Процессы выветривания

Выве́тривание — разрушение горных пород. Совокупность сложных процессов качественного и количественного преобразования горных пород и слагающих их минералов, приводящих к образованию продуктов выветривания. Происходит за счёт действия на литосферу гидросферы, атмосферы и биосферы. Если горные породы длительное время находятся на поверхности, то в результате их преобразований образуется кора выветривания. Различают три вида выветривания: физическое (лёд, вода и ветер) (механическое), химическое и биологическое.

                            ФИЗИЧЕСКОЕ ВЫВЕТРИВАНИЕ

В этом типе наибольшее значение имеет температурное выветривание, которое связано с суточными  и сезонными колебаниями температуры, что вызывает то нагревание, то охлаждение поверхностной части горных пород. Вследствие резкого различия теплопроводности, коэффициентов теплового расширения и сжатия и анизотропии тепловых свойств минералов, слагающих горные породы, возникают определенные напряжения. Особенно ярко это выражено в многоминеральных магматических и метаморфических  породах (гранитах, сиенитах, габбро, гнейсах, кристаллических сланцах и др.), образовавшихся в глубинах Земли  в специфической термодинамической  обстановке, в условиях высоких температур и давлений. При выходе на поверхность  такие породы оказываются малоустойчивыми, так как коэффициент расширения разных породообразующих минералов  неодинаков. В качестве примера можно  привести такие важные породообразующие минералы гранита, как ортоклаз, альбит и кварц. Коэффициент объемного  расширения ортоклаза, например, в три  раза меньше, чем у альбита, и в  два раза меньше, чем у кварца. Кроме того, коэффициент расширения даже у одного и того же породообразующего  минерала неодинаков по разным кристаллооптическим  осям, как, например, у кристаллов кварца и кальцита, что приводит при колебаниях температуры к возникновению  местных напряжений и разрушению одноминеральных горных пород, таких, как мраморы, известняки, кварцевые  песчаники и др.

 

Большие различия коэффициента "расширение - сжатие" породообразующих минералов при длительном воздействии  колебаний температуры приводят к тому, что взаимное сцепление  отдельных минеральных зерен  нарушается, образуются трещины и  в конце концов происходит дезинтеграция  горных пород, их распад на отдельные  обломки различной размерности (глыбы, щебень, песок и др.). Дезинтеграции горных пород, возможно, способствуют также конденсация и адсорбция (от лат. "ад" - при, "сорбере" - глотать) водяных паров и пленок на стенках возникающих трещин.

Процесс температурного выветривания, вызывающего механическую дезинтеграцию  горных пород, особенно характерен для  экстрааридных и нивальных ландшафтов с континентальным климатом и  непромывным типом режима увлажнения. Особенно наглядно это проявляется  в областях пустынь, где количество выпадающих атмосферных осадков  находится в пределах 100-250 мм/год (при колоссальной испаряемости) и  наблюдается резкая амплитуда суточных температур на незащищенной растительностью  поверхности горных пород. В этих условиях минералы, особенно темноцветные, нагреваются до температур, превышающих  температуру воздуха, что и вызывает дезинтеграцию горных пород и  на консолидированном ненарушенном субстрате формируются обломочные продукты выветривания. В пустынях наблюдается шелушение, или десквамация (лат. "десквамаре" - снимать чешую), когда от гладкой поверхности  горных пород при значительных колебаниях температур отслаиваются чешуи или  толстые пластины, параллельные поверхности. Этот процесс особенно хорошо можно  проследить на отдельных глыбах, валунах .

В жарких пустынных областях механическое воздействие на горные породы и их дезинтеграция осуществляются также ростом кристаллов солей, образующихся из вод, которые попадают в капиллярные  трещины в виде растворов. При  сильном нагревании вода испаряется, а соли, содержащиеся в ней, кристаллизуются, в результате увеличивается давление, капиллярные трещины расширяются, что способствует нарушению монолитности горной породы. Нередко возникают  карбонатные пленки. Температурное  выветривание весьма активно протекает  также на вершинах и склонах гор, не покрытых снегом и льдом, где воздух прозрачный и инсоляция больше, чем  в прилежащих низменностях. Более  или менее выположенные поверхности  гор нередко бывают покрыты глыбово-щебнистыми продуктами выветривания. В то же время  на горных склонах наряду с выветриванием  развиваются различные гравитационные процессы: обвалы, камнепад, осыпи, оползни. Все данные об указанных гравитационных процессах детально рассмотрены  в учебнике по геоморфологии. Здесь  же отметим, что накопившиеся в основании  склонов и их подножий продукты гравитационных процессов (осыпей, обвалов) представляют своеобразный генетический тип континентальных  отложений, называемых коллювием (от лат. "коллювио" - скопление).

