Геологическая работа ветра

Геологическая работа ветра -изменение и разрушение горных пород на поверхности Земли под влиянием резких колебаний температуры воздуха, замерзающей в пустотах и трещинах горных пород воды, углекислоты, кислорода и организмов.

При этом совершаются процессы физического ( механического), химического и биологического характера.В природе они обычно проявляются одновременно с преобладанием тех или иных разрушающих сил, поэтому выделение каждого из них в чистом виде практически невозможно. Особенно в тесном взаимодействии находятся химические и биологические процессы при выветривании, поэтому их часто объединяют под названием биохимических.

Поскольку различные организмы разрушают горные породы как механически, так и химически, многие авторы ограничиваются рассмотрением процесса выветривания-физических и химических, учитывая роль организмов в каждом из них отдельно.Первоначальный смысл термина выветривание( видимо, из Германии) сейчас уже не отвечает сущности процесса и неправильно звучит на русском языке, всегда вызываяу студентов представление о деятельности ветра.

Геологическая работа ветра не имеет прямого отношения к процессам выветривания и сводится в основном к переносу, шлифовке, измельчению продуктов механического ( физического) разрушения. Для процессов преобразования горных пород и минералов на поверхности Земли более правильным следует считать термин гипергенез( гипергенез-термин, который впервые был предложен в 1922 г. академиком А.Е. Ферсманом), который и будет использован ниже как синоним выветривания.

Читай далее элювиальные отложения

При химическом разрушении минералов и горных пород образуются новые-вторичные гипергенные минералы, устойчивые в условиях поверхности. В результате процесса выветривания формируется совершенно особое минеральное образование кора выветривания -верхняя( подпочвенная) часть литосферы в пределах континентов, где горные породы, возникающие в условиях высоких температур и давлений, соприкасаясь с атмосферой, гидросферой и биосферой, изменяют свой химический состав, стремясь установить равновесие с новой термодинамической обстановкой.

Основным условием гипергенного преобразования горных пород является наличие жидкой среды для самых разнообразных процессов. При химических или биохимических изменениях главными факторами гипергенеза кроме воды будут являться свободный кислород, углекислый газ и органические вещества, при физическом измельчении пород действуют резкие перепады температур, замерзание воды и кристаллизация солей в трещинах и пустотах горных пород, деятельность роющих организмов и растущих корневых систем растений.

Физические процессы при выветривании

Температурные колебания дня и ночи, зимы и лета  вызывают попеременное нагревание и охлаждение горных пород, а значит их расширение и сжатие.Под влиянием сменяющихся сжатий и расширений силы сцепления между минеральными зернами горной породы ослабевают и они растрескиваются ( температурное разрушение, измельчение).

На интенсивность разрушения горной породы влияет величина слагающих ее минеральных зерен, их свойства и окраска.Быстрее разрушаются крупнозернистые разности и темноокрашенные; особенно интенсивно выветриваются породы содержащие черную слюду( разрушение идет по ослабленным местам спайности).Большое значение имеет и различие в величинах коэффициентов теплового расширения минералов, составляющих породу.

Так, например, при нагревании бруска гранита длиной 30 см на 1°С расширение ортоклаза составит 0,00026 см, а расширение кварца-0,00040 см.Поэтому при смене нагревания и охлаждения породы, состоящие из нескольких различных минералов, разрушаются более интенсивно.Соответственно этому мономинеральные породы, состоящие из анизотропных минералов разрушаются скорее, чем сложенные изотропными веществами и так далее.

Тепло и холод не успевают проникнуть в течении суток в глубь породы, поэтому расширению и сжатию подвергаются главным образом зерна приповерхностных частей породы, что вызывает их постепенное отслаивание, чешуйчатое шелушение или десквамацию пород.Наиболее интенсивно температурное разрушение протекает в сухих ( аридных) зонахс резко континентальным климатом, со слабым растительным покровом.Это области пустынь и высокогорных районов (территории Средней Азии, Центрального Кавказа и других).

