Лекция 12. Процессы внешней динамики (экзодинамика). Выветривание

Экзогенные процессы или процессы внешней динамики, проявляются на поверхности Земли и в верхней части земной коры в результате взаимодействия каменной оболочки с внешними сферами: атмосферой, гидросферой и биосферой. Экзогенные процессы обусловлены внешними по отношению к Земле факторами, главным из которых является солнечное тепло. Это приводит к геологической деятельности атмосферные агенты, подземные воды, поверхностные текучие воды, ледники, озера, болота и моря. Процессы эти протекают в подавляющем своем большинстве медленно, незаметно для человека. Однако именно они приводят к существенным изменениям поверхности Земли.

Экзогенные процессы подразделяются на процессы выветривания, процессы денудации и процессы аккумуляции.

Выветривание это сложные, разнообразные процессы разрушения и изменения горных пород и минералов, происходящее на земной поверхности и вблизи нее под действием физических, химических и органических агентов.

Разрушение (изменение) горных пород и минералов при выветривании может происходить как механическим, так и химическим путем.

Выветривание не приводит к существенным изменениям земной поверхности, а только подготавливает атериал для денудации.

Под денудацией понимается совокупность сноса продуктов разрушения горных пород, создаваемых в основном выветриванием, с возвышенных участков суши в понижения рельефа – долины, озерные котловины или морские бассейны. Главными агентами денудации являются сила тяжести, текучие воды, ветер, движущиеся ледники.

Процессы денудации проявляются главным образом на суше и приводят к постепенному выравниванию земной поверхности. Денудация является наиболее активным фактором преобразования земной поверхности, приводящим в движение огромные массы вещества и к разрушению шаг за шагом горных систем и превращению их в равнины.

Аккумуляция представляет собой процессы накопления продуктов разрушения горных пород, подготовленных выветриванием и перемещенных в результате процессов денудации в пониженные участки земной поверхности. Процессы денудации наиболее активно проявляются на возвышенных участках суши, которые называются областями денудации, в то время как в понижениях рельефа – в речных долинах, озерах и особенно морях – происходит накопление осадков.

Выветривание представляет собой совокупность процессов физического разрушения и химического разложения минералов и горных пород на месте их залегания, вызванных колебанием температуры, химическим воздействием воды, газов — кислорода и углекислоты (находящихся в атмосфере и растворенных в воде), биохимическим воздействием организмов в процессе их жизнедеятельности и продуктов их разложения после отмирания. В верхней части земной коры, где горные породы находятся в условиях тесного взаимодействия с атмосферой, гидросферой и биосферой, они претерпевают значительные и разнообразные изменения в своем составе и состоянии. Преобладающее большинство горных пород образовалось в специфических термодинамических условиях — в глубине Земли, в зонах активности магмы и процессов метаморфизма, или же на дне моря. Попадая на земную поверхность, они оказываются в новой физико-химической обстановке, становятся неустойчивыми и под воздействием различных факторов начинают разрушаться. Это изменение горных пород протекает различно. В одних случаях оно сводится к распадению горной породи на обломки различной величины илидаже на отдельные составляющие ее минералы. В других же случаях под влиянием ряда химических агентов происходит коренное изменение минералов и горных пород с появлением совершенно новых, отличных от первоначальных минералов. В зависимости от факторов, воздействующих на горные породи, и результатов этого воздействия процессы выветривания с некоторой условностью подразделяются на два типа:

1) физическое выветривание,

2) химическое выветривание.

Оба типа выветривания теснейшим образом связаны друг с другом, действуют совместно и одновременно, и только интенсивность проявления каждого из них неодинакова. Она зависит от климата, рельефа, тектоники, продолжительности процесса, состава горных пород и других факторов. Иногда выделяют третий тип — органическое выветривание. Однако роль организмов и их воздействие на горные породы сводится или к физическим, или к химическим процессам. Следовательно, органическое выветривание можно отнести к выделенным типам.

