Глава 5

ВЫВЕТРИВАНИЕ

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. 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 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 с внешними воздействиями. Первичные трещины в породах по мере эро­зии залегающих выше толщ высвобождают усилия давления и расши­ряются, разрушая материнские породы (рис. 7-9 на цветной вклейке).

Однако наиболее существенным физическим фактором, вызываю­щим дезинтеграцию пород, являются температурные колебания, как суточные, так и сезонные. Темная поверхность горной породы летом может нагреваться до +60 "С, а в пустынях и выше. В то же время внутренняя часть породы гораздо холоднее. Ночью температура падает, а днем снова возрастает. Так происходит температурное «раскачива­ние» не только разных частей породы, но и ее минеральных составляю-

□ □□□ □ □□□ □ □□□ □ □□□

*— 1м -0,5м-

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

щих, особенно в полиминеральных породах, таких как граниты, гней­сы, лавы с крупными кристалликами-вкрапленниками. Разные минера­лы обладают различными коэффициентами объемного расширения, причем даже в одном минерале этот коэффициент меняется в зависи­мости от направления. 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.

5.1. МЕХАНИЧЕСКОЕ, ХИМИЧЕСКОЕ И БИОЛОГИЧЕСКОЕ ВЫВЕТРИВАНИЕ

1м

I

Морозное, или механическое, выветривание связано с 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 (рис. 5.2). Такое же расклинивающее действие на породы оказывают кристаллы соли при их росте из раствора. Механическое расклинивающее воздействие на горные породы оказывают корни деревьев и кустарников, которые, увеличиваясь в объеме, создают большое добавочное напряжение на стенки трещины. Хорошо известно, как раньше раскалывали гранит­ные блоки. В них забивали дубовые клинья, поливали их водой, и раз­бухший клин разрывал породу на блоки. Даже мелкие грызуны, а так­же черви, муравьи и термиты оказывают 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 карбонатных породах, а муравьи роют неглубокие, но многочислен­ные ходы, разрыхляя почву и способствуя проникновению в нее возду­ха. Разрушение горных пород происходит по трещинам (рис. 5.3). Особенно эффектно выветривание выглядит в гранитных скалах (рис. 5.4).

/ //

Рис. 5.2. Морозное выветривание. 1 — дождь заполняет водой трещины в горной породе; 2 — при замерзании воды лед (черное) увеличивается в объеме на 10 % и распирает породу, отдельные куски которой отваливаются от общей массы

Рис. 5.3. Идеализированная схема формирования концентрическо-скорлуповатой отдельности при выветривании по трещинам

Рис. 5.4. Матрацевидная форма выветривания в палеозойских гранитах.

Центральный Казахстан

Очевидно, что температурное выветривание шире всего проявляет­ся в условиях жаркого климата, особенно в пустынях, где перепады дневных и ночных температур достигают 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. 5.5).

Химические выветривание представлено несколькими основными процессами: растворением, окислением, гидратацией, восстановлением, карбонатизацией, гидролизом.

ю-

Растворение играет наиболее важную роль, т. к. связано с воздействием воды, в которой растворены ионы Na⁺, К⁺, Mgⁱ⁺, Са²⁺, CI SO^2-, НС0₃~ и др. Особенно существенны ионы водорода (Н⁺), гидро- ксильный ион (ОН ) и содержание 0₂, С0₂ и органических кислот. Как известно, концентрации ионов Н⁺ оценивают в виде рН-логарифма концентрации ионов. При рН = 6 растворимость железа в 100 тыс. раз (!) больше, чем при рН = 8,5. Глинозем — А1₂0₃, практически нераство­римый при рН от 5 до 9, при рН < 4 прекрасно растворяется. Кремне­зем — SiO,₂ — значительно увеличивает свою растворимость при пере­ходе от кислых растворов с рН < 7 к щелочным рН > 7. Отсюда ясно, какую важную роль играет водородный ион в ускорении процессов химического выветривания, в частности растворения.

Хорошо растворяются соли хлористо-водородной и соляной кислот. Так, на 100 частей воды по весу NaCl приходится 36 частей, RC1 — 32, MgCl — 56, CaCl — 67. Карбонаты и сульфаты растворяются хуже, например на 10 тыс. частей воды всего 20 частей CaSO, или 25 частей CaSO, •

А л

• 2Н₂0. 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 (см. гл. 8).

13 2

Рис. 5.5. 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

©4 Qs |)б

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 + n0₂ + mH₂0 -> FeS0₄ ->■ Fe₂ (SO„) -> Fe₂0₃ • nll₂0.

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.