В Каракумах, например, суточная амплитуда температурных колебаний в атмосфере равна 50, а на почве 80°С.Наблюдения за силой выветривания на участке андезитов северного склона Центрального Кавказа показали, что за 25 месяцев с площади 1600 м² поступило 360 м³ обломочного материала. В высоких полярных и субполярных широтах, в горных районах выше снеговой линии, а также в умеренном климате часть выпадающих осадков проникает в трещины, задерживается в них и при понижении температуры ниже 0°С замерзает.

При замерзании вода увеличивается в объеме примерно на 9%, что создает давление на стенки трещин породы, достигая 200 МПа. Происходит расширение и углубление трещин с расчленением породы на отдельные обломки( морозное разрушение).В новые трещины вновь попадает вода и процесс повторяется. Корни растений усиливают раздробленность трещиноватых участков пород.

Рисунок-1. Биохимическое разрушение горной породы различными видами растений.

Видны трещины механического разрушения

Землерои и земляные черви буравят и измельчают породы. Подсчитано что в среднем каждые 0,5 га почвы содержат до 150 000 червей, которые за год поднимают к поверхности от 10 до 15 т тонко измельченного материала. Огромную работу совершают различные группы бактерий ( на 1 га почвы микроорганизмы составляют от 3 до 7 т от ее массы).

В результате механического раздробления горных пород образуются обломки различной величины и формы. При этом более крупные обломки по своему составу однородны с породой из которой они образовались, а мелкие состоят из отдельных минералов. Дезинтеграция пород создает огромную реакционную поверхность и тем самым, способствует активизации и развитию химических, физико-химических  и биологических процессов при выветривании.

Оставаясь на плоских поверхностях скал эти обломки в виде глыб и щебня образуют сплошные каменные скопления( моря). При расчленении рельефа они под влиянием силы тяжести перемещаются вниз по склону, образуя каменные потоки или конус осыпания на склонах и осыпи у подножия склонов. При этом у основания склонов накапливаются самые крупные обломки гравитационного перемещения, а выше к вершине конуса, постепенно все более и более мелкие. Свежие осыпи легко подвижны и трудно проходимы.Осыпи обычны для любой горной страны.

Химические и биохимические процессы при выветривании

Химическое разрушение горных пород, слагающих поверхность Земли происходит в результате воздействия паров и газов воздуха, воды, обогащенной кислородом, углекислым газом, солями а также различных кислот. При этом происходят процессы окисления ( восстановления ), гидратации ( дегидратации), растворения, карбонизации, гидролиза и другие процессы, тесно связанные и переплетающиеся друг с другом.

Окисление горных пород и минералов происходит под действием влаги воздуха и свободного кислорода, содержащегося в воде. при этом сульфиды переходят в различные кислородные соединения ( сульфаты, карбонаты, гидрооксиды и другие), соединения железа со степенью окисления +2 — в соединения со степенью окисления +3, а последние- вгидрооксиды.

Гидратация-явление присоединения безводными минералами воды.При этом частицы воды входят в определенных количествах в структуру минерала и могут быть удалены только прокаливанием  при температурах свыше 400°С. Происходит перестройка кристаллической структуры, сопровождающаяся увеличением первоначального объема вещества на 25 % и более.

Увеличение объема приводит к возникновению деформаций и развитию интенсивной трещиноватости в породах, сложенных гидратирующими минералами.классическим примером гидратации минералов является превращение ангидрита CaSO4 в гипс CaSO4·2H2O. Попадая в зоны больших глубин, гипс теряет воду, дегидратируется и вновь превращается в ангидрит.

