Механическое, химическое и биологическое выветривание.

 

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. 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.

 

Очевидно, что температурное выветривание шире всего проявляется в условиях жаркого климата, особенно в пустынях, где велики перепады дневных и ночных температур, достигающие 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. 5.2).

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

 

Рис. 5.2. 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.

Растворение играет наиболее важную роль, т.к. связано с воздействием воды, в которой растворены ионы Na⁺, K⁺, Mg²⁺, Ca²⁺, Cl, SO^2-, HCO₃^-. Особенно существенны ионы водорода (Н⁺), гидроксильный ион (ОН^-) и содержание О₂, СО₂ и органических кислот. Как известно, концентрация ионов Н⁺ оценивают в виде рН – логарифма концентрации ионов. При рН=6 растворимость железа в 100 000 раз (!) больше, чем при рН=8,5. Глинозем – Al₂O₃, практически нерастворимый при рН от 5 до 9, при рН< 4 прекрасно растворяется. Кремнезем – SiO₂ значительно увеличивает свою растворимость при переходе от кислых растворов с рН <7 к щелочным рН >7. Отсюда ясно, какую важную роль играют 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 растворяется NaCl – 36 частей, RCl – 32Б MgCl – 56, CaCl – 67. Карбонаты и сульфаты растворяются хуже, например, на 10000 частей воды всего 20 частей CaSO₄ или 25 частей CaSO₄⋅2H₂O. 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. 8.0).

 

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 + n O₂ + m H₂O → FeSO₄ →Fe₂ (SO₄) → Fe₂O₃ ⋅n H₂O

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 Fe₂O_3, обладающие красной окраской. Вот почему в тропических областях коры выветривания превращаются в твердую красную породу – латерит (латер – кирпич, лат.).

 

Восстановление происходит в условиях отсутствия 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 СО₂ приводит к образованию нерастворимого минерала каолинита и выносу бикарбоната калия и кремнезема:

 

K₂Al₂Si₆O₁₀ + 2 H₂O + CO₂ → H₂Al₂Si₂O₁₈ ⋅ H₂O + K₂CO₃ + 4 SiO₂

 

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 – AlO(OH)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 других. 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 образование новых минералов. Самый простой пример – переход ангидрита в гипс: CaSO₄ + 2 H₂O ⇔ CaSO₄ ⋅ 2H₂O

 

Или гематита в гидроокислы железа:

 

Fe₂O₃ + n H₂O ⇔ Fe₂O₃ ⋅ n H₂O

 

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 поверхности камней под микроскопом, 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, микроспоринами, 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 поверхностях камней преобладают микроскопические грибы, гифы которых активно растут, удлиняются и, в конце концов, покрывают все 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, K, Ca, Mg, Na, B, Sr, Fe, Si, Al и др., что подтверждается их большим содержанием в золе растений, выросших на горных породах. Даже Si извлекаются из кристаллических решеток алюмосиликатов. Следовательно, организмы участвуют в разложении минералов. Однако, они и возвращают 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 СО₂ 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.