Физическое выветривание. Физическое выветривание вызывается разнообразными причинами, однако решающая роль принадлежит факторам, обусловливающим механическое движение частиц породы. Это приводит к нарушению взаимного сцепления составных частей горной породы. В зависимости от природы воздействующего фактора характер процесса разрушения горных пород при физическом выветривании будет каждый раз особым. В одних случаях движение происходит внутри самой горной породы без участия внешнего механически действующего агента. Сюда относится изменение объема составных частей породы, вызываемое изменением температуры. Такое явление может бить названо температурным выветриванием. В других случаях расчленение горных пород происходит под механическим воздействием посторонних агентов — раскалывающее действие замерзающей води, растущих кристаллов, корневой системы деревьев и т. п. Такое явление может бить названо механическим выветриванием.^:

Температурное выветривание наиболее распространено и происходит под воздействием колебаний температуры, вызывающих неравномерный нагрев и охлаждение горных пород. Минеральные зерна, слагающие горные породы, при этом попеременно испытывают то расширение, то сжатие. Расширение породы, возникающее в результате нагревания, более интенсивно сказывается в поверхностных частях, чем во внутренних. То же самое происходит и при охлаждении. Сжатие горных пород, вызванное ночным охлаждением, распространяясь от поверхности в глубину, встречается с остаточным расширением их от дневного нагревания, что еще больше способствует разрушению породы. В результате этого часто наблюдается появление трещин, параллельных поверхности глыб, и отслаивание от них верхних частей в виде чешуй. Этот процесс получил название десквамация, или шелушение.

Горные породы могут бить многоминеральными (полиминеральными) и одноминеральными (мономинеральными). Наибольшему разрушению в результате процесса температурного выветривания подвергаются многоминеральные породы. Различные минералы, из которых состоят такие породы, обладают неодинаковым коэффициентом объемного расширения, поэтому при изменениях температуры они будут испытывать деформацию в различной степени. К тому же коэффициент линейного расширения минералов даже у одного и того же минерала меняется в зависимости от направления в кристалле, в котором производится измерение. Так, например, коэффициент линейного расширения у кристаллов кварца и кальцита в направлений, перпендикулярном тройной оси, почти в два раза превышает тот же коэффициент в направлении, параллельном тройной оси. Вследствие этого при изменениях температуры создаются местные напряжения и в одноминеральной породе (мрамор, известняк, песчаник и др.), что приводит со временем к ее разрушению.

В результате длительного воздействия колебаний температуры и различной величины коэффициентов расширения минералов взаимное сцепление отдельных минеральных зерен в породе нарушается и она растрескивается и распадается на отдельные обломки.

Температурное выветривание наблюдается почти во всех климатических зонах, но наиболее интенсивно оно протекает в областях, характеризующихся резкими контрастами температур, особенно суточных, сухостью воздуха и отсутствием или слабим развитием растительного покрова (пустыни и полупустыни).

Температурное выветривание весьма интенсивно протекает также на склонах высоких гор, где воздух прозрачнее и инсоляция гораздо сильнее, чем в соседних низменностях. Образующиеся в результате выветривания обломки горных пород легко удаляются со склонов в силу своей тяжести, вследствие чего поверхность склонов остается обнаженной и подвергается дальнейшему разрушению. Таким путем у подножия горных склонов и нижней части последних накапливаются каменные осыпи, достигающие иногда значительной мощности и распространения.Местами образуются сплошные каменистые развалы.

Обломочный материал, образованный в результате разрушения коренных пород и переместившийся вниз по уклону под влиянием силы тяжести и отложенный у подножия склона, называется коллювием.

Механическое выветривание представляет собой процесс, при котором разрушение горных пород происходит под механическим воздействием посторонних агентов — замерзающей води, корней растений,. роющих животных, кристаллизации солей и т. п. Особенно велика разрушительная роль замерзающей воды. Когда вода попадает в трещины и поры горных пород, а потом замерзая, она увеличивается в объеме примерно на 10%, производя при этом огромное давление на стенки трещин (до нескольких сотен килограммов на 1 см²). Такая сила легко преодолевает сопротивление горных пород на разрыв, и они раскалываются на отдельные обломки. Это явление часто называют «морозным выветриванием». Необходимыми предпосылками. для его осуществления являются: наличие в породах пор и трещин, наличие воды и соответствующие температурные условия. Наиболее интенсивно оно протекает тогда, когда наблюдаются частые колебания температуры около точки замерзания води: в высоких полярных и субполярних широтах, а также в горных районах, преимущественно выше снеговой линии. Здесь нередко встречаются огромные пространства„ сплошь покрытые обломками горных пород различны размеров, представляющие собой глыбовые и щебнистые развалы или целые «каменные моря», являющиеся результатом морозного воздействия.

Таким образом, физическое выветривание, как температурное, так и механическое, вызывает разрушение, дробление горных пород на отдельные угловатые обломки различной величины.