Растворение -переход минерального вещества в раствор. При благоприятных условиях оно может быть вновь выделено из раствора. Растворяющая способность природных вод прямо пропорциональна степени диссоциации молекул воды на ионы H ⁺  и ОН ^—, которая возрастает с повышением температуры и увеличением содержания в воде свободной углекислоты ( при насыщении воды углекислотой концентрация водородных ионов возрастает в 300 раз и более).все минералы в той или иной мере растворимы в воде.

Гидролиз- разложение минералов диссоциированной водой с образованием новых соединений и выносом отдельных элементов в растворенном виде.Этот процесс многостадиен.при гидролизе алюмосиликатов из них выносятся катионы K,Na,Ca,которые взаимодействуя с растворенной в воде углекислотой, переходят в истинные растворы и в виде карбонатов и бикарбонатов выносятся поверхностными и подземными водами.Процесс гидролиза полевых шпатов в присутствии CO2(каолинизация) протекает по следующей схеме:

K2O·Al2O3·6SiO2+CO2+nH2O=Al2O3·2SiO2·2H2O+SiO2·nH2O+K2CO3, где K2O·Al2O3·6SiO2-ортоклаз; Al2O3·2SiO2·2H2O-каолинит;SiO2·nH2O-опал;K2CO3-поташ.

Гидролиз  темноокрашенных железомагнезиальных силикатов  идет значительно интенсивнее, чем алюмосиликатов.При этом двухвалентное железо в этих соединениях переходит из закисной формы в окисную и в конечном счете  образует гидрооксиды железа или бурые железняки, то есть происходят последовательно окисление, гидролиз и гидратация.

Таким образом в процессе химического воздействия воды и растворенных в ней веществ на горные породы происходит химическое изменение состава пород, сопровождающееся образованием новых вторичных минералов.Химическое воздействие живых организмов и растений сказывается как при их  жизни, когда они выделяют органические кислоты, так и после их отмирания, когда происходит химический распад живого вещества.

Выделяемые растениями и животными углекислота, аммиак,органические кислоты и другие азотистые соединения энергично разрушают горные породы. Продукты распада животных и растений превращаются в черное вещество -гумус, обеспечивающий плодородие почв, но одновременно являющийся мощным фактором разрушения горных пород. Непосредственно разрушают породы нитрифицирующие бактерии, усваивая азот из почвы, а углерод -из карбонатов.

Хемоавтотрофные микроорганизмы окисляют серу и железо пирита (FeS2), используя реакцию окисления в качестве источника энергии для синтеза органических соединений без учета солнечного света(хемосинтез).Эта реакция имеет ферментативную природу и идет при непосредственном соприкосновении бактериальной клетки с минералом.

Серобактерии особенно интенсивно развиваются в присутствии сероводорода, разлагая его и накапливая молекулярную серу внутри клеток. Железобактерии участвуют в окислении главным образом закисных соединений железа. Образующийся гидрат окиси железа откладывается в слизистой оболочке, окружающей нитевидное тело бактерий, окрашивая их в бурый цвет. Если условия для размножения железобактерий на дне стоячего водоема будут благоприятны, могут образоваться отложения болотной Fe-руды.

Кристаллические решетки минералов разрушаются и при непосредственном воздействии слизей бактерий и водорослей. При этом происходит на поверхности минерала взаимодействие между определенными химическими группами слизей и элементами, входящими в состав минерала в результате чего последний разрушается.

Живое вещество ( биомасса) планеты является самым деятельным геохимическим фактором.Ежегодно только на суше образуется и разрушается 10-55 млрд. т органического вещества. При этом большинство химических элементов и частично азот аккумулируются в почвах а О, С( в виде СО2) и Н в итоге выделяются в газообразном состоянии, вовлекаясь в новый цикл химических превращений.

Процессы интенсивного химического разрушения горных пород возможны лишь в зонах концентрации влаги и тепла, то есть в гумидных. Таким образом, процессы физического разрушения преобладают в странах с резко континентальным засушливым климатом, в полупустынях и пустынях а также в полярных и высокогорных областях.

