса явлений литогенеза в зоне господства низких давлений, температур при обилии воды и кислорода, в условиях поверхностной части литосферы.

В ходе выветривания происходит дезинтеграция породы, разделение ее на составные части под действием различных факторов и сил. Но выветривание это не только дробление (кластогенез), фракционирование, дифференциация исходных пород, подготовка материала к последующему осадко- и породообразованию, перевод его в состояние и формы, способные к перемещению различными способами с последующим концентрированием в бассейнах седиментации различного типа. Это и способ созидания новых геологических тел, таких как наземные и подводные коры выветривания, почвы, способ образования пород и полезных ископаемых. При этом выветривание, как способ создания новых геологических тел, включает преобразования, процессы, характерные для формирования типично осадочных пород.

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.

Виды выветривания

Физическое выветривание

Физическое выветривание – это дробление материнских пород, их дезинтеграция без существенного изменения состава минеральных зерен. Такое выветривание характерно для Арктики, Антарктики, горных районов, областей аридных зон – пустынь, полупустынь со скудным содержанием влаги в почве, весьма малым годовым количеством осадков при сильном солнечном нагреве, со значительным колебанием суточных и сезонных температур.

Физическое выветривание происходит, в основном, под действием изменения температуры, замерзания-оттаивания воды, действия сверлящих (роющих) животных, животных, корневой системы растений, кристаллизации содержащихся в капиллярной воде солей. Существенных изменений состава обломков при этом не происходит.

Рис. 1. Мансийские болваны, образовавшиеся в результате физического выветривания. © Aleksandr Chazov

Среди факторов выветривания отмечается, в первую очередь, изменение температуры – суточные, сезонные.

Горные породы являются агрегатом зерен различного состава, которые по разному реагируют на изменение температуры. Они обладают отличающимися коэффициентами объемного и линейного расширения, т.е. при нагревании на 1⁰С увеличивают свой объем или длину на разную величину. Например, у кристаллов кальцита по направлениям, параллельным оси симметрии третьего порядка и перпендикулярным к этой же оси, коэффициенты различаются существенно, составляя 25,6·10 -6 и 5,5·10 -6 соответственно. Не менее значительны различия этих коэффициентов у разных минеральных индивидов. Так у кварца он составляет 3,1·10 -4 , у ортоклаза – 1,7·10 -3 . При нагревании гранитной породы до 50⁰С размер каждого зерна кварца увеличивается на 15%. Поскольку температура в течение чуток меняется, то различия в коэффициентах объемного и линейного расширения приводят к ослаблению связей между зернами. Порода растрескивается и делится на обломки.

При физическом выветривании действуют и силы кристаллизации. Вода при замерзании, превращаясь в лед, увеличивает свой объем на 9%. При этом порода как бы расклинивается по трещинам и разрушается. Отмечается также влияние тектонических напряжений. Под их воздействием пласты пород изгибаются, сминаются с образованием разрывов, трещинноватости, т.е. происходит нарушение целостности породы. Ударное действие волны, абразия , и ветра, корразия – важные факторы физического выветривания. Волны морского прибоя и течения приводят к механическому разрушению коренных пород. Ударная волна, несущая камни, песчинки, действует на породы берега, вызывая их обрушение и растворение. Подводная абразия действует на дне озер, морей, океанов, на глубинах до нескольких десятков метров в озерах, морях и до 100 и более метров в океанах. Явление абразии и корразии – механическое разрушение, шлифование, истирание поверхности породы при трении и столкновении с твердыми частицами пород, происходят не только за счет переноса частиц движением воды, но и при переносе ветром, льдом, при перемещении под действием силы тяжести. Эрозионная деятельность льда проявляется в Арктике, в Антарктике, в хонах высоких широт, в высокогорьях. Льды, сползая, истирают и дробят породы.

