Выветривание
В приповерхностной части земной коры горные породы находятся в условиях тесного взаимодействия с атмосферой, гидросферой и биосферой и претерпевают разрушение и изменения в своем составе и состоянии. Большинство горных пород, слагающих земную кору, образовалось на некоторой, иногда значительной глубине [5]. Оказываясь в внешней, приподнятой части земной коры, они оказываются в абсолютно других физико-химических обстоятельствах и под воздействием различных условий начинают рушиться, подвергаясь выветриванию – более универсальному и немаловажному процессу внешней геодинамики.
Выветривание – это процесс изменения и разрушения минералов и горных пород на земной поверхности под воздействием физических, химических и органических факторов [3]. Эти процессы вызваны несколькими факторами: ежедневные и сезонные изменения температуры; механическое воздействие замерзшей воды, корневой системы растений и т. д. химическое воздействие воды и газов кислорода, углекислого газа др.
Физическое выветривание
Физическое выветривание вызвано множеством факторов. В зависимости от характера воздействующего фактора разрушения горных пород износ различен. В некоторых случаях процесс разрушения происходит внутри самой породы без участия агента внешнего механического воздействия. Это включает в себя изменения объема компонентов породы, вызванные колебаниями температуры. Такое явление может быть названо температурным выветриванием. В других случаях горные породы разрушаются под механическим воздействием посторонних агентов. А такой процесс может быть назван механическим (морозным) выветриванием.
Температурное выветривание наиболее распространено и происходит под воздействием колебаний температуры, вызывающих неравномерный нагрев и охлаждение горных пород. Минеральные зерна, слагающие горные породы, при этом попеременно, испытывают то расширение, то сжатие [2]. Расширение породы, вызванное нагревом, является более интенсивным в поверхностных частях, чем во внутренней части. То же самое происходит с охлаждением. Сжатие горных пород, вызванное ночным охлаждением, которое распространяется от поверхности до глубины, встречает свое остающееся расширение за счет нагревания в течение дня, что дополнительно способствует разрушению горных пород. В результате трещины часто наблюдаются параллельно поверхности блоков, а верхние части отслаиваются в виде чешуек. Этот процесс называется десквамацией или шелушением.
Таким образом в ходе температурного выветривания массив рушится со образованием обломочных пород разного объема – от щебня вплоть до алевритового материала. Дневные колебания температуры проявляются вплоть до глубины 1 м, что устанавливает наибольшую мощь образующихся подобным путём обломочных отложений.
Более динамично температурное выветривание проходит в пустынях и, на порядок меньше, в холодных областях также в альпийских регионах, не имеющих снежный покров. Данному способствует совокупность 2-ух условий:
резкие суточные колебания температуры, достигающие 50?С;
оголенность горных пород по причине отсутствия растительного покрова также почвенного покрова.
Морозное выветривание представляет собой процесс, при котором разрушение горных пород происходит под механическим воздействием посторонних агентов – замерзающей воды, корней растений, роющих животных, кристаллизации солей и т.п. Особенно велика разрушительная роль замерзающей воды. Когда вода попадает в трещины и поры горных пород, а потом замерзает, она увеличивается в объеме примерно на 10%, производя при этом огромное давление на стенки трещин (до нескольких сотен килограммов на 1 см2) [2]. Подобная сила легко преодолевает противодействие горных пород на разрыв, и они раскалываются на отдельные обломки. Необходимыми предпосылками для его осуществления являются: присутствие в породах пор и трещин, присутствие воды и надлежащие температурные условия. Более усиленно оно проходит в то время, когда прослеживаются частые колебания температуры около точки замерзания воды: в возвышенных полярных и субполярных широтах, а также в горных районах, главным образом выше снеговой линии. Тут зачастую попадаются обширные пространства, полностью покрытые обломками горных пород разных размеров, представляющие собой глыбовые и щебнистые развалы либо целые «каменные моря», являющиеся итогом морозного воздействия.
Раздробляющее действие на горную породу производит также кристаллизация солей в капиллярных трещинах. Лучше всего это явление проявляется в условиях сухого климата, где днем при сильном нагревании солнцем влага, находящаяся в капиллярных трещинах, подтягивается к поверхности и испаряется, а соли, содержащиеся в ней, кристаллизуются [2]. Под давлением увеличивающихся кристаллов капиллярные трещины расширяются, возрастают во объемах, это и приводит к нарушению монолитности горной породы и ее разламыванию.