Следы окисления в виде пород, окрашенных в бурый, охристый цвет, наблюдаются везде, где в породах содержатся железистые ми­нералы или их включения. Во влажном и жарком климате при испа­рении воды образуются бедные водой минералы группы гематита Fe₂0₃, обладающие красной окраской. Вот почему в тропических областях коры выветривания превращаются в твердую красную по­роду — латерит.

Восстановление происходит в отсутствие 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 С0₂ приводит к образованию нерастворимого минерала каолинита и выносу бикарбоната калия и кремнезема:

K₂Al₂Si₆O₁₀ + 2Н₂0 + С0₂ -> H₂Al₂Si₂0₁₈ ■ Н₂0 + К₂С0₃ + 4SiO_r 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 — АЮ(ОН)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 др. 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 об­разования новых минералов. Самый простой пример — переход ангид­рита в гипс:

CaS0₄ + 2 Н₂0 « CaSO^ • 2Н_гО или гематита в гидроокислы железа:

Fe₂0₃ + nH₂0 <=> Fe₂0₃ • nH₂0.

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. Изуче­ние под микроскопом поверхности камней, слагающих древние храмы, дворцы, церкви, жилые здания и т. п., показывает, что на них находит­ся множество разнообразных организмов — бактерии (цианобактерии, актиномицесты), водоросли, грибы, протисты, членистоногие, лишай­ники и др. Наиболее распространены грибные гифы (ветвящиеся тяжи) и микроколонии из округлых клеток. Грибы, как правило, интенсивно окрашены различными пигментами — меланином, каротиноидами, мик- роспоринами, которые вызывают потемнение трещин и придают по­верхности мрамора, например, красновато-бурый, бурый — почти чер­ный — цвет. 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 поверхности камней преобладают микроско­пические грибы, гифы которых активно растут, удлиняются и в конце концов покрывают всю поверхность камня.

Таким образом, на поверхности горных пород формируются сооб­щества микроорганизмов, играющие важную роль в процессах вывет­ривания.

Биота, поселившаяся на поверхности горных пород, извлекает из нее необходимые для жизни химические элементы — Р, S, К, Са, Mg, Na, В, Sr, Fe, Si, Al и др., что подтверждается их большим содержанием в золе расте­ний, выросших на горных породах. Даже Si извлекается из кристалличес­ких решеток алюмосиликатов. Следовательно, организмы участвуют в разложении минералов. Однако они и возврашают новые химические эле­менты в геологическую среду. Тем самым происходит круговорот веществ, обусловленный активностью биоты.

Следует отметить, что в процессах химического выветривания орга­низмы участвуют и косвенным путем, выделяя, например, кислород при фотосинтезе, образуя С0₂ при отмирании растений, провоцируя образо­вание весьма агрессивных органических кислот, которые резко усилива­ют растворение и гидролиз минералов. Такое воздействие наиболее ин­тенсивно происходит во влажном тропическом климате, в густых болотистых лесах, в которых опад (отмершие растения, листья и др.) со­ставляет почти 260 ц/га. Вода в подобных джунглях обладает кислой реакцией и активно растворяет горные породы, нарушая связи в кристал­лической решетке минералов.

5.2. ПРОЦЕССЫ ГИПЕРГЕНЕВА И КОРЫ ВЫВЕТРИВАНИЯ

Под зоной гипергенеза понимается поверхностная часть земной коры, непрерывно подвергаемая воздействию различных экзогенных факторов и в которой горные породы стремятся войти в равновесие с непрерывно изменяющейся окружающей геологической средой. Термин «гинергенез», введенный А. Е. Ферсманом, знаменитым российским минералогом, по существу является синонимом термину «выветривание». Гипергенные процессы проникают далеко вглубь поверхностной части земной коры и видоизменяют ее в сильно расчлененном горном рельефе на сотни мет­ров и даже несколько километров.

Типы гипергенеза, установленные Б. М. Михайловым, включают в себя следующие обстановки. Поверхностный (континентальный) гипер- генез происходит па поверхности суши и проникает вглубь с помощью нисходящей воды. К наиболее важным образованиям поверхностного гипергенеза относятся следующие:

