Лекция 2. Литогенная основа, как компонент ландшафта.
Аннотация. Рассмотрены горные породы, коры выветривания как компонент ландшафта. Описаны магматические, метаморфические, осадочные, в том числе четвертичные горные породы.
Ключевые слова. Горные породы, выветривание, коры выветривания, процессы выветривания, магматические, метаморфические, осадочные, четвертичные..
Рассматриваемые вопросы.
1. Магматические горные породы
2. Метаморфические горные породы
3. Осадочные горные породы
4. Влияние горных пород на другие компоненты ландшафта.
Горные породы по условиям образования подразделяют на три группы: магматические, метаморфические и осадочные.
2.1. Магматические горные породы
Магматические породы образуются при застывании силикатного расплава магмы внутри земной коры (интрузивные) или на ее поверхности (эффузивные). Эти породы имеют кристаллическое строение, плотное сложение (плотность 2,6 - 3,3 г/см3) и поэтому их называют еще массивно-кристаллические. К широко распространенным представителям интрузивных пород относятся диориты, граниты, габро, дуниты и др., к эффузивным - базальты, андезиты и др. Магматические породы состоят главным образом из соединений кремния, алюминия, железа, магния, кальция, калия и натрия. В зависимости от соотношений соединений кремния, калия и натрия - с одной стороны, и железа, кальция и магния - с другой, различают магматические породы кислые и основные.
Кислые почвообразующие породы (граниты, липариты, пегматиты) имеют высокое содержание кремнезема (более 63% SiO2), до 7-8% оксидов калия и натрия и только 2-3% оксидов кальция и магния. Они имеют светлую и буроватую окраску с хорошо выраженными кристаллами кварца, полевых шпатов, слюд. Почвы, образующиеся из кислых пород, содержат гравий, песчаные частицы разного размера и поэтому имеют рыхлое сложение, хорошо обеспечены калием, но они, как правило, имеют повышенную кислотность, недостаточное количество оснований и характеризуются невысоким плодородием.
Основные магматические породы (базальты, периодиты, дуниты, габбро) характеризуются низким содержанием SiO2 (40-60%), повышенным содержанием СаО и MgO (до 20%), оксидов железа (до 10-20%) и менее 3% К2О и Nа2О. Они имеют темную окраску в связи с повышенным содержанием темноцветных минералов. Почвы, формирующиеся на продуктах выветривания основных пород, отличаются щелочной и нейтральной реакцией, содержат много оснований, гумуса и обладают повышенным плодородием. Магматические породы составляют 95% общей массы пород, слагающих литосферу, но в качестве почвообразующих они занимают небольшие площади, главным образом в горных областях.
2.2. Метаморфические горные породы
Метаморфические горные породы - вторичные массивно-кристаллические породы, образовавшиеся в недрах Земли в результате перекристаллизации магматических и осадочных пород под действием высоких давлений и температур. К ним относятся гнейсы, мрамор, кварциты и др. Они состоят из минералов группы силикатов, алюмосиликатов, карбонатов. В качестве почвообразующих метаморфические горные породы занимают небольшие площади. Гнейсы по свойствам близки к гранитам. На продуктах выветривания сланцев и мрамора формируются почвы, обогащенные основаниями, с повышенным уровнем плодородия.
2.3. Осадочные горные породы
Формирование осадочных горных пород обусловлено процессами выветривания магматических и метаморфических пород, переносом продуктов выветривания водными, ледниковыми и воздушными потоками и отложением на поверхности суши, на дне морей, океанов, озер, в поймах рек.
2.3.1. Выветривание, его виды.
Выветривание (синоним - гипергенез) - это совокупность абиотических и биологических процессов разрушения и образования горных пород и слагающих их минералов под воздействием агентов атмосферы, биосферы, гидросферы в верхних слоях земной коры. Неотъемлемой частью процессов выветривания являются процессы денудации - переноса продуктов разрушения горных пород в пониженные участки под действием внешних сил (вода, тепло, ветер и др.). В результате этих процессов образуется кора выветривания – вещественная часть литогенной основы. Мощность современной коры выветривания составляет от нескольких метров до десятков метров.
Выделяют три вида выветривания: физическое, химическое и биологическое.
