Выветривание горных пород: основные типы, их особенности и характеристики

Химическое разрушение от внешней среды

Этот тип выветривания чаще встречается в тропиках и субтропиках. Обводнённые трещиноватые карбонатные породы — идеальная среда для протекания процессов химического выветривания. Можно перечислить основные типы реакций, происходящих между элементами минералов и активными веществами внешней среды, они следующие:

1. Окисление — анионы кислорода соединяются с катионами минеральных агломератов.
2. Растворение — способность химических элементов камня распадаться в воде чистой или с включениями иных веществ. Влага из атмосферы преобразуется в угольную кислоту, когда смешивается с СО2.
3. Гидролиз, гидратация — реакции с Н2О. Взаимодействие молекул воды и компонентов породы приводит к получению новых минералов. В первом случае — нескольких простых веществ, во втором — одного более сложного продукта.
4. Выщелачивание — активный реагент зависит от окружающей среды, в которой находится камень. Для воды — угольная кислота, для почвы — гумидная, атмосферы — серная (в виде кислотного дождя). Химические вещества растворяют часть минеральных образований в агломератах.

Свойства хорошо выветриваемых почв

Гранитная порода, которая представляет собой наиболее многочисленную кристаллическую породу, обнажающуюся на поверхности Земли, начинает выветривание с разрушением роговой обманки . Затем биотит превращается в вермикулит и, наконец , разрушаются олигоклаз и микроклин . Все они превращаются в смесь глинистых минералов и оксидов железа. В результате почва обеднена кальцием, натрием и двухвалентным железом по сравнению с коренной породой, содержание магния снижено на 40%, а кремния — на 15%. При этом почва обогащена алюминием и калием не менее чем на 50%; титаном, численность которого увеличивается втрое; и трехвалентным железом, содержание которого увеличивается на порядок по сравнению с коренной породой.

Базальтовая порода легче выветривается, чем гранитная, из-за ее образования при более высоких температурах и более сухих условиях. Мелкий размер зерна и присутствие вулканического стекла также ускоряют выветривание. В тропических условиях он быстро превращается в глинистые минералы, гидроксиды алюминия и оксиды железа, обогащенные титаном. Поскольку большая часть базальтов относительно бедна калием, базальт выветривается непосредственно до бедного калием монтмориллонита , а затем до каолинита . Там, где выщелачивание происходит непрерывно и интенсивно, как в тропических лесах, конечным продуктом выветривания является боксит , основная руда алюминия. Там, где выпадают интенсивные, но сезонные осадки, как, например, в сезон дождей, конечным продуктом выветривания является латерит, богатый железом и титаном . Превращение каолинита в бокситы происходит только при интенсивном выщелачивании, так как обычная речная вода находится в равновесии с каолинитом.

Для образования почвы требуется от 100 до 1000 лет, очень короткий интервал в геологическом времени. В результате в некоторых формациях обнаруживаются многочисленные слои палеопочв (ископаемых почв). Например, формация Уилвуд в Вайоминге содержит более 1000 слоев палеопочвы в разрезе 770 метров (2530 футов), что составляет 3,5 миллиона лет геологического времени. Палеопочвы были обнаружены в образованиях возрастом до архея (возрастом более 2,5 миллиарда лет). Однако палеопочвы трудно распознать в геологической летописи. Признаки того, что осадочный слой представляет собой палеопочву, включают постепенную нижнюю границу и резкую верхнюю границу, присутствие большого количества глины, плохую сортировку с небольшим количеством осадочных структур, обломочные образования в вышележащих слоях и трещины высыхания, содержащие материал из более высоких слоев.

Степень выветривания почвы может быть выражена как химический индекс изменения , определяемый как 100 Al.2О3/ (Al2О3 + CaO + Na2O + K2О) . Это значение варьируется от 47 для неответренной породы верхней коры до 100 для полностью выветрившегося материала.

Способы борьбы с ветровой эрозией почв

В настоящее время проводятся большое количество разнообразных мероприятий, направленных на сохранение плодородного слоя почвы. На некоторых из них остановимся более подробно:

Как происходит выветривание, и какие остаточные продукты оно формирует?

В классическом понимании продукты, задержавшиеся в породе, принято именовать элювием. По большей части так называют скопления рыхлых обломочных пород с разным составом, будь то глина или глыбы. Также это обломочные накопления солидных продуктов инсоляции (горизонты, корки и калькреты) и метасоматиты.