1. Элювий, или кора выветривания, представляет собой геологиче­ское тело, развитое на определенной площади или вдоль какой-либо зоны в горных породах, сложенное продуктами переработки поверхно­стных горных пород процессами физического, химического и биохими­ческого выветривания. Элювий не перемещается, он остается на месте разрушенных пород. Естественно, что процессы формирования элювия развиваются на слабо расчлененном, выровненном рельефе, достигшем стадии зрелости. Именно в таких условиях и формируются коры вы­ветривания, представляя собой остаточные продукты разрушения по­род. Кора выветривания, как и ее мощность, зависит от ряда факторов. Наиболее благоприятные условия создаются при высокой температуре, высокой влажности и выровненном рельефе. В таких условиях жарко­го гумидного климата образуются латеритные красные коры выветри­вания, состоящие из минералов гидрооксидов и оксидов алюминия, железа и титана с примесью каолинита (рис. 5.6). В связи с тем что верхняя часть коры выветривания обладает наибольшей степенью раз­ложения первичного материала, в ней присутствуют глинозем (А1₂0₃) и гидроокислы железа, которые придают элювию в сухом состоянии высокую прочность, напоминая красный кирпич. Эта твердая самая верхняя часть латеритной коры выветривания называется панцирем, или кирасой. Нижняя часть латеритной коры выветривания имеет не­ровную границу с глубокими карманами над более раздробленными участками пород, где залегает дресва — мелкие обломки этих же корен­ных горных пород.

В областях с гумидным климатом распространен глинистый элю­вий — слой или толща глин, в которых сохраняется реликтовая струк­тура коренных пород.

Над рудными залежами сульфидных руд иногда образуются руд­ные «шляпы», специфические коры выветривания, прочные корки из разложившихся сульфидных минералов.

2. Иллювий, или инфильтрационная кора выветривания, — еще один из типов гипергенеза, в котором вещество, замещающее коренные породы, привнесено извне. Иллювиальные коры выветривания имеют различный состав и мощность в зависимости от химического состава инфильтрующего раствора, физико-химических и климатических об- становок. Встречаются сульфатные, карбонатные, кремнистые и соля­ные (солончаки и солонцы) иллювиальные коры выветривания.

Выделяется также подводный гипергенез, или гальмиролиз. Этот процесс связан с воздействием морской воды на отложения океанского или морского дна. Магматические породы в этом случае разлагаются с образованием глин, а вулканические пеплы превращаются в особую глинистую массу.

Рис. 5.6. Кора выветривания в тропической лесной зоне (по Н. М. Страхову).

1 — граниты, 2 — слабо измененная химически зона дресвы, 3 — гидрослюдисто- монморилонитово-бейделитовая зона, 4 — коалинитовая зона, 5 — охры А1₂0₃,

6 — панцирь Fe₂0.+ А1,0₃

Современные коры выветривания обладают небольшой мощностью и они, как правило, еще не сформировались, т. к. времени было недо­статочно. В далекие геологические времена, когда большие простран­ства континентов обладали слабо расчлененным, выровненным релье­фом, в условиях благоприятного климата формировались мощные, до 100 м и более, коры выветривания, обладающие характерным верти­кальным профилем. В их основании располагалась дресва коренных пород, сменяемая выше зоной с гидрослюдами, и в верхней части раз­реза находилась толща каолиновых глин. Подобный стиль разреза древ­ней мезозойской коры выветривания характерен для гранитных пород Урала, а для других коренных пород зональная последовательность в коре выветривания может быть иной. С древними корами выветривания связаны разнообразные полезные ископаемые, такие как бокситы — основное сырье для получения алюминия; гидроокислы и окислы же­леза, марганца; гидросиликаты никеля, развитые по ультраосновным породам и многие другие.

В настоящее время мы наблюдаем лишь сохранившиеся остатки древ­них кор выветривания, уцелевших от эрозии в западинах и карманах рельефа. А раньше они были площадными, занимали большие про­странства или, наоборот, имели линейный характер, будучи приуро­ченными к раздробленным зонам крупных разломов.

Чаще всего перечисленные выше типы выветривания действуют одновременно. Однако под воздействием климата, водного режима, смены суточной и сезонной температур решающим становится какой- нибудь один тип, подчиняющийся климатической зональности. Так, во влажной тропической зоне химическое выветривание благодаря высо­кой температуре протекает интенсивно, с максимумом выщелачивания. Несколько менее энергично такое же выветривание происходит в таежно- подзолистой зоне. В пустынях, полупустынях и тундре преобладает физическое выветривание, тогда как химическое сходит на нет.

Выветривание происходит всегда и везде. Даже на пирамиде Хеопса в Гизе, в предместье Каира, за последние 1000 лет потеря материала поверхности известняковых блоков составила 0,2 мм за 1 тыс. лет, а гранитных облицовочных плит — 0,002 мм/год. Современное загряз­нение воздушной среды способствует быстрому выветриванию древ­них каменных скульптур, храмов и памятников.

5.3. ОБРАЗОВАНИЕ ПОЧВ И ИХ СВОЙСТВА

Практически вся поверхность суши покрыта тонким слоем почвы, энергетически и геохимически весьма активным, в котором проявляет­ся взаимодействие между живыми организмами, атмосферой, гидро­сферой и горными породами.