Физическое выветривание - это процесс разрушения (растрескивания, дробления) минералов под воздействием давления, возникающего за счет суточных и сезонных колебаний температуры (тепловое расширение и сжатие минералов, замерзание и оттаивание воды), механической деятельности ветра, потоков воды, корней растений. В результате увеличивается дисперсность и удельная поверхность пород, снижается их плотность.
Химическое выветривание - процесс химического изменения и разрушения горных пород и минералов с образованием новых минералов и, в конечном итоге, новых пород.
Химические реакции происходят при участии воды, углекислого газа, кислорода и других веществ.
Вода растворяет вещества, содержащиеся в горных породах и минералах, при этом в раствор поступают катионы и анионы, изменяющие кислотно-щелочные условия. Это увеличивает растворяющую способность воды. Разложение минералов водой усиливается с повышением температуры и насыщением ее углекислым газом, который подкисляет реакцию среды. Гидролиз минералов, реагирующих с водой, приводит к образованию новых минералов. В преобразовании минералов в присутствии угольной кислоты большую роль играют реакции карбонатизации (образования карбонатов) и декарбонатизации (разрушение карбонатов).
Реакции окисления-восстановления принимают активное участие в процессах гипергенеза. Красные, красно-бурые, желтые окраски кор выветривания обусловлены окисленными формами железа, марганца и других элементов. В восстановительных условиях преобладают сизые и серые тона. В ходе химического выветривания развивается элювиальный процесс - вынос с растворами ряда элементов за пределы коры выветривания. В первую очередь вымываются наиболее растворимые соединения, что обусловливает стадийность процесса выветривания. В соответствии со стадийностью и химическим составом существует большое разнообразие кор выветривания. Они подразделяются по возрасту: современные, древние, ископаемые; по геохимическому типу: элювиальные, транзитные, аккумулятивные; по вещественному составу и стадиям выветривания: обломочные (состоят из обломков пород), засоленные (содержат водорастворимые соли), сиаллитные (отношение SiO2:Al2O3>2), аллитные (SiO2:Al2O3<2). Обломочные, сиаллитные коры выветривания формируются и сохраняются в условиях умеренного климата и характеризуются начальными стадиями выветривания; аллитные, более зрелые, - формируются в условиях влажного тропического климата.
В процессе выветривания преобладает разрушение первичных минералов, которые образовались в глубоких слоях земной коры при высоких температурах и давлении. Попадая на поверхность земной коры, в иные термодинамические условия, они теряют устойчивость.
Первичные минералы различаются по устойчивости к выветриванию в соответствии со строением и составом. Наиболее устойчивым из широко распространенных минералов является кварц, к мало устойчивым относятся полевые шпаты. Образующиеся в процессе гипергенеза вторичные глинистые минералы играют большую роль в процессах почвообразования и являются более устойчивыми к выветриванию в условиях земной поверхности.
Биологическое выветривание - процесс разрушения и изменения горных пород и минералов под действием организмов и продуктов их жизнедеятельности. При биологическом выветривании механизмы процессов разрушения, изменения минералов и пород те же, что и при физическом и химическом выветривании. Однако интенсивность процессов существенно увеличивается, поскольку увеличивается агрессивность среды. Корни растений и микроорганизмы выделяют во внешнюю среду углекислый газ и различные кислоты (щавелевую, янтарную, яблочную и др.). Нитрофикаторы образуют азотную кислоту, серобактерии - серную. В процессе разложения мертвых остатков растений и животных образуются агрессивные гумусовые кислоты - фульвокислоты, способные разрушать минералы. Многие виды бактерий, грибов, водоросли, лишайники могут усваивать элементы питания непосредственно из первичных минералов, разрушая их при этом. Именно таким является механизм первичного почвообразования.
В верхней части коры выветривания процесс выветривания протекает совместно с процессом почвообразования и является неотъемлемой составной частью почвообразования, так же как почвообразование является неотъемлемой частью выветривания. Однако в более глубоких слоях за пределами почвенного профиля, а также в подводных ландшафтах выветривание выделяется как самостоятельный процесс. В этих слоях в процессах выветривания так же принимают участие микроорганизмы и продукты их жизнедеятельности.
Процессы выветривания являются начальным этапом большого геологического круговорота веществ. Геологические процессы разделяются на две большие группы: эндогенные (внутренние), которые зарождаются в глубинных оболочках Земли за счет энергии радиоактивного распада, и экзогенные (поверхностные), обусловленные внешней энергией.