Во следствии физического выветривания возникают специальные формы рельефа. Если выветривание совершается в горной области, где присутствуют плоские, горизонтальные поверхности, то продукты выветривания накапливаются на них в виде глыб и наиболее мелкого дресвяного материала. В следствии формируются элювиальные россыпи и ландшафты хаотического нагромождения глыб, получившие наименование «каменных морей».
Характерным рельефом зон физического выветривания считаются каменистые пустыни, либо, как их именуют в Сахаре, гаммады (рис. 1.1.). Гаммады представляют собой нагромождения глыб и щебня, возникающие в результате выветривания горизонтально лежащих платов горных пород и выноса ветром пылеватых и песчаных продуктов их разрушения.
Рис. 1.1. Каменистые пустыни (гаммады) в Сахаре [15]
Подобным способом, физическое выветривание, равно как температурное, так и механическое, порождает разрушение, размельчение горных пород на отдельные угловатые фрагменты различной величины, однако никак не приводит к их химическому переустройству.
Химическое выветривание
Разрушению горных пород под влиянием физического выветривания, как было сказано выше, почти всегда сопутствует в той или иной степени химическое выветривание, а в ряде случаев оно играет основную и ведущую роль. Химическое выветривание представляет собой результат взаимодействия горных пород наружной части литосферы с химически активными элементами атмосферы, гидросферы и биосферы [2]. Из них основное условие – вода, которая в той либо в другой степени диссоциирована на положительно заряженные водородные ионы H+ и отрицательные гидроксильные ионы OH–. Значительная концентрация водородных ионов в растворах содействует ускорению процессов выветривания. Кроме этого, с водой связано формирование растительности и иной органической жизни, что обусловливает процесс других агентов O2, CO2 и органических кислот, имеющих огромную активность. Их наличие в водном растворе в несколько раз увеличивает диссоциацию воды. Особенно растет интенсивность химического выветривания при возрастании температуры, вызывающей повышение концентрации водородных ионов, т.е. степени кислотности воды.
Количественно кислотность и щелочность среды характеризуются обычно показателем pH, значения которого равны взятому с обратным знаком десятичному логарифму концентрации водородных ионов. У воды с нейтральной реакцией pH равно 7, с кислой реакцией – меньше 7, с щелочной реакцией – больше 7. В зависимости от реакции среды в процессе выветривания возникают те или иные характерные ассоциации минералов [2]. Более благоприятные условия для химического выветривания имеются в гумидных областях и преимущественно во влажных тропических и субтропических местах, в которых имеет место совокупность огромный влажности, высокой температуры и большого ежегодного отпада органической массы, вследствие распада которой существенно увеличивается концентрация углекислоты и органических кислот, да следственно, увеличивается и концентрация водородных ионов. Процессы, проходящие при химическом выветривании, могут быть объединены к последующим ключевым химическим реакциям: окислению, гидратации, растворению и гидролизу.
Окисление минералов и горных пород сопряжено с влиянием кислорода, растворенного в воде, также в минимальной степени – кислорода воздуха. Данному, кроме того, содействуют наличие в воде солей, кислот, а также жизнедеятельность микроорганизмов. Процесс окисления особенно интенсивно протекает в минералах, содержащих железо.
На всех таких месторождениях широко распространены сфероидальные кремнистые и сидеритовые (FeСО3) выделения размером 20 – 30 мкм. В них присутствуют также тонкозернистый пирит (FeS2) и карбонаты, частично замещающие органическое вещество. Яшмы с водорослями некоторых железорудных формаций содержат нитчатые и шаровидные образования, подобные сфероидальным формам из органического вещества в черных строматолитовых кремнистых породах. Органическое вещество часто замещается сидеритом и пиритом, а последние – гематитом [10].