Более 100 лет назад великий русский ученый В. В. Докучаев пока­зал, что почва представляет собой самостоятельное, очень тонкое при­родное тело, созданное из почвообразующих пород, растительности, животного мира, климата и рельефа. Коренные горные породы, на ко­торых формируется почва, играют решающую роль в химическом и минеральном составе почвы, а живые организмы обусловливают фор­мирование органического вещества в почве — гумуса. Академик В. И. Вернадский когда-то назвал почву биокосным телом, подразуме­вая под этим взаимодействие как живых организмов, так и коренных (косных) горных пород.

Почвы относятся к наиболее сложным природным телам, и в настоящее время на мировой почвенной карте их выделено 133 типа, разделяемые еще более дробно. Почвы различных типов характеризуются набором горизонтальных слоев, называемых генетическими горизонтами:

• А — гумусово-аккумулятивный поверхностный горизонт, в котором скапливаются органические вещества и элементы питания для расти­тельности;

• Е — элювиальный, или горизонт вымывания. Назван так потому, что нисходящий поток воды вымывает из него Fe, Mn, Са, Mg;

• В — иллювиальный, или горизонт вмывания, т. к. в нем накапли­ваются вещества, вымытые из горизонта Е;

• FL — горизонт скопления карбонатов кальция;

• G — глеевый горизонт с восстановительной обстановкой, в которой Fe³⁺ восстанавливается до Fe²⁺;

• С и D — почвообразующие и подстилающие горные породы.

Эти генетические горизонты в разных почвах различаются между

Рис. 5.7. Нормальный почвенный профиль. Горизонты: А₀— неразложимпгиеся или слабо разложившиеся органические остатки,Aj — гумусовый, А, — элювиальный, или почвенного выветривания, В — иллювиальный, или горизонт вмывания, С — коренные породы

В

С

Во всех типах почв: в черноземах, подзолистых, тундровых, кашта­новых, тропических и субтропических, торфянистых, солончаковых, пойменных и др. — содержатся все известные химические элементы. Первое место занимает кислород, затем кремний, алюминий и железо.

собой, и их сочетания отличаются большим разнообразием, но, что важно, наличие одного горизонта обусловлено существованием другого, на­пример иллювиальный горизонт В, в котором накапливаются веще­ства, не может существовать без горизонта Е, из которого эти вещества вымываются (см. также рис. 5.7).

Все остальные элементы в сумме не превышают 5-6 %, однако в торфянистых почвах много углерода. В каждом типе почв много орга­нических веществ, но не тех, которые содержатся в растительных и живых организмах, а вновь образовавшихся. Это прежде всего гумино- вые кислоты и фульвокислоты, являющиеся характернейшей особен­ностью почв. Гуминовые кислоты — темные органические соединения с 50-60 % углерода и еще многих веществ. Темная окраска обусловлена длинной цепью сопряженных двойных связей - С = С- С = С-. Именно они придают черноземным почвам черный цвет. Гуминовые кислоты растворимы только в водных растворах щелочей, а фульво­кислоты — и в воде.

Второй важнейшей составляющей любых почв является фракция, частицы которой размером 0,002-0,001 мм состоят преимущественно из глинистых минералов, например каолинита и монтмориллонита. При­сутствуют также частицы кварца, полевых шпатов, слюд, а в засоленных почвах — минералы соли NaCl, КС1, MgCl,, СаС1₂, которые в период дождей растворяются, а в сухое время кристаллизуются.

Хорошие черноземные почвы важны для существования человека. Деградация почв — это катастрофа для всего живого. Она происходит из-за эрозионных и дефляционных процессов, засолений, техногенных воздействий. Почвенный гумус аккумулирует в себе колоссальные запасы углерода и биогенных элементов, а следовательно, он является и акку­мулятором солнечной энергии. Почвенный покров Земли обеспечивает существование биоценозов и является необходимым условием существо­вания жизни на Земле. В почве непрерывно протекают сложные обмен­ные процессы, в результате которых свойства почв меняются и может происходить саморазвитие почв. Почвенный покров создается тысячеле­тиями, но неразумная техногенная и сельскохозяйственная деятельность может разрушить его в считаные годы, несмотря на то что почвы, даже черноземы, способны к самовосстановлению — гомеостазу. Основные геосферные функции почвы обусловлены ее положением на стыке жи­вой и неживой природы. Почва — это основное средство сельскохозяй­ственного производства, относящееся к невозобновляемым природным ресурсам.

Следует отметить, что во многих разрезах четвертичных отложений наблюдаются горизонты погребенных почв, т. е. таких, которые уже не входят в сферу биологического круговорота, они не могут продуциро­вать гумус и являются мертвыми почвами.