Кора выветривания: формирование и практическое значение

• Окисление имеет место, когда анионы кислорода реагируют с катионами минеральных веществ, разрушая их и формируя окислы, такие как оксид железа (Fe203), делая исходное вещество более мягким.

• Растворимость – это способность минеральных веществ растворяться в воде.[3] Некоторые минеральные вещества легко растворяются в чистой воде. Другие гораздо лучше растворяются в кислотном растворе. Дождевая вода, которая соединяется с двуокисью углерода, образуя угольную кислоту (Н20 + С02 = Н2СОэ), становится кислотной естественным образом.

• Гидролиз имеет место, когда молекулы воды и минеральных веществ реагируют друг с другом, образуя новые минералы. Преобразование полевого шпата, ортоклаза, в глину является примером гидролиза.

• Выщелачивание происходит, когда находящиеся в окружающей среде кислоты, такие как угольная кислота (вода), гумидная кислота (почва) и серная кислота (кислотные дожди), вступают в реакцию с минералами и растворяют минеральные анионы и катионы.

В химическом выветривании почти всегда участвует вода. Двуокись углерода, растворяясь в дождевой воде, образует угольную кислоту, которая растворяет известняки и переносит их в виде раствора карбоната кальция. Когда известняки растворяются на протяжении длительного периода времени подземными течениями, образуются замысловатые пещеры и каналы.

Химическое выветривание, происходящее быстрее в известняках, чем в песчаниках, ускоряется при увеличении температуры. Оно протекает быстрее всего на острых тонких краях горных пород, отличающихся большей площадью поверхности, но меньшим объемом. Вследствие этого они быстрее эродируются. То же самое происходит с постройками из известняка. В древнегреческих руинах, возраст которых превышает 2500 лет, можно увидеть изрытые, вытравленные кислотами известняковые колонны, края и поверхность которых подверглись разрушению в результате выщелачивания[7].

 

Биохимическое выветривание.

Биохимическое выветривание – это механическое разрушение и химическое изменение горных пород и минералов под действием растительных и животных организмов и продуктов их жизнедеятельности.

Корни растений, проникая в трещины пород, расклинивают их, вызывая механическое разрушение. Кроме того, корни растений выделяют органические кислоты, которые растворяют минералы, усиливая процесс химического выветривания. Также действуют на минеральные соединения органические кислоты, образующиеся при гниении растительных и животных остатков.

Важную роль в биологическом выветривании играют микроорганизмы (бактерии, грибы), лишайники, землерои (земляные черви, личинки насекомых, кроты, суслики и др.). Многочисленные микроорганизмы вызывают биохимические процессы в почве. Так, нитрифицирующие бактерии образуют азотную кислоту, а серобактерии – серную кислоту. Кислоты активно разлагают алюмосиликаты и другие минералы. Лишайники выделяют специфические лишайниковые кислоты, действующие на породы. Кроме того, гифы лишайников проникают в тонкие поры горных пород, вызывая их физическое разрушение.

Корни растений взаимодействуют с минеральной частью почвы, избирательно поглощают элементы питания. После отмирания растений в верхних слоях почвы накапливаются азот, фосфор, калий, кальций, магний, сера и другие биогенные элементы. Листья растений поглощают из воздуха диоксид углерода, который в процессе фотосинтеза соединяется с водой, образуя углеводы. Таким образом, из диоксида углерода, воды, зольных элементов и азота синтезируется органическое вещество. Азот появляется в породе в результате жизнедеятельности микроорганизмов, фиксирующих азот из атмосферного воздуха. После отмирания растений их органические остатки частично превращаются в новые органические соединения и накапливаются в виде гумуса в верхнем слое земной поверхности, частично – минерализуются и становятся вновь доступными для новых поколений растений[13][10].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подводное выветривание.

Процессы выветривания происходят не только на суше, но и на дне морей и океанов. Здесь под воздействием минерализованной морской воды, ее температур, давления и газового режима идет разложение горных пород, минералов и создаются элювиальные новообразования, химические, метасоматические и биологические продукты. Данная совокупность химических, биохимических процессов, приводящих к изменению состава минеральных тел, находящихся в море как во взвешенном состоянии, так и на его дне, имеет специальное название – гальмиролиз. Гальмиролизу подвергаются не только минеральные компоненты, поступающие на морское дно с суши, но и продукты вулканических извержений.