В качестве примера можно привести окисление магнетита, который переходит в более устойчивую форму – гематит (Fe2O4 Fе2O3). Интенсивному окислению (часто совместно с гидратацией) подвергаются сульфиды железа. Так, например, можно представить выветривание пирита до лимонита (бурого железняка) формулой (1):
FeS_2+mO_2+nH_2 O>Fe(SO_4 )>?Fe?_2 (SO_4 )_3>?Fe?_3 O_4•nH_2 O (1)
В отдельных месторождениях сульфидных и иных железных руд прослеживаются «бурожелезняковые шляпы», состоящие из окисленных и гидратированных продуктов выветривания. Воздух и влага в ионизированной форме рушат железистые силикаты и превращают двухвалентное железо в трехвалентное.
Гидратация. Реакция гидратации состоит в поглощении минералами воды. Примером является переход ангидрита в гипс, выражаемый формулой (2), приведенной ниже:
CaSO_4+2H_2 O=CaSO_4•2H_2 O (2)
Процесс гидратации ангидрита постоянно сопровождается внезапным повышением размера, что производит существенное механическое влияние на находящийся вокруг породы и порождает местные нарушения в гипсоангидритовой толще. Таким образом, в данных случаях имеет место совокупность химического выветривания, приводящего к формированию новых минералов, и механического, связанного с повышением размера вступивших в реакцию масс. Также поглощении минералами воды происходит и в более сложных по составу и структуре минералах – силикатах.
Растворение и гидролиз проходят при коллективном воздействии воды, углекислоты и органических кислот. Растворение в особенности интенсивно выражается в осадочных горных породах – хлоридных, сульфатных также карбонатных. Большей растворимостью отличаются хлориды – соли натрия (NaCl), калия (KCl) и др. За хлоридами согласно степени растворимости встают сульфаты, в частности гипс, за которыми вытекают карбонатные породы, известняки, доломиты, мергели. Вследствие растворяющей деятельности поверхностных и находящийся под землей вод, насыщенных углекислотой, на поверхности растворимых пород возникают различные и характерные формы рельефа – борозды, воронки, котловины, также каналы и пещеры в глубине. Данный процесс растворения горных пород и создания разных форм на поверхности и в глубине именуется карстом.
В качестве примера можно рассмотреть разложение полевых шпатов, наиболее распространенных в земной коре минералов. При этом следует отметить, что более легко подвергаются выветриванию основные плагиоклазы, в меньшей степени калиевые полевые шпаты и кислые плагиоклазы [2].
Распад полевых шпатов под воздействием воды и углекислоты до каолинита может быть представлен в виде такой схемы:
K[Al?Si?_3 O_8 ],Na[Al?Si?_3 O_8 ],Ca[?Al?_2 ?Si?_2 O_8 ]>Промежуточны минералы>?Al?_4 [OH]_8 [?Si?_4 O_10 ] (3)
В этих условиях при выветривании многоминеральных магматических и метаморфических пород вместе с гидроокислами алюминия и кремнезема образуются гидроокислы железа, иногда марганца, титана, возникающие и находящиеся наряду с глинистыми минералами. Железисто-магнезиальные силикаты – оливин, пироксены, амфиболы менее устойчивы против выветривания в сравнении с полевыми шпатами [2].
Во связи с уровня кислотности среды и иных условий во ходе химического выветривания силикатов появляются разнообразные ассоциации минералов. В щелочных условиях возникают гидрослюды, гидрохлориты, монтмориллонит, в кислой среде – глинистые минералы типа каолинита, нонтронита и гидроокислы алюминия, железа, кремнезема и др.
Коры выветривания
Рис. 1.2. Профиль коры выветривания [16]
Комплекс элювиальных образований, возникших в верхней части литосферы в результате преобразования в континентальных условиях горных пород под воздействием различных факторов выветривания, объединён понятием кора выветривания [3].
Кора выветривания объединяет всю совокупность различных элювиальных образований. Такая остаточная кора выветривания называется автоморфной (греч. «аутос» – сам). Помимо первичной автоморфной коры выветривания ряд исследователей выделяют вторичную, или гидроморфную, кору выветривания, образующуюся в результате выноса почвенными и грунтовыми водами химических элементов в виде истинных и коллоидных растворов в ходе формирования первичной автоморфной коры. Эти элементы, выносимые растворами, выпадают в виде минералов в пониженных элементах рельефа. Такую взаимосвязь автоморфной и гидроморфной кор выветривания называют геохимической сопряженностью, что имеет важное значение [6].