Составной частью физического выветривания, эрозии и денудации является действие гравитационных факторов, определяющих начальную дифференциацию обломочного материала. Более крупные обломки накапливаются на склонах, у подножий, в понижениях рельефа. Более мелкие уносятся водой, ветром иногда на сотни километров от разрушающего массива.

В зависимости от ведущего фактора, определяющего процессы разрушения пород, выделяется несколько разновидностей физического выветривания – морозное, снежное, инсоляционное (в пустынях), биологическое, ледовое. При механическом выветривании действует комплекс процессов, характерный и для химического разложения, но при резком преобладании физического разрушения горных пород. Не перемещенные продукты, в виде разновеликих обломков, остаются на месте разрушения с постепенным переходом в неизменную породу, образуя физический элювий . В. Т. Фролов называет такой элювий каменистыми развалами или каменными руинами . Мощность слоя физического элювия различна и может достигать 30-40 м.

К числу остаточных образований относятся остающиеся на месте грубообломочные продукты механического дробления пород – перлювий после вымывания или выдувания тонких частиц, мелкозема. Образование перлювия происходит при участии течений, волнений, деятельности ветра, грунтовых вод. При этом могут образоваться скопления конкреций, фаунистических остатков, тяжелых минералов. В. Т. Фролов считает их горизонтами конденсации по механизму накопления компонентов, сходному с повышением концентрации элементов при выпаривании.

Химическое выветривание

Это сложные процессы химического разложения горных пород, включающие значительную группу химических реакций, биогенных и биохимических процессов.

Основные факторы данного типа выветривания – вода, углекислота, сильные (серная, азотная), органические кислоты, кислород, сероводород, метан, аммиак, биологическая деятельность. Ведущими процессами являются растворение, выщелачивание, окисление, гидратация, вторичная карбонатизация, гидролиз и пр. происходит вынос из зоны выветривания катионов металлов, щелочей и др. элементов, оксидов, гидроксидов в форме истинных и коллоидных растворов, в виде взвесей тончайших частиц.

Биогенный фактор – важнейший агент влияние на совокупность процессов выветривания, протекающих в обстановке взаимодействия атмосферных, гидросферных и литосферных составляющих. Биомасса оказывает каталитическое воздействие, влияет на явления деградации и синтеза как источник энергии и вещества, создает благоприятную среду для деятельности бактериального микробиоса.

Большую роль при процессах химических разложения играет структура воды, определяющая ее свойства как слабого электролита, диссоциирующего на ионы Н + и ОН — . Установлено, что при температуре 20⁰С ионное произведение воды таково: К В = = 1·10 -14 , где К В – ионное произведение воды в г/ион на литрах. Степень диссоциации воды возрастает с увеличением температуры, что способствует активизации процессов разложения пород. Поскольку вода является электролитом, она растворяет почти все известные минералы.

Существенное значение при процессах химического выветривания играет величина кислотности-щелочности pH, которая показывает концентрацию водородных ионов. Величина pH – обратная логарифму концентрации водородных ионов, меняется в пределах 1-14 и фиксирует реакцию среды: от кислой, pH = 1-6, через нейтральную pH = 7 до щелочной pH = 8-14. Минимальные значения pH характерны для сильнокислых сред, максимальные – для высокощелочных.

От величины pH существенно зависит растворимость таких компонентов как SiO 2 , Al 2 O 3 , Fe(OH) 3 , Al(OH) 3 и др., образующихся, в частности, при химическом выветривании. Гидрат окиси железа растворим, а следовательно может переноситься водными растворами только в кислой среде при pH = 1-4. Нейтрализация растворов вызывает его осаждение. Гидрат окиси алюминия Al(OH) 3 растворим как в кислой, так ив щелочной среде, выпадая в осадок при pH = 6-8. Кремнезем SiO 2 растворим в резко щелочной среде, будучи малоподвижным в интервале pH от 3 до 8.

Растворимость определяет возможность переноса многих компонентов и условия их осаждения.

