Изменения в минералах и горных породах при их выветривании. Зональность процессов выветривания

Вся вообще кора выветривания представляет собой, как мы видели, сложную дисперсную систему, в которой твердая фаза занимает в среднем около 70% всего пространства, остальное же приходится на долю жидкой и газообразной фазы. Между элементами этих фаз возникают взаимодействия, и грандиозная поверхность раздела между ними увеличивает количество и интенсивность этих взаимодействий. Энергия взаимодействий и движений в зоне и коре выветривания имеет два различных источника: первый — это более глубокие зоны литосферы, откуда материя приходит с запасом энергии, переходящей в зоне выветривания в различные активные формы; вторым источником является лучистая космическая и особенно солнечная энергия, которая поглощается внешними оболочками земной коры и в том числе зоной выветривания и также подвергается трансформации. Особенно крупную, но отнюдь неисключительную роль в этой трансформации играет биосфера, а в коре выветривания, следовательно, почва.

Соответственно протекающим в зоне выветривания поглощению и рассеянию энергии, все процессы и реакции, совершающиеся в ее пределах, можно разделить на две категории: выделяющие энергию — экзоэнергетические и поглощающие энергию — эндоэнергетические. К первой категории относятся процессы, направленные к понижению дисперсности материальной среды, а именно переход из газообразного в жидкое и из жидкого в твердое состояние, поглощение газов и паров жидкими и твердыми телами, реакции гидратации, окисления и в том числе дыхание организмов и тление их трупов, целый ряд последовательных реакций, направленных к образованию наименее растворимых нейтральных солей и т. п.

Все эти процессы дают наименее работоспособные формы весомой материи, которые, однако, не образуют склада косной материи, но вовлекаются снова во взаимодействия и движения, благодаря процессам второй категории, а именно: повышению дисперсности материальных систем, т. е. раздроблению твердых тел, переходу их в жидкое и газообразное

В.И. Вернадский различает три источника энергии геологических процессов: космическую (в том числе солнечную), земную и внутреннюю энергию материи (см. «Очерки геохимии»). Мы не сомневаемся в едином начале всех видов энергии и даем деление лишь по пространственному признаку, имеющему значение только для данного состояния данной системы.

Эти экзо- и эндоэнергетические взаимодействия, тесно переплетаясь одни с другими, и создают те частные циклы и те части общих циклов превращения материи, которые свойственны коре выветривания (Полыванов, 1934).

3.3 Кора выветривания и почвообразование

Важнейшим звеном геологического круговорота веществ на Земле является процесс выветривания горных пород и формирования коры выветривания.

Типы пород. Вулканогенно-обломочные породы образуются из обломков, выброшенных во время извержения вулканов. Метаморфические породы — продукт изменения других пород под влиянием давления и высоких температур без расплавления и притока или оттока веществ, кроме газообразных. Метасоматические породы, в отличие от последних, образуются в условиях, обеспечивающих приток или отток веществ и сохранение первоначального объема, несмотря на повышенное давление и температуру.

По характеру влияния на почвообразовательный процесс горные породы целесообразно разделить на 4 группы; 1) магматические породы и породы высокотемпературной метаморфизации, 2) рыхлые осадочные и метасоматические породы, 3) вулканогенно (или вулкано)обломочные породы, 4) плотные осадочные, метаморфические (низкотемпературной метаморфизации) и метасоматические породы.

Магматические породы (I отдел) подразделяются на 3 ряда по содержанию щелочей: нормальный, известково-щелочной и щелочной. Породы каждого из рядов делятся на группы по содержанию кремнезема: ультракислые, кислые, средние, основные и ультраосновные. Наконец, породы каждой группы по условиям кристаллизации магмы делятся на две подгруппы: интрузивные (глубинные, плутонические) и эффузивные (излившиеся, вулканические).

Метаморфические породы, сформировавшиеся при высокой температуре (400—800°), по составу и свойствам близки к интрузивным магматическим породам. Это гранито-гнейсы, гнейсы, кристаллические сланцы, амфиболиты, чарнокиты, мигматиты. Поэтому в классификации почвообразующих пород мы объединяем эти породы с магматическими. По почвообразующему эффекту они близки друг к другу.