К эндогенным (внутренним) процессам относятся: магнетизм, метаморфизм, вулканизм, движения земной коры (землетрясения и горообразование).
К экзогенным - выветривание, деятельность атмосферных и поверхностных вод, ледников, подземных вод, морей и океанов, животных и растительных организмов. Особо следует выделить геологическую деятельность человека - техногенез. Взаимодействие внутренних и внешних геологических процессов объединяет большой геологический круговорот веществ.
В результате действия эндогенных процессов образуются крупные формы рельефа земной поверхности: горные системы, возвышенности, низменности, океанические впадины. Под действием экзогенных процессов происходит разрушение магматических горных пород, перемещение продуктов разрушения в реки, моря и океаны, и формирование осадочных пород. В результате движений земной коры осадочные породы погружаются в глубокие слои, подвергаются процессам метаморфизма (действию высоких температур и давления), и образуются метаморфические породы. Последние при погружении в более глубокие слои могут переходить в расплавленное состояние (магматизация), а затем в результате вулканической деятельности поступать в верхние слои литосферы или на ее поверхность в виде магматических пород. Таким образом, происходит образование основных групп почвообразующих пород и различных форм рельефа.
2.3.2. Систематика осадочных пород.
По происхождению они подразделяются на морские и континентальные. По возрасту осадочные породы подразделяются на древние и четвертичные. Четвертичные отложения образовались в последние 1,5-2 млн лет и продолжают формироваться в настоящее время. Четвертичные осадочные породы характеризуются рыхлым сложением, невысокой плотностью, сложены частицами разного размера и разной степени окатанности: валуны, галечники, пески, суглинки и др.
Древние осадочные породы так же состоят из обломков и мелких частиц разного размера, но в отличие от четвертичных имеют плотное сложение, более высокую плотность, как правило, сцементированы соединениями кремнезема, железа, извести и др. В земной коре преобладают древние осадочные породы, которые накапливались во все геологические эпохи, но в качестве почвообразующих преобладают четвертичные отложения, перекрывающие сравнительно тонким слоем (от нескольких сантиметров до нескольких метров, иногда десятков метров) другие виды горных пород, получивших название коренные.
По составу осадочные породы подразделяются на обломочные, хемогенные и биогенные.
Обломочные отложения различаются по величине обломков и частиц: валуны, камни, гравий, щебень, пески, суглинки и глины. К ним относятся также древние сцементированные аналоги: брекчии, конгломераты, песчаники, глинистые сланцы.
Хемогенные отложения образовались в результате выпадения солей из водных растворов в морских заливах, озерах, в условиях сухого жаркого климата или в результате химических реакций. К ним относятся галоиды (каменная и калийная соль), сульфаты (гипс, ангидрид), карбонаты (известняковый туф, известняк, доломит, мергель), силикаты (кремневый туф, или гейзерит) и фосфаты (фосфорит). Многие из перечисленных пород - гипс, ангидрид, калийная соль, фосфориты, известняковые туфы, известняки, доломит, мергель - являются ценными агрономическими рудами и используются как химические мелиоранты, минеральные удобрения и как сырье для производства цемента и химической промышленности.
Почвы, образующиеся на чистых химических осадках солей, как правило, характеризуются крайне низким плодородием; на известняках и меловых отложениях, особенно в условиях влажного климата, формируются плодородные почвы с высоким содержанием гумуса и благоприятными физическими свойствами.
Биогенные отложения образовались из скоплений остатков растений и животных. По составу они подразделяются на карбонатные, кремнистые и углеродистые.
К карбонатным породам относятся биогенные известняки и мел. Примером кремнистых пород является доломит, состоящий из остатков диатомовых водорослей. Углеродистые породы имеют высокое содержание органических веществ и обладают горючестью. К ним относятся ископаемые угли, торф, сапропель, а также нефть и газы. Известно их большое практическое значение.
Сапропель формируется на дне пресноводных озер и представляет собой ил, обогащенный органическим веществом и элементами питания для растений. Используется он как органическое удобрение и мелиорант. Некоторые бурые угли и лигниты так же используются как органо-минеральные удобрения и мелиоранты.