Для реакций, происходящих при выветривании и определяющих вынос соединений с места разложения, важен такой показатель как ионный потенциал и его связь с растворимостью. Ионный потенциал определяется отношением заряда катиона к его ионному радиусу. В соответствии с этим все ионы (по В. М. Гольдшмиту) делятся на 3 группы:

• растворимые – Na + , Ca 2+ , Mg 2+ . Их ионный потенциал равен трем. Не подвергаются гидратации, но диполи воды притягиваются к поверхности этих катионов, образуя сольватные слои. В эту группу также входят катионы калия и цезия;
• катионы-гидролизаты – трехвалентные алюминий и железо, четырехвалентный марганец. Их ионный потенциал больше 3-х. гидратируются по схеме Al 3+ + 3H 2 O = Al(OH) 3 + 3H + ;
• оксианионы 2- , 3- и др., имеющие ионный потенциал 9,5 и более, и возникающие путем диссоциации в воде оснований. Мигрируют обычно в форме гидрокарбонат-иона — и гидрофосфат иона — .

Кроме показателя кислотности-щелочности важным параметром физико-химических условий среды растворения и миграции является окислительно-восстановительный потенциал Eh. Считается, что равный нулю окислительно-восстановительный потенциал (ОКВ) соответствует реакции диссоциации водорода: Н 2 = 2Н + + 2е. значение ОКВ, при котором существует двухвалентное железо, соответствует 0,44 в. Для двухвалентной меди 0,35 в. поэтому реакция сернокислой меди с самородным железом сопровождается образованием самородной меди с одновременным превращением атома железа в катион: CuSO 4 + Fe = FeSO 4 +Cu.

Особую роль в процессах химического играют продукты разрушения органического вещества, прежде всего растительных остатков. В результате образуются гуминовые кислоты. Они создают кислую реакцию среды и участвуют в химическом разложении силикатов. С катионами ряда металлов гуминовые кислоты образуют комплексные анионы – гуматы, что способствует выносу этих элементов из продуктов выветривания в форме коллоидных растворов. Кроме того, присутствие органического вещества создает восстановительную среду, а растворимость многих закисных соединений выше, чем окисных. Микроорганизмы определяют также протекание таких реакций как сульфат-редукция, продуцируют водород, переводят окисное железо в нерастворимое состояние и др.

Большое значение для химического выветривания и выноса его продуктов с места разложения материнских пород принадлежит углекислоте, образующей с некоторыми металлами хорошо растворимые комплексы. Карбонаты металлов при взаимодействии с CO 2 превращаются в бикарбонаты, что значительно повышает их растворимость.

Подводное выветривание

Процессы выветривания происходят не только на суше, но и на дне морей и океанов. Здесь под воздействием минерализованной морской воды, ее температур, давления и газового режима идет разложение горных пород, минералов и создаются элювиальные новообразования, химические, метасоматические и биологические продукты. Данная совокупность химических, биохимических процессов, приводящих к изменению состава минеральных тел, находящихся в море как во взвешенном состоянии, так и на его дне, имеет специальное название – гальмиролиз . Гальмиролизу подвергаются не только минеральные компоненты, поступающие на морское дно с суши, но и продукты вулканических извержений.

Главные факторы подводного разложения – вода, биос, газовый режим, соленость, давление, температура, а слой придонной воды содержит взвешенные частицы и микроорганизмы. Средняя температура зоны подводного разложения более низкая, по сравнению со средней температурой континентальных областей химического выветривания. Давление возрастает по мере увеличения глубины донного осадка от 20 атмосфер на глубине 200 м, до 1000 атмосфер на глубине 10170 м, что влечет за собой рост растворимости твердых веществ и газов, а также активизацию различных химических процессов, влияет на их скорость, направление и эффективность. Заметнее всего изменения давления проявляется в реакциях с участием газов, в частности кислорода и углекислого газа, количество которых в результате понижения температуры и давления на больших глубинах увеличивается, способствуя более энергичному протеканию процессов окисления и карбонатизации. Эффективность гальмиролиза зависит также от скорости накопления осадков и жизнедеятельности организмов, прежде всего бактерий.