Б. Б. Полыновым и П. И. Гинзбургом была намечена модель очередности, или стадийности, процесса выветривания, наиболее проявленные в ортоэлювии. Стали существовать 4 стадии (рис.1.2): обломочная, сиаллитная или обызвесткованная, кислая сиаллитная и аллитная.
Первая стадия – обломочная – гипергенное преобразование сводится к дроблению, механическому разрушению породы до обломочного материала (обломочный элювий) [6]. Характеризуется физическим выветриванием исходных пород, химических преобразований в пределах коры не совершается. Распад горных пород, формирование в них трещин обуславливает, с одной стороны, их отличную водопроницаемость, а с иной – стремительно повышает реакционную поверхность выветривающихся пород. Данное формирует условия для активизации различных физико-химических, химических и биогеохимических процессов, сопутствующих химическому выветриванию.
Вторая стадия – сиаллитная, или обызвесткованная – когда происходит извлечение щелочных и щелочноземельных элементов, главным образом Са и Na, которые образуют пленки и конкреции кальцита. Поэтому эта стадия называется обызвесткованной. Знаменуемся основой течения химического выветривания, сопровождаемым извлечением из кристаллохимических структур силикатов щелочных и щелочноземельных элементов (основными являются кальций и натрий). При данном за счёт осаждения выносимого кальция в выветривающейся породе возникают плёнки, налёты и конкреции кальцита («обызвесткованный элювий»). Формирование конкреций протекает как на стадии диагенеза осадка, так и при гипергенных процессах (включая и педогенез) [13]. Силикаты на данной стадии начинают гидратироваться и подвергаться гидролизу, при этом гидролиз силикатов со сложной кристаллохимической структурой сопутствуется не полным их разрушением, а распадом в единичные «блоки», из каковых потом появляются новые минералы – совершается преобразование в глинистые минералы (гидрослюды, монтмориллонит, бейделлит и др.). За пределы коры выветривания водами выносятся только более подвижные компоненты – хлор и частично сера.
Третья стадия – кислая сиаллитная – глубокие изменения кристаллохимической структуры силикатов с образованием глинистых минералов (монтмориллонита, нонтронита, каолинита) [6]. За счёт исходных пород образуется «сиаллитный элювий», приобрёвший наименование согласно преобладающим химическим составляющим Si и Al. Для данной стадии свойственны богатые алюминием глины - каолинит, галлуазит, и железосодержащие оксиды, и гидроксиды – лимонит и пр. Продукты выветривания лишаются оснований (CaО, Na2О, K2O, MgO), выносимых с коры фильтрующимися через неё водами.
Четвёртая стадия – аллитная – где кора выветривания обогащается окислами железа, а при наличии определенного состава исходных пород – окислами алюминия [6]. Выражена в активном вносе из продуктов выветривания не только лишь щелочных и щелочноземельных элементов, но также и кремнезёма силикатов, из-за чего в границах коры остаются менее подвижные соединения – водные окислы алюминия и железа, образующие латериты. Присутствие конкретного состава исходных пород окончательные продукты выветривания обогащаются оксидами алюминия (отсюда и наименование аллитной стадии). Таким образом в условиях жаркого климата и значительной влажности изменение полевых шпатов приводит не только лишь до уровня каолинитовых глин, но и далее, приводя к развитию бокситов – алюминиевая руда, состоящая из гидроксидов алюминия (вплоть до 40-60%), оксидов железа и кремния.
Кроме того, существует представление, что в формировании линейных кор выветривания участвуют глубинные гидротермально-вадозные растворы, с которыми связаны миграция химических элементов и, возможно, метасоматическое замещение одних минералов другими. Такой процесс может быть приурочен к разломам и зонам повышенной трещиноватости, где наблюдается и наибольшая мощность коры в виде глубоко уходящих карманов [6]. Меньше обоснованно воздействие гидротермальных растворов в развитие обширно известных площадных кор выветривания в поверхностях выравнивания (табл.1.1.).
Таблица 1.1.