Интенсивное физическое (механическое) выветривание происходит в районах  с суровыми климатическими условиями (в полярных и субполярных странах) с наличием многолетней мерзлоты, обусловливаемой ее избыточным поверхностным  увлажнением. В этих условиях выветривание связано главным образом с  расклинивающим действием замерзающей  воды в трещинах и с другими  физико-механическими процессами, связанными с льдообразованием. Температурные  колебания поверхностных горизонтов горных пород, особенно сильное переохлаждение, зимой, приводят к объемно-градиентному напряжению и образованию морозобойных трещин, которые в дальнейшем разрабатываются  замерзающей в них водой. Хорошо известно, что вода при замерзании увеличивается в объеме более  чем на 9%. В результате развивается  давление на стенки крупных трещин, вызывающее большое расклинивающее напряжение, раздробление горных пород  и образование преимущественно  глыбового материала. Такое выветривание иногда называют морозным. Расклинивающее воздействие на горные породы оказывает  также корневая система растущих деревьев. Механическую работу производят и разнообразные роющие животные. В заключение следует сказать, что  чисто физическое выветривание приводит к раздроблению горных пород, к механическому  разрушению без изменения их минералогического  и химического состава.

                            ХИМИЧЕСКОЕ ВЫВЕТРИВАНИЕ

Одновременно с физическим выветриванием в областях с промывным  типом режима увлажнения происходят и процессы химического изменения  с образованием новых минералов. При механической дезинтеграции  плотных горных пород образуются макротрещины, что способствует проникновению  в них воды и газа и, кроме того, увеличивает реакционную поверхность  выветривающихся пород. Это создает  условия для активизации химических и биогеохимических реакций. Проникновение  воды или степень увлажненности  не только определяют преобразование горных пород, но и обусловливают  миграцию наиболее подвижных химических компонентов. Это находит особенно яркое отражение во влажных тропических  зонах, где сочетаются высокая увлажненность, высокотермические условия и  богатая лесная растительность. Последняя  обладает огромной биомассой и значительным спадом. Эта масса отмирающего  органического вещества преобразуется, перерабатывается микроорганизмами, в  результате в большом количестве возникают агрессивные органические кислоты (растворы). Высокая концентрация ионов водорода в кислых растворах  способствует наиболее интенсивному химическому  преобразованию горных пород, извлечению из кристаллических решеток минералов катионов и вовлечению их в миграцию.

Особая роль биосферы в  геологических процессах была отмечена в работах крупнейшего русского ученого В. И. Вернадского. Он ввел понятие  о "живом веществе" как перманентном геологическом деятеле, как аккумуляторе и перераспределителе Солнечной  энергии. Он писал: "Захватывая энергию  Солнца, живое вещество создает химические соединения, при распадении которых  эта энергия освобождается в  форме, могущей производить химическую работу"; "живое вещество есть форма активизированной материи  и эта энергия тем больше, чем  больше масса живого вещества"6 . К процессам химического выветривания относятся окисление, гидратация, растворение  и гидролиз.

Окисление особенно интенсивно протекает в минералах, содержащих железо. В качестве примера можно  привести окисление магнетита, который  переходит в более устойчивую форму - гематит (Fe204  Fе203). Такие преобразования констатированы в древней коре выветривания КМА, где разрабатываются богатые  гематитовые руды. Интенсивному окислению (часто совместно с гидратацией) подвергаются сульфиды железа. Так, например, можно представить выветривание пирита:

FeS2 + mO2 + nН2О FeS04  Fе2(SО4)  Fе2O3.nН2О

Лимонит (бурый железняк)

 

На некоторых месторождениях сульфидных и других железных руд  наблюдаются "бурожелезняковые шляпы", состоящие из окисленных и гидратированных  продуктов выветривания. Воздух и  вода в ионизированной форме разрушают  железистые силикаты и превращают двухвалентное  железо в трехвалентное.

Гидратация. Под воздействием воды происходит гидратация минералов, т.е. закрепление молекул воды на поверхности отдельных участков кристаллической структуры минерала. Примером гидратации является переход  ангидрита в гипс: ангидрит-CaSO4+2H2O CaSO4.2H20 - гипс. Гидратированной разновидностью является также гидрогётит: гётит - FeOOH + nH2O  FeOH.nH2O - гидрогётит.