В субтропиках, тропиках, влажной экваториальной и умеренно-влажной зонах при обилии растительности решающая роль принадлежит химическим процессам, которые сводятся к окислению, гидратации, растворению, карбонатизации и декарбонатизации. Очередность и интенсивность этих процессов определяются растворимостью соединений и свойствами химических элементов, то есть имеют свою специфику для каждого типа пород.

Наиболее широко распространены на поверхности процессы химического выветривания силикатов как основной составной частью большинства пород.Наиболее широко распространены на поверхности процессы химического выветривания силикатов как основной составной части большинства пород. Поскольку среди них наибольшее значение имеют полевые шпаты и слюды, составляющие больше 50% массы минералов земной коры, более 60% массы магматических и метаморфических пород и около 30% массы минералов осадочных пород, процессы их изменений рассмотрим более детально.

При выветривании в щелочных условиях K-Na-полевые шпаты, кислые плагиоклазы и слюды превращаются в серицит, гидрослюды реже в хлорит и монтмориллонит. Средние и основные плагиоклазы переходят в гидрослюды, кальцит и эпидот с выносом кремнезема.В кислых условиях среды при выветривании кислых магматических горных пород полевые шпаты и слюды превращаются в гидрослюды и каолинит с выносом в раствор поташа ( смотри выше процесс гидролиза полевых шпатов).

В высоких широтах этот процесс заканчивается образованием гидрослюды, в умеренно влажной зоне средних широт -образованием каолинита. Освобождающаяся в процессе каолинизации кремнекислота выделяется в виде кварца, халцедона или опала.Обломочные зерна этих же минералов в осадочных породах ( песчаниках и алевролитах) переходят также в гидрослюду и каолинит.

При этом из полиминеральных пород возникают мономинеральные и маломинеральные с гидрослюдистым, гидрослюдисто-каолинитовым и каолинитовым цементом. Воротничковые агрегаты гидрослюд и каолинита развиваются по слюдам и полевым шпатам. В зонах влажного тропического и субтропического климата процесс разложения каолинита идет дальше с образованием свободных оксидов  и гидроксидов  алюминия и кремния и называется процессом латеритизации:

Al4[Si4O10](OH)→2Al2O3·H2O+4SiO2·0,5 H2O,

где 2Al2O3·H2O-боксит; 4SiO2·0,5 H2O-опал.

При выветривании основных и ультраосновных пород образуются монтмориллонит -ионтронитовые минералы, иногда  с опалом и карбонатами.В зонах влажного и теплого климата в верхних выветрившихся слоях образуются выделяемые как процесс лимонитизации горизонты бурых охристых скоплений оксидов и гидроксидов железа. Процессы окисления и гидратации осуществляются в породах, содержащих сульфиды железа и других металлов.

Сульфиды переходят сначала в сульфатов, затем благодаря гидролизу, гидратации и взаимодействию с карбонатами -в гидроксиды железа и водные карбонаты, которые выпадают в осадок. В условиях пустынь и полупустынь сульфаты металлов не растворяются, а накапливаются, что приводит к засолению почв. Растворение осуществляется в первую очередь на легко растворимых соединениях -галогенидах, сульфатах, нитратах, затем карбонатах и фосфатах. Особой растворяющей активностью отличаются кислые воды, содержащие органические и неорганические кислоты.

Растворение осуществляется в первую очередь на легко растворимых соединениях -галогенидах, сульфатах, нитратах, затем карбонатах и фосфатах. Особой растворяющей активностью отличаются кислые воды, содержащие органические и неорганические кислоты. Растворение и осаждение карбонатов регулируется содержанием углекислого газа в растворах:

CaCO3+CO2+H2O↔Ca(HCO3), гдеCa(HCO3)-раствор; CaCO3-осадок.