Выветриваемые продукты формируются в ходе естественных исторических изменений земной коры. Со временем меняется рельеф, климат местности, структура почвы и тектонический режим. Здесь формируются переотложенные скопления, различающиеся между собой вариантом переноса и садиментационными окружающими факторами.

Так, например, одна из разновидностей выветривания горных пород – эрозия. По сути, это выветривание минеральных элементов движущимися ледниками, потоками воды, ветра и гравитацией. Также подобные процессы иногда называют денудацией, то есть, не выветривание, сопровождающееся сносом.

При выветривании имеют место два ключевых условия. Разрушение материнской породы (процессы физического характера), а также химические процессы, включая реакции сообщения/обмена, окисления и гидратации. Как правило, эти два аспекта сочетаются друг с другом в различных соотношениях. При этом первый, как правило, становится подготовкой к химическому этапу.

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.

Что такое ветровая эрозия почв

Ветровая эрозия представляет собой негативное воздействие на верхний слой грунта, в процессе которого он выдувается, а частички почвы разносятся на дальние расстояния. Если сказать доступным языком, то порывы ветра сдувают плодородный слой, оголяя корневую систему растений. Это отрицательно влияет не только на тот участок, откуда выносятся частички почвы, но и на места, куда они приземляются, покрывая собой находящиеся там посевы, что плохо сказывается на будущем урожае.

Этот вопрос очень серьезный и над ним постоянно работают специалисты в области сельского хозяйства. Существуют регионы, в которых достаточно часто дуют сильные ветра, поэтому в течение нескольких дней там может исчезнуть перегнойный горизонт плодородного грунта. А естественное восстановление плодородного слоя хотя бы на пару сантиметров может происходить сотни лет.

Последствия от ветровой эрозии могут быть следующими:

• полное уничтожение плодородного слоя пыльными бурями;
• ухудшается состояние атмосферы;
• заносятся шоссейные дороги и железнодорожные полотна;
• повреждаются посевы на близлежащих территориях;
• происходит ухудшение водного режима естественных водных источников;
• негативное воздействие на слизистые оболочки людей;
• ухудшение экосистемы.

Химическое выветривание

Выветривание химическое – процесс преобразования пород и минералов под влиянием растворения, окисления, гидратации, замещения и гидролитического разложения, проявляющихся в изменении их внешнего облика, окраски, минерального и химического составов и свойств. Химическое выветривание наиболее интенсивно развивается в условиях тёплого, жаркого избыточно влажного гумидного климата тропиков и субтропиков. На развитие В. х. существенно влияют наличие и характер растительного покрова, микроорганизмы, продукты их жизнедеятельности и в целом активность биохимических процессов (таблица).

Характеристика химического выветривания пород (по И. И. Гинзбургу) 

литература

• Харм Дж. Де Блай, Питер О. Мюллер, Ричард С. Уильямс-младший: Физическая география — глобальная окружающая среда. 3. Издание. Oxford University Press, New York NY et al. 2004 г., ISBN 0-19-516022-3 .
• Генри Лутц Эрлих, Дайан К. Ньюман: Геомикробиология. 5-е издание. CRC Press, Boca Raton FL, et al. 2009, ISBN 978-0-8493-7906-2 .
• Ганс Гебхардт, Рюдигер Глейзер , Ульрих Радтке , Пауль Ройбер (ред.): География. Физическая география и география человека. Elsevier, Spektrum Akademischer Verlag, Мюнхен и другие. 2007, ISBN 978-3-8274-1543-1 .
• Курт Конхаузер: Введение в геомикробиологию. Blackwell Publishing, Malden MA et al. 2007, ISBN 978-0-632-05454-1 .
• Фрэнк Пресс , Раймонд Сивер : Общая геология. Введение в систему Земли. 3. Издание. Издательство Spectrum Academic, Гейдельберг и др. 2003 г., ISBN 3-8274-0307-3 .
• Алан Х. Стралер; Артур Н. Штралер: Физическая география (= UTB. Geosciences 8159). 3-е, исправленное издание, Ulmer, Stuttgart 2005, ISBN 3-8001-2854-3 .

Определение «Выветривание горных пород» в ЭБНБ

Выветривание горных пород и минералов — это процесс разрушения и химического изменения горных пород под влиянием температуры, химического и механического воздействия на них атмосферы, воды и организмов.Различают три типа выветривания: физическое, химическое, биологическое.Физическое выветривание — это процесс механического раздробления горных пород без изменения химического состава образующих их минералов.