Быстрое накопление осадков не способствует развитию процессов подводного выветривания, так как только что осажденный материал лишается длительного контакта с придонной водой изза перекрытия его новым слоем осадочных частиц. Морская вода не успевает оказать на осадок заметного химического воздействия. Известно, что в водоемах, морских, океанических, уменьшение скорости осадконакопления отмечается по мере удаления от береговой линии. Поэтому максимально явления гальмиролиза проявлены в более глубоководных частях бассейна. В литературе (Фролов, 1984, 1995) указывается на образование при гальмиролизе подводных панцирей различного состава – известняковых, доломитовых, железо-марганцевых, фосфатных, пиритных. Мощности их по сравнению с подобными наземными образованиями несколько меньше и составляют, обычно не более 1м. условия образования, по видимому, сходны с таковыми для коры выветривания на суше.

Не исключается вертикальная миграция растворенного вещества и цементация частиц. В результате гидролиза, гидратации, окисления, восстановления, миграции, осаждения при гальмиролизе синтезируются новые минералы – глинистые, цеолиты, карбонаты, гидроксиды железа и марганца, глауконит, шамозит, фосфориты, происходит образование пород, например, фосфатных. Что касается бактериальной микрофлоры и ее роли в подводном выветривании, то признается участие бактерий в процесах гальмиролиза в качестве катализаторов, ускоряющих химические процессы, но не меняющие их общей направленности и продуцирующие собственные продукты.

Таким образом, физико-химические условия среды определяют возникновение и ход подводного выветривания, достигающего максимального развития в условиях малых и нулевых скоростей осадконакопления в глубоководных областях и на подводных хребтах.

Своеобразным видом выветривания является гидротермальная и фумарольная переработка вулканитов и осадочных образований в областях вулканизма. Насыщенность сульфат-ионом, обводненность пирокластических, пепловых осадков, высокая температура и кислая среда, обеспечивающая подвижность глинозема, обуславливает формирование пестроцветного и белоцветного элювия (фумарольно-сольфатарная кора выветривания по А. С. Калугину).

Коры выветривания

Комплекс горных пород, возникших в верхней части земной коры под влиянием различных факторов выветривания, называется корой выветривания. Кора выветривания (КВ) формируется в основном в зоне аэрации и просачивания. По характеру и степени изменения исходных горных пород выделяется несколько геохимических типов кор выветривания, рассмотренных ниже.

Латеритная кора выветривания

Латеритное выветривание сопровождается образованием простых окислов при полном гидролизе силикатов. Такой тип выветривания характерен для влажного климата (тропики, субтропики) при глубоко зашедшем химическом разложении исходной породы. Профиль латеритной коры выветривания по гранитам (описание снизу вверх) включает такие зоны:

• невыветрелый гранит;
• измененный гранит, мощность 3 м;
• горизонт структурных глин, мощность 3 м;
• горизонт плотных, часто шлаковидных масс кирпично-красного темно-бурого до почти черного цвета. Это продукт полного гидролиза силикатов и выноса всех подвижных катионов, обогащения окислами и гидроокислами железа, алюминия. Эта зона является типоморфной для коры данного типа; слагающее ее образование называется латеритом;
• современная коричневато-серая почва, обогащенная каолинитом с большим количеством гумуса. В основании почвенного слоя – кремнисто-железистые конкреции.

В странах тропической Африки и на о. Мадагаскар мощность таких КВ 100-150 м.

В составе зоны латерита могут присутствовать горизонты, называемые кирасы . Мощность кирасы около 4 м. они соответствуют зонам цементации латеритной коры выветривания, но наблюдаются не всегда. Кирасы со временем, теряя железо, но одновременно обогащаясь алюминием, превращаются в бокситы , руду на алюминий.