 

Процесс гидратации наблюдается  и в более сложных минералах - силикатах.

Растворение. Многие соединения характеризуются определенной степенью растворимости. Их растворение происходит под действием воды, стекающей  по поверхности горных пород и  просачивающейся через трещины  и поры в глубину. Ускорению процессов  растворения способствуют высокая  концентрация водородных ионов и  содержание в воде О2, СО2 и органических кислот. Из химических соединений наилучшей  растворимостью обладают хлориды - галит (поваренная соль), сильвин и др. На втором месте - сульфаты - ангидрит и  гипс. На третьем месте карбонаты - известняки и доломиты. В процессе растворения указанных пород  в ряде мест происходит образование  различных карстовых форм на поверхности  и в глубине .

Гидролиз. При выветривании силикатов и алюмосиликатов важное значение имеет гидролиз, при котором  структура кристаллических минералов  разрушается благодаря действию воды и растворенных в ней ионов  и заменяется новой существенно  отличной от первоначальной и присущей вновь образованным гипергенным  минералам. В этом процессе происходят: 1) каркасная структура полевых  шпатов превращается в слоевую, свойственную вновь образованным глинистым гипергенным  минералам; 2) вынос из кристаллической  решетки полевых шпатов растворимых  соединений сильных оснований (К, Na, Ca), которые, взаимодействуя с СО2 , образуют истинные растворы бикарбонатов и карбонатов (К2СО3, Na2СО3, СаСО3). В условиях промывного режима карбонаты и бикарбонаты  выносятся за пределы места их образования. В условиях же сухого климата  они остаются на месте, образуют местами  пленки различной толщины, или выпадают на небольшой глубине от поверхности (происходит карбонатизация); 3) частичный  вынос кремнезема; 4) присоединение  гидроксильных ионов.

Процесс гидролиза протекает  стадийно с последовательным возникновением нескольких минералов. Так, при гипергенном  преобразовании полевых шпатов возникают  гидрослюды, которые затем превращаются в минералы группы каолинита или  галуазита:

 

K[AlSi3O8]  (К,Н3О)А12(ОН)2[А1Si3О10]. Н2O  Аl4(ОН)8[Si4O10]

ортоклаз гидрослюда каолинит

В умеренных климатических  зонах каолинит достаточно устойчив и в результате накопления его  в процессах выветривания образуются месторождения каолина. Но в условиях влажного тропического климата может  происходить дальнейшее разложение каолинита до свободных окислов  и гидроокислов:

Al4(OH)8[Si4O10] Al(OH)3+SiO2. nH2O

гидраргиллит

Таким образом, формируются  окислы и гидроокислы алюминия, являющиеся составной частью алюминиевой руды - бокситов.

При выветривании основных пород и особенно вулканических  туфов среди образующихся глинистых  гипергенных минералов наряду с  гидрослюдами широко развиты монтмориллониты (Al2Mg3) [Si4O10](OH)2*nH2O и входящий в эту  группу высокоглиноземистый минерал  бейделлит А12(ОН)2[А1Si3О10]nН2O. При выветривании ультраосновных пород (ультрабазитов) образуются нонтрониты, или железистые монтмориллониты (FeAl2)[Si4O10](OH)2. nН2О. В  условиях значительного атмосферного увлажнения происходит разрушение нонтронита, при этом образуются окислы и гидроокислы  железа (явление обохривания нонтронитов) и алюминия.

                                        КОРА ВЫВЕТРИВАНИЯ

Совокупность несмещенных  продуктов выветривания, оставшихся на месте разрушения коренных пород, называется корой выветривания. На разных породах формируются разные коры выветривания. Коры выветривания формировались в различные этапы  геологической истории, и с ними связаны важнейшие полезные ископаемые: железные руды, алюминий (бокситы), каолинит, никелевые рудыи др.

 

 

 

 

 

 

                                               Литература

1. Короновский Н.В. Общая  геология: учебник. М.: КДУ, 2006. – 528 с. 

2. Якушова А.Ф., Хаин В.Е., Славин В.И. Общая геология. Учебник.  М: Изд-во МГУ. 1988.

448с. 

3. Короновский Н.В., Якушова  А.Ф. Основыгеологии. М., Высшая школа, 1991.

4. Кора выветривания и  гипергенное рудообразование. М., 1977.

5. Бушинский Г.П., Теняков  В.А. Выветривание - процессы, породыи руды // Литология и полезные ископаемые. 1977. N 5.