Физическое выветривание активно протекает при больших колебаниях суточных и сезонных температур, например в жарких пустынях, где поверхность почвы иногда нагревается до 60 — 70°С, а ночью охлаждается почти до 0°С. Процесс разрушения усиливается при конденсации и замерзании воды в трещинах горных пород, поскольку, замерзая, вода расширяется на своего объема и с огромной силой давит на стенки. В сухом климате аналогичную роль играют соли, кристаллизующиеся в трещинах горных пород. Так, соль кальция CaSO₄, превращаясь в гипс (CaSO₄ — 2H₂O), увеличивается в объеме на 33%. В результате от породы, разбитой сетью трещин, начинают отпадать отдельные обломки, и с течением времени ее поверхность может подвергнуться полному механическому разрушению, что благоприятствует химическому выветриванию.Химическое выветривание — это процесс химического изменения горных пород и минералов и образования новых, более простых соединений в результате реакций растворения, гидролиза, гидратации и окисления.

Важнейшими факторами химического выветривания являются вода, углекислый газ и кислород. Вода выступает в роли активного растворителя горных пород и минералов, а растворенный в воде углекислый газ усиливает разрушающее действие воды.

Основная химическая реакция воды с минералами магматических пород — гидролиз — приводит к замене катионов щелочных и щелочноземельных элементов кристаллической решетки на ионы водорода диссоциированных молекул воды.

С деятельностью воды связана также гидратация — химический процесс присоединения воды к минералам. В результате реакции происходит разрушение поверхности минералов, что в свою очередь усиливает их взаимодействие с окружающим водным раствором, газами и другими факторами выветривания.

Реакция присоединения кислорода и образования оксидов (кислотные, основные, амфотерные, солеобразующие) называется окислением. Окислительные процессы широко распространены при выветривании минералов, содержащих соли металлов, особенно железа.

В результате химического выветривания изменяется физическое состояние минералов, разрушается их кристаллическая решетка. Порода обогащается новыми (вторичными) минералами и приобретает такие свойства, как связность, влагоемкость, способность к поглощению и др.Биологическое выветривание — это процесс химического разрушения и химического изменения горных пород и минералов под влиянием организмов и продуктов их жизнедеятельности.

При биологическом выветривании организмы извлекают из породы необходимые для построения своего тела минеральные вещества и аккумулируют их в поверхностном горизонте породы, создавая условия для формирования почвы. Корни растений и микроорганизмы выделяют во внешнюю среду углекислый газ и различные кислоты (щавелевую, яблочную, янтарную, плавиковую, азотную, серную и др.), которые разрушают минералы и усиливают процесс выветривания.

Большая роль в биологическом выветривании монолитных пород принадлежит лишайникам, которые разрушают породы как химически, выделяя углекислоту и кислоты, так и механически, проникая гифами внутрь минералов и трещин горных пород.Животные в меньшей степени, чем растения, влияют на горные породы. Однако и они разрушают их путем механического разрыхления и выделения продуктов жизнедеятельности.

Разные породы и минералы имеют неодинаковую устойчивость к выветриванию. Более легко выветриванию подвергаются пористые породы с высоким содержанием минералов: вулканические пеплы, слюды и др. Наоборот, минералы с плотной структурой — устойчивы к выветриванию — это кварциты, граниты и др. Промежуточное положение занимают полевые шпаты.

Интенсивность выветривания зависит также от климатических условий и главным образом от температуры и количества осадков. В условиях засушливого климата продукты выветривания накапливаются, в условиях влажного климата — вымываются (выщелачиваются).

Особые признаки выветривания

Выветривание шерстяного мешка

→ Основная статья : Выветривание шерстяного мешка

Палеозойские песчаники, образованные выветриванием шерстяных мешков в Свентокшиском национальном парке , Свентокшиские горы, Польша

Образование типичных форм в породе, которое происходит в результате различных процессов выветривания, называется выветриванием шерстяных мешков. Первоначально в породе образуется примерно прямоугольная сеть трещин , которая может быть прослежена до физического выветривания, но также может развиваться в магматической породе из-за уменьшения объема при охлаждении. Вода проникает в породу в трещинах и приводит в движение процессы химического выветривания (например, гидролиз полевого шпата). Из трещин разложение продвигается в породу, что особенно быстро происходит на углах и краях, поскольку именно здесь отношение поверхности атаки к объему породы наибольшее. Находясь на поверхности, порода, подвергшаяся выветриванию, предпочтительно подвергается эрозии, что придает необработанным ранее открытым ядрам блоков округлую форму, напоминающую шерстяной мешок.