В результате выветривания магматических пород образуются, прежде всего, рыхлые осадочные породы. Наиболее важны гранулометрические различия между ними, поскольку элементарные частицы разного размера обладают разным минералогическим и, следовательно, разным химическим составом. Камни размером, превышающим 3 мм, представлены главным образом обломками пород; гравий, дресва, хрящ — частицы размером 1—3 мм состоят из обломков пород и в меньшей степени зерен минералов, из которых чаще всего преобладают кварц и полевые шпаты. Песчаные (1—0,05 мм) и пылеватые (0,05—0,001 мм) фракции в большинстве случаев состоят преимущественно из зерен кварца и полевого шпата с более или менее значительной примесью тяжелых минералов: слюд, амфиболов, пироксенов, рудных минералов и др. Илистая фракция (частицы <с0,001 мм) представлена глинистыми минералами с примесью кварца, полевых шпатов, аморфных веществ.

Породы разного гранулометрического состава обладают не только разным минералогическим и химическим составом, но и существенно различными водно-физическими свойствами, определяющими направление почвообразования и плодородие почв. Поэтому в предлагаемом руководстве рыхлые осадочные породы подразделяются, прежде всего, по гранулометрическому составу на следующие группы: грубообломочные, пески, пылевато-суглинистые (лёссы и лёссовидные суглинки), глины, валунные суглинки, многочленные породы.

Описание рыхлых пород начинается с лёссов и лёссовидных суглинков, поскольку именно на них зональные, биоклиматические факторы отражаются особенно ярко и именно на них формируется спектр почв, наиболее фундаментально изученных со времени В.В. Докучаева.

Рыхлые породы являются не только продуктом выветривания, но также образуются в результате метасоматических процессов — глубинного преобразования различных пород гидротермальными водами. Так возникают, например, глины, особенно часто монтмориллонитовые. Поэтому II отдел почвообразующих пород представляют не только рыхлые осадочные породы, но и рыхлые метасоматические породы.

почвообразующих пород — вулканогенно-обломочные породы. Они состоят из обломков, выброшенных во время извержения вулкана. По происхождению и свойствам занимают промежуточное положение между магматическими и осадочными породами.

В настоящее время эти породы изучены менее, чем породы другого генезиса, материала по почвообразованию на разных группах этих пород накоплено немного. В пособии основное внимание уделено эксплозивно-обломочным породам (пеплам, туфам), которые обладают наиболее своеобразными почвообразующими свойствами.

IV отдел — плотные осадочные, метаморфические и ме тасоматические породы, представленные породами, разнообразными по происхождению, минералогии, химизму, физическим свойствам. Сюда входят такие осадочные породы, как обломочные глинистые сланцы и песчаники, карбонатные известняки, доломиты и мергели, кремнистые трепелы и опоки. К этому отделу принадлежат метаморфические породы, образовавшиеся в условиях низкой и средней температурной ступени метаморфизма (до 400°), — филяиты, зеленые сланцы, кристаллические известняки и доломиты, кристаллические песчаники и такая метасоматическая порода, как серпентинит, пропилит и др.

3.4 Элементарные процессы выветривания минералов и пород

Горные породы магматического происхождения образуются в совершенно иных термодинамических условиях по сравнению с теми, в которых они оказываются на дневной поверхности. Поэтому горные породы и минералы магматического происхождения подвергаются весьма глубоким изменениям под воздействием условий, свойственных наземной обстановке.

Сходного рода глубокие качественные изменения происходят с метаморфическими и плотными осадочными породами, которые уже раньше подвергались выветриванию и которые вновь выветриваются после нового соприкосновения с наземными условиями.

Вся совокупность сложных и разнообразных процессов количественного и качественного изменения горных пород и слагающих их минералов под воздействием атмосферы, гидросферы и биосферы называется выветриванием. В процессах выветривания происходит разрушение одних горных пород и минералов и образование других пород и вновь синтезированных минералов.

Процессы выветривания горных пород происходили на Земле и до появления жизни, но они были стерильными. Возраст процессов выветривания необычайно велик и уходит далеко к началу истории формирования осадочных пород, т. е. до 3 млрд. лет.

Вся толща осадочных пород земной коры, а также оболочка гранитных и метаморфических пород прошли через длительные и неоднократные циклы выветривания и метаморфизма.

Первоначально выветривание захватило преимущественно породы магматического происхождения, так как осадочных пород (исключая осадки космического и вулканического происхождения) еще не существовало. Возникновение жизни на Земле качественно изменило и существенно ускорило процессы выветривания как путем непосредственного воздействия высших и низших организмов па горные породы, так и косвенно через

воздействие продуктов их жизнедеятельности. По мере формирования на земной коре толщ осадочных и метаморфических пород выветривание в своем дальнейшем развитии захватывало и их. Однако далеко не вся толща осадочных пород подвергается современному выветриванию.