Глинистая кора выветривания

В условиях умеренного влажного климата по гранитам образуется кора выветривания глинистого профиля. Профиль коры, развитой по гранитам, включает зоны:

• невыветрелый гранит;
• раздробленный частично измененный гранит;
• горизонт каолинитовых или монмориллонит-каолинитовых элювиальных глин.

По основным, ультраосновным породам и вулканитам состав глинистого горизонта коры меняется на монтмориллонит-нонтронитово-охристый.

В области умеренного влажного климата (таежно-подзолистая зона) формируется относительно маломощная (0,5-1,2 м) кора выветривания, отождествляемая с почвенным покровом (Страхов, 1963). Для него характерен небольшой мощности (1-3 см) гумусовый слой, обогащенный органическим веществом, составляющий здесь верхнюю часть профиля выветривания. Ниже располагается горизонт, сложенный преимущественно тонкодисперсным кремнеземом мощностью 15-20 см, иногда больше (элювиальный по Н. М. Страхову, 1963). В основании залегает слой с железистыми стяжениями, возникшими за счет поступления железа из вышележащих горизонтов. Это подзолистые почвы, подразделяемые на типы от дерновых до подзолов, для которых характерно максимальной развитие элювиального горизонта.

Значительное влияние климата на масштабы корообразования, на минеральный состав геохимического профиля КВ наряду с температурой определяется различиями в количестве влаги и биомассы, участвующих в выветривании.

Обломочная кора выветривания

В областях аридного климата с дефицитом влаги, а также в полярных и высокогорных, заметного разложения материала материнских пород не наблюдается, так как вода – это ен только среда, но и активный компонент химических реакций при выветривании. Преобладает механическое разрушение пород – кластогенез и формируются обломочные КВ.

Различия геохимического профиля кор выветривания в существенной мере связаны с климатическим фактором, климатической зоной, и зависят от состава исходной породы. Кроме климата формирование профиля коры выветривания и ее сохранение зависят от интенсивности и характера тектонических движений. Оптимальный условия для развития кор выветривания существуют в пределах устойчивых, малоподвижных фрагментов земной коры с ослабленной тектонической активностью, со сглаженными формами рельефа (пенепленизированный рельеф). Данным условиям отвечают платформы, плиты с ландшафтами равнин, холмогорий. В горно-складчатых зонах тектонически активных областей химическое выветривание проявляется, но из-за эрозии КВ могут сохраниться лишь локально, в пределах зон разломов, проседания.

Площадная и линейная кора выветривания

Различия в геолого-структурных особенностях исходного образования, подвергаемого выветриванию (субстрата), обуславливает формирование КВ двух морфогенетических типов – площадного и линейного (сапожников, Витовская, 1981). Площадные КВ образуют сплошной покров на площади до сотен и тысяч квадратных километров, мощностью от нескольких до 100 м. линейные КВ, развиваясь по тектонически ослабленным зонам, развиты более локально, в соответствие с простиранием зоны, проникая на глубины до 1000 м.

Подъем территории отдельных участков влечет за собой расчленение рельефа, что затрудняет формирование КВ. Воздымание может превышать скорость корообразрования и КВ подвергнется денудации, не успев сформироваться. Огромные массы грубодисперсного материала выносятся при этом в конечные водоемы стока. Например, р. Обь ежегодно выносит в океан 394 км 3 осадочного материала. Река Меконг, имеющая истоки в Гималаях, впадая в Южно-Китайское море, выносит 1 млрд. тонн. Общая масса продуктов выветривания, выносимая всеми реками в моря и океаны в виде взвесей, обломков, называется твердым стоком и составляет 18, 5 млрд. тонн/год.

Величина твердого стока зависит от скорости течения водных потоков. Для горных рек скорость течения может составлять 700 см/с, в равнинных реках от нескольких сантиметров до 100 см/с.