Обида

Структура гранитных пород ( гранит , гранодиорит ) распадается на отдельные минеральные зерна в результате полевых шпатов и слюды или в результате температурного выветривания . Это по размеру зерна вперед для тонкого песчаного-галечных материала голень называют и соответствующий процесс называется Vergrusung или Abgrusung . Образование гравия часто связано с выветриванием шерстяных мешков.

Альвеолярное выветривание

→ Основная статья : Tafone

Тафони на стене в Гозо , Мальта

Механизмы альвеолярного выветривания не совсем понятны. Предположительно, он возникает, в зависимости от преобладающих условий на месте, в результате различных типов выветривания (солевого выветривания, углекислого выветривания) в сочетании с эрозией ветром и водой. В первую очередь страдают песчаники. Полученные сотовые конструкции получили название тафони .

Биологическое выветривание

Мелкозернистый чехол продуктов химического выветривания в северной части Сахары (Ливия).

Фото Л. С. Пантелеева

свя­за­но с воз­дей­ст­ви­ем на гор­ные по­ро­ды рас­ти­тель­ных и жи­вот­ных ор­га­низ­мов. Ха­рак­тер­но для об­лас­тей с влаж­ным кли­ма­том. Боль­шую ме­ха­нич. ра­бо­ту, со­про­во­ж­даю­щую­ся мно­го­об­раз­ны­ми хи­мич. про­цес­са­ми, про­из­во­дят кор­ни рас­те­ний. Мик­ро­ор­га­низ­мы уча­ст­ву­ют в кру­го­во­ро­те N, S, P, Fe и др. эле­мен­тов. Вы­де­ляю­щие­ся в хо­де раз­ло­же­ния ор­га­нич. ос­тат­ков CO₂ и гу­ми­но­вые ки­сло­ты рез­ко уси­ли­ва­ют рас­тво­ряю­щую спо­соб­ность поч­вен­ных вод. За счёт био­хи­мической дея­тель­но­сти ли­шай­ни­ков да­же в пус­ты­нях по­яв­ля­ют­ся гли­ни­стые про­дук­ты В. При раз­ру­ше­нии гор­ных по­род воз­ни­ка­ют рас­тво­ры и ми­нер. но­во­об­ра­зо­ва­ния, на­хо­дя­щие­ся в фи­зи­ко-хи­ми­че­ском рав­но­ве­сии с по­верх­но­ст­ной сре­дой. Взаи­мо­дей­ст­вие ор­га­низ­мов и про­дук­тов их рас­па­да с вы­вет­ре­лы­ми по­ро­да­ми яв­ля­ет­ся сущ­но­стью поч­во­об­ра­зо­ва­ния.

В ре­зуль­та­те В. по­яв­ля­ет­ся не­сор­ти­ро­ван­ный рых­лый ма­те­ри­ал – элю­вий, со­хра­няю­щий струк­тур­ные при­зна­ки ис­ход­ных гор­ных по­род. Фи­зическое В. фор­ми­ру­ет об­ло­моч­ный элю­вий, хи­ми­че­ское В. – гли­ни­стый. На­ка­п­ли­ва­ясь на го­ри­зон­таль­ных и сла­бо­на­клон­ных по­верх­но­стях, элю­вий об­ра­зу­ет ко­ру вы­вет­ри­ва­ния, в ко­то­рой про­сле­жи­ва­ет­ся зо­наль­ность, от­ра­жаю­щая ста­дий­ность про­цес­са. С В. свя­зан оп­ре­де­лён­ный ге­не­ти­че­ский тип ме­сто­ро­ж­де­ний по­лез­ных ис­ко­пае­мых (см. Вы­вет­ри­ва­ния ме­сто­рож­де­ния).