В сферу современного выветривания включаются лишь верхние свиты земной коры, находящиеся под непосредственным влиянием агентов атмосферы, гидросферы и биосферы.

К процессам выветривания необходимо относить также и те изменения горных пород, которые происходят под морскими или грунтовыми водами. Иногда эти изменения называют «гармиролизом». Разрушение горных пород водоносных горизонтов крайне усиливают минерализованные растворы, что, в свою очередь, ведет к появлению в грунтовых водах новых подвижных соединений.

Совокупность процессов выветривания горных пород настолько глубоко их преобразует, что возникает необходимость выделять особую геологическую формацию современных осадочных пород, образованную землистыми продуктами — так называемую кору выветривания.

Мощность и минералогический состав коры выветривания зависят от интенсивности выветривания (особенно высокой во влажном теплом климате), продолжительности этих процессов, а также от условий сохранения и переноса продуктов, образующихся при выветривании.

На первый взгляд совершенно неизмененная поверхность скал магматических горных пород в действительности имеет тонкую (1—2 мм) пленку выветривания, образовавшуюся под воздействием климатических факторов и микроорганизмов.

Поверхность гранитов и гнейсов Скандинавии и Карелии, освободившихся от ледникового покрова 5—6 тыс. лет назад, зачастую имеет кору выветривания, равную 10—20 см. Красноцветная кора выветривания в субтропических районах Западней Грузии достигает мощности 7—10 му а третичные аллитные коры выветривания влажных тропических районов Азии и Африки достигают мощности 150 м.

Теплый влажный климат весьма увеличивает интенсивность и степень выветривания.

Необходимо различать современные, древние и ископаемые коры выветривания. Современные коры выветривания образовались в четвертичном периоде или лишь в послеледниковое время. В некоторых районах, например в Западном Закавказье и Центральной Азии, кора выветривания сохранилась и продолжает формироваться непрерывно с третичного времени. В тропической Африке аллитные и бокситовые толщи существуют с третичного и, возможно, мелового периодов.

Мощные коры выветривания, как современные, так и древние, могут сохраниться только в условиях относительно равнинного рельефа или на склонах и, особенно под покровом лесов, защищающих мелкозем от смыва. Поднятие и расчленение суши, естественно, не способствует сохранению продуктов выветривания на месте и образованию мощной остаточной коры выветривания. Поэтому области поднятий и особенно горные безлесные территории характеризуются отсутствием мощной коры выветривания.

Погребенные и вторично вскрытые эрозией древние коры выветривания третичного, юрского, девонского и даже докембрийского возраста описаны на территории Центрального Казахстана, Урала, Украины. Это древние коры выветривания, имеющие мощность до 60—300 м (Гинзбург, 1947), переживали крайне сложную историю. При опускании суши они были закрыты новыми осадочными отложениями. Однако затем на многих пространствах Центрального Казахстана и Южного Урала древние коры выветривания были выведены эрозией на поверхность. Они являются субстратом для современного почвообразования. То же наблюдается и на других континентах (например, в Австралии).

На территории Советского Союза описаны четыре разновидности ископаемых древних кор выветривания: а) окремневшие, свойственные условиям полупустынного и пустынного климата третичного периода на территории Центральной Азии; б) каолинитовые, свойственные условиям влажного, мягкого, умеренного либо влажно-субтропического климата карбонового периода на громадных пространствах Украины и Урала; в) аллитные (окислы алюминия) — в условиях тропического влажного климата мезозоя на территории Урала, Сибири, Казахстана; г) бокситовые— в районах Курской магнитной аномалии.

Б.Б. Полынов (1934) ввел понятие об остаточных и аккумулятивных типах коры выветривания. До него корой выветривания назывались лишь остаточные продукты, накопившиеся па месте их образования. В дальнейшем изложении мы различаем остаточные, транзитные и аккумулятивные типы коры выветривания, которые формируются остаточными и перемещенными продуктами выветривания.

Для остаточной коры выветривания характерно определенное сочетание горизонтов (слоев) сверху вниз. Самые верхние горизонты коры выветривания обычно совмещены с почвой, обогащены гумусом и представлены вновь образованными минералами, глубоко отличными от минералов исходной горной породы.