Главные факторы подводного разложения – вода, биос, газовый режим, соленость, давление, температура, а слой придонной воды содержит взвешенные частицы и микроорганизмы. Средняя температура зоны подводного разложения более низкая, по сравнению со средней температурой континентальных областей химического выветривания. Давление возрастает по мере увеличения глубины донного осадка от 20 атмосфер на глубине 200 м, до 1000 атмосфер на глубине 10170 м, что влечет за собой рост растворимости твердых веществ и газов, а также активизацию различных химических процессов, влияет на их скорость, направление и эффективность. Заметнее всего изменения давления проявляется в реакциях с участием газов, в частности кислорода и углекислого газа, количество которых в результате понижения температуры и давления на больших глубинах увеличивается, способствуя более энергичному протеканию процессов окисления и карбонатизации. Эффективность гальмиролиза зависит также от скорости накопления осадков и жизнедеятельности организмов, прежде всего бактерий.

Быстрое накопление осадков не способствует развитию процессов подводного выветривания, так как только что осажденный материал лишается длительного контакта с придонной водой изза перекрытия его новым слоем осадочных частиц. Морская вода не успевает оказать на осадок заметного химического воздействия. Известно, что в водоемах, морских, океанических, уменьшение скорости осадконакопления отмечается по мере удаления от береговой линии. Поэтому максимально явления гальмиролиза проявлены в более глубоководных частях бассейна. В литературе (Фролов, 1984, 1995) указывается на образование при гальмиролизе подводных панцирей различного состава – известняковых, доломитовых, железо-марганцевых, фосфатных, пиритных. Мощности их по сравнению с подобными наземными образованиями несколько меньше и составляют, обычно не более 1м. условия образования, по видимому, сходны с таковыми для коры выветривания на суше.

Не исключается вертикальная миграция растворенного вещества и цементация частиц. В результате гидролиза, гидратации, окисления, восстановления, миграции, осаждения при гальмиролизе синтезируются новые минералы – глинистые, цеолиты, карбонаты, гидроксиды железа и марганца, глауконит, шамозит, фосфориты, происходит образование пород, например, фосфатных (Фролов, 1995). Что касается бактериальной микрофлоры и ее роли в подводном выветривании, то признается участие бактерий в процесах гальмиролиза в качестве катализаторов, ускоряющих химические процессы, но не меняющие их общей направленности и продуцирующие собственные продукты[4].

 

 

 

 

Вывод по первой главе:

Выветривание является одним из главных процессов на Земле. Выветривание- это изменение горных пород любого состава и структуры, которое происходит в поверхностных условиях под совокупным действием физических, химических и биохимических процессов. Под действием этих процессов горные породы и слагающие их минералы в приповерхностной  части земной коры преобразовываются. Выветривание разделяется по типам: физическое, химическое, биохимическое, подводное.

Физическое выветривание – это дробление материнских пород, их дезинтеграция без существенного изменения состава минеральных зерен.

В физическое выветривание входит: температурное выветривание, механическое выветривание, а в механическое выветривание  входит еще и морозное выветривание.

 Основную роль в  химическом выветривание играет влага, особенно насыщенная газами и химическими соединениями.

В химическое выветривание входят процессы как: окисление, гидратация, растворение, гидролиз.

Биохимическое выветривание – это механическое разрушение и химическое изменение горных пород и минералов под действием растительных и животных организмов и продуктов их жизнедеятельности.

Главные факторы подводного разложения – вода, биос, газовый режим, соленость, давление, температура, а слой придонной воды содержит взвешенные частицы и микроорганизмы. Средняя температура зоны подводного разложения более низкая, по сравнению со средней температурой континентальных областей химического выветривания.

 

Глава 2. Формирование коры выветривания.

2.1 Кора выветривания.

Кора выветривания ( Рис.2.1) - это совокупность различных элювиальных образований верхней части литосферы. Выделяют два типа коры выветривания: автоморфную и вторичную (гидроморфную). Автоморфная кора выветривания сложена несмещенными элювиальными образованиями, в то время как происхождение гидроморфной связано с выносом из автоморфной коры ряда химических элементов. Изучая кору выветривания можно установить особенности климата данной местности в период ее формирования. Из коры выветривания полезные ископаемые извлекаются гораздо легче, чем из материнских невыветренных магматических пород.

 

Рис.2.1 Кора выветривания [ www.vevivi.ru].

Формирование коры выветривания ( Рис. 2.2) , состав слагающих её образований и мощность изменяются в зависимости от климатических условий – сочетания температуры и влажности, поступления органического вещества, а также от рельефа. Наиболее благоприятным для формирования мощных кор выветривания является относительно выровненный рельеф и сочетание высокой температуры, большой влажности и обилие органических веществ.[8]

 

                              

Рис.2.2  Принципиальная схема строения коры выветривания

[www.vevivi.ru ].