В. яв­ля­ет­ся са­мым по­сто­ян­ным и мощ­ным фак­то­ром де­зин­те­гра­ции гор­ных по­род. Оно го­то­вит рых­лый ма­те­ри­ал, ко­то­рый ста­но­вит­ся дос­туп­ным для пе­ре­ме­ще­ния дру­ги­ми эк­зо­ген­ны­ми аген­та­ми (напр., во­да, ве­тер) или пе­ре­ме­ща­ет­ся на бо­лее низ­кие гип­со­мет­рич. уров­ни под дей­ст­ви­ем си­лы тя­же­сти. В тех слу­ча­ях, ко­гда про­дук­ты В. не ос­та­ют­ся на мес­те сво­его об­ра­зо­ва­ния, не­ред­ко за счёт из­би­ра­тель­ной де­ну­да­ции воз­ни­ка­ют свое­об­раз­ные фор­мы рель­е­фа, за­ви­ся­щие как от ха­рак­те­ра В., так и от свойств гор­ных по­род. Для маг­ма­ти­че­ских по­род (гра­ни­ты, диа­ба­зы и др.) ха­рак­тер­ны мас­сив­ные ок­руг­лён­ные фор­мы В.; для слои­стых оса­доч­ных и ме­та­мор­фи­че­ских – сту­пен­ча­тые (кар­ни­зы, ни­ши и т. п.). Не­од­но­род­ность по­род и не­оди­на­ко­вая ус­той­чи­вость их разл. уча­ст­ков к В. ве­дут к об­ра­зо­ва­нию ос­тан­цов в ви­де изо­ли­ро­ван­ных гор, стол­бов, ба­шен и т. п.

Химическое выветривание

Химическое выветривание представляет собой процесс химического преобразования минералов и горных пород под воздействием воды, кислорода, углекислого газа, органических кислот, а также вследствие биогеохимических процессов.

Преобразование происходит вследствие реакций окисления и гидратации (например, преобразование пирита по схеме FeS₂ + mH₂O + nO₂ – FeSO₄ — Fe₂SO₄ – Fe(OH)₃ – Fe₂O₃.nH₂O), растворения и гидролиза. Особое место занимают реакции гидролиза — ионного обмена между веществами и водой, приводящие к разрушению даже весьма устойчивых структур силикатов, сопровождающемуся их гидратацией и выносом элементов из кристаллической решётки. Примером такой реакции, может служить разрушение каркасной структуры полевых шпатов (самых распространённых в земной коре минералов) с образованием глинистых минералов и, далее, гиббсита:

K[AlSiO₃] + CO₂ + H₂O – Al₄[Si₄O₁₀](OH)₈ + K₂CO₃ + SiO₂ – AlО(OH)₃ + SiO₂.

Необходимо отметить ещё одну функцию воды, без которой невозможно химическое преобразование пород: вода обеспечивает «доставку» агентов химического выветривания и вынос продуктов реакций. 

Транспортировка веществ происходит почвенно-грунтовыми водами в виде истинных и коллоидных растворов.

Важное значение в процессах химического выветривания имеют органические кислоты, активно способствующие разложению минералов. Процессы химического выветривания протекают ниже почвенного слоя, просачиваясь через который воды обогащаются органическими соединениями

Необходимыми условиями глубоко химического выветривания являются:

• климат, при котором достигается сочетание высоких температур и влажности (гумидный тропический);
• обилие и характер растительности (при её разложении образуются органические кислоты, активно разрушающие минералы);
• выровненный рельеф, обеспечивающий неподвижность продуктов разрушения;
• продолжительность выветривания.

Важно подчеркнуть роль ландшафтных условий. В гумидных ландшафтах развита лесная растительность, обладающая огромной биомассой и разлагающаяся почве микроорганизмами с образованием органических кислот, поэтому почвенные воды гумидных ландшафтов обладают кислой реакцией и активно воздействует на минералы исходных горных пород; в таких условиях выветривание протекает под воздействием постоянного промывания горных пород кислыми растворами

В аридных ландшафтах, отличающихся недостаточной увлажнённостью, распространена травянистая растительность. Её биомасса в десятки раз меньше биомассы лесов. Кроме того, почвенная микрофлора перерабатывает растительные остатки с образованием высокополимеризованных органических соединений, которые не обладают агрессивными свойствами по отношению к минералам. Почвенные воды имеют нейтральную или слабощелочную реакцию, поэтому интенсивного промывания выветривающейся толщи агрессивными возами не происходит, и в ней постепенно сохраняются относительно легкорастворимые соединения.

Процессы химического разложения приводят к разрушению кристаллических решёток минералов, даже весьма устойчивых, высвобождению из них химических элементов. Так выветривание гранитов может завершиться формированием за сёт слагающих их минералов толщи глин, обогащённых водными окислами алюминия.