При избытке углекислого газа монокарбонаты переходят в бикарбонаты, при недостатке бикарбонаты переходят в монокарбонаты , то есть выпадает осадок.Растворение карбонатов на земной поверхности обычно идет избирательно: сначала растворяются карбонаты  с малыми размерами частиц, затем зернистые, ракушечниковые и другие.Наиболее растворимы карбонаты кальция, значительно слабее растворяются карбонаты других металлов.

Осаждается из растворов чаще всего кальцит, реже-карбонаты кальция, магния,железа в виде двойных солей и изоморфных смесей( по содержанию в грунтовых водах ионов различных металлов).Процесс растворения и вынос приводят к увеличению пористости пород, появлению кавернозности , ноздреватости, уменьшению плотности.В скальных породах иногда полностью выщелачивается цемент и породы теряют связность.

Климатическая зональность

◊ климатическая зональность и типы выветривания

Все перечисленные процессы как химического, биохимического, так и физического характера действуют на исходные породы вместе и одновременно, так что влияние одного из них нельзя отделить от остальных. Это крайние звенья одного процесса -выветривания, они всегда в тех или иных соотношениях существуют и их соотношения могут меняться лишь во времени и пространстве.

Преобладание какого либо процесса при выветривании зависит от климата, рельефа а также гидрогеологических условий.Климат в значительной мере определяет тип выветривания и характер образующихся при этом горных пород ( смотри осадочные горные породы).

Аридный тип выветривания характерен для пустынь , полупустынь и сухих саванн, где испарение превалирует над выпадением осадков.При этом преобладают физические процессы ( растрескивание, шелушение и так далее), в результате чего накапливается большое количество обломочного материала. Химические процессы приводят к образованию и осаждению легко растворимых соединений  и пересыщенных растворов водоемов.

В результате происходит засоление почв карбонатами, сульфатами и хлоридами. При выветривании силикатных пород здесь образуются гидрослюды , монтмориллонит и оксиды железа. Вся эта группа минералов (особенно сульфаты, хлориды и монтмориллонит) резко меняет свойства почв и грунтов, что не может не учитываться при различных инженерных работах.

Главным агентом переноса и осаждения в областях с аридным климатом является ветер, второстепенным -вода.Для процессов осадконакопления и диагенеза в этой зоне характерно преобразование неустойчивых соляных минералов в устойчивые, а также принос осадочного вещества из гумидных зон. Поэтому здесь можно встретить карбонатные, кремнистые, фосфатные и другие породы среди щебенисто-дресвянистого иногда слабогидрослюдистого, монтмориллонитового вещества или среди засолоняющих грунты солей.

Гумидный тип выветривания осуществляется в зонах с влажным и теплым климатом, где количество выпадающих осадков преобладает над испарением. Во влажных тропиках и субтропиках, влажной экваториальной и умеренно влажной зонах, особенно при равнинной местности и наличии богатой растительности, преобладают процессы химического выветривания, а физическому отводится подчиненная роль.

Главным агентом переноса и осаждения хемогенного и обломочного материала здесь являются текучие воды, второстепенным ветер.В материале осадка преобладают глинистые минералы, кремнезем, карбонаты, бикарбонаты, сульфаты, хлориды, органическое вещество, гидроокислы железа, алюминия, марганца и другие ( охры, бурые железняки, бокситы-латериты, красноземы).

Нивальный или ледовый тип выветривания распространен в полярной и высокогорной зоне.Преобладают процессы физического выветривания ( морозное выветривание) и следовательно , скопление их продуктов -различных обломочных частиц. Химическое выветривание ограничивается процессами окисления и гидрослюдизации, а также образованием легкорастворимых солей -сульфатов железа и тяжелых металлов.Главный агент переноса вещества -движение ледниковых масс.

Главный агент переноса вещества в этой зоне -лед, второстепенный -сила тяжести и вода по периферии тающих ледников.В осадках преобладают различные обломочные ( песчано-алевритовые) частицы с концентрацией неустойчивых минералов, из вторичных минералов генерируются гидрослюды, частью каолинит.