Ряды миграции химических элементов коре выветривания силикатных пород (по Б. Б. Полынову с упрощениями)
Интенсивность миграции Химические элементы
Очень сильная Cl, S, B, Br, I
Сильная Ca, Na, Mg, Sr, Zn, Mo, U, F
Средняя Si, K, Mn, Ba, Ni, Co, Cu
Слабая и очень слабая Al, Fe, Ti, Zr, Y, Nb, Ta, Sn, Pt
Древние коры выветривания формировались в различные этапы геологической истории, совпадающие с крупными перерывами в осадконакоплении, они изучены и изучаются в отложениях разного возраста, начиная с докембрия. Самые древние протерозойские коры выветривания отмечены в Карелии и на Украинском кристаллическом щите Русской платформы [6].
Процесс выветривания может прерваться на любой стадии в связи с неблагоприятным изменением физико-географических условий (например, в связи с аридизацией климата) или под воздействием геологических событий (например, воздымание территории, проводящее к эрозии коры выветривания, либо наоборот, опусканием и захоронения коры выветривания под осадками). Следовательно, очень древняя кора выветривания может быть неполно развитой, а геологически более молодая кора, развивавшаяся на протяжении более длительного времени, может оказаться более хорошо сформированной.
Состав конечных продуктов химического выветривания определяется как степенью эволюции коры, так и составом материнских пород. Для кор, развивающихся по ультраосновным породам, характерно обогащение железом, содержащимся в большом количестве в материнских породах. Иногда такие коры используются в качестве железной руды (например, месторождения на о. Куба, где мощность коры достигает 25 м). Другим элементом, способным образовывать промышленные концентрации является никель, накапливающийся в нижних частях коры выветривания за счёт осаждения из фильтрующихся водных растров (обогащённых в верхних горизонтах коры довольно подвижным никелем).
Геологическая деятельность ветра
Ветер совершает значительную геологическую работу: разрушение общеземной поверхности (выдувка, или дефляция, обточка, или корразия), перемещение продуктов разрушения и отложение (накопление) этих продуктов в виде скоплений разной формы.
Все данные процессы носят единое название эоловых. Более наглядно эоловые процессы выражаются в пределах пустынь, полупустынь, долин рек и морских побережий. В наши дни явное понимание о данных процессах предоставляют пыльные бури в степных районах.
Примером могут служить пыльные бури на Северном Кавказе, в Ростовской области и соседних территориях [1].
Ветер – один из важнейших экзогенных факторов, преобразующих рельеф Земли и формирующих специфические отложения. Наиболее ярко эта деятельность проявляется в пустынях, занимающих около 20% поверхности континентов, где сильные ветры сочетаются с малым количеством выпадающих атмосферных осадков (годовое количество не превышает 100 – 200 мм/год); резким колебанием температуры, иногда достигающим 50°C и выше, что способствует интенсивным процессам выветривания; отсутствием или разреженностью растительного покрова [6].
Таким образом, геологическая работа ветра состоит из следующих процессов:
разрушение горных пород (дефляция и корразия);
переноса-транспортировки разрушенного материала (эоловая транспортировка);
эолового отложения (эоловая аккумуляция).
Дефляция и корразия
Дефляция (от лат. «deflatio» - сдувание) – процесс выдувания и развевания ветром частиц рыхлых горных пород. Дефляции подвергаются мелкие частицы пелитовой, алевритовой и песчаной размерности [3]. Процесс механического истирания горных пород обломочным материалом, переносимым ветром, который заключается в обтачивании, шлифовании, и высверливании горных пород, носит название корразии (от лат. «corrado» – скоблю, соскребаю) [3].
Дефляция более сильно выявляется в ограниченных горных долинах, в щелевидных расселинах, в хорошо подогреваемых пустынных котловинах. Где зачастую появляются пыльные вихри. Они подхватывают разработанный физическим выветриванием рыхловатый материал, подымают его наверх и удаляют. Из-за чего впадина все наиболее углубляется.
Общие воздействия дефляции и корразии рушат не только лишь мягкие, но и жесткие породы, обращая их в обломки различного объема. Одновременно данные процессы порождают многочисленные формы рельефа. Помимо отрицательных форм, возникающих в результате дефляции, данные процессы сформировывают необыкновенные формы положительного рельефа. В данном отношении особенно характерны разнообразные останцы в виде столбов, грибообразных форм, колеблющихся камней и т.д. Останцы возникают в пустынных областях, сложенных пластами твердых пород, обладающих разной сопротивляемость истиранию.
Таким образом, процессы корразии и дефляции взаимосвязаны и протекают одновременно.