1- коренные породы; 2- зона  дезинтеграции; 3- зона выщелачивания; 4- зона глинистых минералов; 5- зона  оксидов и гидроксидов; 6- почва

 

Элювий может состоять из крупных обломков и из мелких, образующихся при дальнейшем разрушении, в котором главную роль играют химические агенты. Под действием воды, содержащей кислород и углекислый газ, все породы, в конце концов, превращаются в песок, или в супесь, или в суглинок, или в глину; в зависимости от своего состава кварцит превратится в чистый песок, белый или желтоватый, песчаник даст глинистый песок, гранит – сначала дресву из отдельных зёрен, а затем суглинок, глинистый сланец – глину. Известняк, обычно нечистый, теряет известь, которую растворяет и уносит вода, оставляя примеси в виде глины, чистой или песчаной. Эти конечные продукты выветривания в элювии смешаны с большим или меньшим количеством щебня и обломков, находящихся в разных стадиях своего изменения.

С элювием связаны месторождения бокситов, из которых получают алюминий, каолинов, бурого железняка и других полезных ископаемых. При разрушении коренных горных пород высвобождаются содержащиеся в них стойкие минералы. Они могут образовывать ценные минеральные скопления – россыпи. Например, элювиальные россыпи алмазов над кимберлитовыми трубками, россыпи золота над золотоносными жилами. У подножия разрушающихся утёсов, отвалившиеся от них обломки накапливаются, образуя на склонах обширные осыпи, часто легко подвижные и трудно проходимые, состоящие из крупных глыб или из щебня, ползущего под ногами вниз. На плоской поверхности горных вершин выходы твёрдых пород распадаются при выветривании на отдельные части, превращаясь в сплошную россыпь глыб, торчащих в разные стороны. Эти россыпи особенно часты в Сибири и Арктике, где они образуются при совместной работе сильных морозов и влаги туманов, дождей и тающего снега. Но и в тёплом климате вершины гор, поднимающиеся над линией постоянного снега, где климат почти арктический, разрушаются быстро и дают обильные осыпи и россыпи. [11]

 

 

 

 

 

2.2 Свойства и  особенности коры выветривания.

Разрушение и раздробление массивных горных пород есть, таким образом, процесс перехода материи в более активное состояние. При этом процессе меняется форма материи и энергии. И такой трансформации подвергается как поглощаемая горными породами космическая и в особенности солнечная энергия, так и внутренняя энергия частичных сил, присущая твердому состоянию материи и как бы освобождаемая при его раздроблении.

Этот процесс, являясь чрезвычайно знаменательным и характерным для верхней оболочки литосферы, естественно обособляет эту оболочку от остальной ее массы, и эту-то обособленную оболочку мы и будем называть корой выветривания.

Итак, кора выветривания есть та верхняя часть литосферы, которая слагается рыхлыми продуктами раздробления изверженных и метаморфических пород.

Сопоставляя плотность этих изверженных и метаморфических пород с рыхлым состоянием коры выветривания, жидким состоянием гидросферы и газообразным атмосферы, мы убедимся, что по мере передвижения из глубин земной коры к ее периферии, материя стремится принять все более и более рассеянное или, иначе говоря, дисперсное состояние. И можно сказать, что различие между этими оболочками заключается, по преимуществу, в степени дисперсности материи. Количественный характер этого различия выявляется особенно ярко, если принять во внимание, что минералы изверженных и метаморфических пород заключают в себе рассеянные пузырьки жидкостей, паров и газов, что водные растворы, пары и газы циркулируют между твердыми частицами рыхлой коры выветривания, а атмосфере и гидросфере свойственны, как известно, распыленные твердые тела. Итак, каждая из этих оболочек представляет своеобразную сложную дисперсную систему, и эти дисперсные системы отличаются одна от другой не только по степени дисперсности материи, но и по свойствам дисперсионной среды и рассеянной в ней дисперсной фазы.[12]

В глубоких частях литосферы дисперсионной средой является твердая масса, а дисперсная фаза представлена рассеянными включениями жидкостей и газов; гидросфера имеет своей дисперсионной средой жидкую воду, а дисперсными фазами здесь являются растворенные газы и твердые тела; атмосфера — газообразная среда с распыленными парами и твердыми телами. У этих оболочек границы между дисперсионной средой и дисперсными фазами ясны и достаточно определенны. Что же касается коры выветривания, то она как раз характеризуется неопределенностью этих границ, и в ее пределах переходы дисперсионной среды в дисперсную фазу обычны на сравнительно небольших пространствах. Так, например, в песке с порозностью в 30—40°/о дисперсионной средой является, несомненно, твердая масса, но в наносах, у которых порозность достигает 60°/о и более, твердая масса уже переходит в дисперсную фазу, а воздух или вода, заключенные в порах, становятся дисперсионной средой.