Химическое выветривание. Химическое выветривание представляет собой результат взаимодействия горных пород наружной части литосферы с химически активными элементами атмосферы, гидросферы и биосферы. Наибольшей химической активностью отличаются следующие вещества: вода, кислород, углекислота и органические кислоты, с воздействием которых и связано в основном химическое выветривание. Из них важнейший фактор — вода, которая в той или иной степени диссоциирована на положительно заряженные водородные ионы Н+ и отрицательные гидроксильные ионы ОН^-. Высокая концентрация водородных ионов в растворах способствует ускорению процессов выветривания. Особенно возрастает интенсивность химического выветривания при повышении температуры, вызывающем увеличение концентрации водородных ионов, т. е. степени кислотности воды. В зависимости от реакции среды в процессе выветривания возникают те или иные характерные ассоциации минералов. Наиболее благоприятные условия для химического выветривания существуют в гумидных областях и особенно влажных тропических и субтропических зонах, в которых имеет место сочетание большой влажности, высокой температуры и огромного ежегодного отпада органической массы (в тропических лесах), в результате разложения которой значительно возрастает концентрация улекислоты и органических кислот, а следовательно, возрастает и концентрация водородных ионов. Процессы, протекающие при химическом выветривании, могут бить сведены к следующим основным химическим реакциям: окислению, гидратации, растворению и гидролизу.

Окисление минералов и горных пород связано с воздействием кислорода, растворенного в воде, и в меньшей степени — кислорода воздуха. Этому также способствуют присутствие в воде солей, кислот, а также жизнедеятельность бактерий. Наиболее интенсивно процессы окисления протекают в отношении минералов, содержащих закисные соединения железа и марганца, кобальта и других элементов. Особенно чутко реагируют на изменение окислительных или восстановительных условий среды элементы, обладающие различной валентностью, ярким примером которых является железо. При окислении низковалентные соединения железа переходят в высоковалентные с образованием гидратов окислов железа.

Процессы окисления могут протекать почти во всех железо-магнезиальных минералах, относимых к группам мета- и ортосиликатов (авгит, роговые обманки, оливин и др.). Эти минералы всегда имеют в своем составе закисное железо, которое в условиях поверхности земли быстро окисляется, и минералы покрываются бурой коркой.

Многие осадочные горные породы, такие, как пески, песчаники, глины, мергели, содержащие включения железистых минералов, бывают часто окрашены в бурый или охристый цвет, указывающий на то, что эти минералы подверглись процессам окисления. Количественное содержание активного кислорода, которое определяет окислительную способность среды (кислородный потенциал), меняется от места к месту, в соответствии с чем изменяется и степень окисления минералов и горных пород.

Гидратация широко распространена в природе и выражается в поглощении существующими минерами воды и образованием в результате новых минералов. Примерами гидратации являются переход ангидрита в гипс и гематита в лимонит. Гидратация сопровождается увеличением объема и возникающими при этом деформациями горных пород. Это обратимый процесс и при изменении условий он переходит в дегидратацию (потерю воды). В жарком климате благодаря интенсивному прогреванию солнечными лучами и испарению влаги, вода легко отнимается от гидроокислов железа.

Растворение и гидролиз протекают при совместном воздействии воды, углекислоты и органических кислот. Растворение особенно интенсивно проявляется в осадочных горных породах — хлоридных, сульфатных и карбонатных. Наибольшей растворимостью отличаются хлориды — соли натрия (КаСІ), калия (КСІ) и др. За хлоридами по степени растворимости стоят сульфаты, в частности гипс, за которыми следуют карбонатные породы: известняки, доломиты, мергели. В результате растворяющей деятельности поверхностных и подземных вод, насыщенных углекислотой, на поверхности растворимых пород образуются разнообразные и специфические формы рельефа — борозды, воронки.

При растворении происходит выщелачивание горных пород, т.е. вынос растворенного материала, а на их есте остаются различные по размерам и форме пустоты.

Гидролиз сложный процесс химического разложения минералов, сопровождающийся частичным или полны выносом щелочей, щелочных земель и кремнекислоты с одной стороны, и присоединением элементов воды с другой. При гидролизе кристаллическая решетка минералов перестраивается и может быть полностью разрушена и преобразована в новую. Наиболее широко гидролизу подвергаются силикаты и алюмосиликаты, слагающие большую часть земной коры. В связи с этим гидролиз является одной из наиболее важных реакций химического выветривания. Каркасная кристаллическая решетка силикатов и алюмосиликатов при гидролизе разрушается и превращается в слоевую решетку глинистых минералов и слюд, таких как каолинит, монтмориллонит, бейделлит, гидрослюды.

Карбонатизация совокупность процессов, приводящих к обогащению горных пород различными карбонатами. Карбонатизация происходит под воздействием воды, и теснейшим образом связана с процессами растворения и гидролиза.

Восстановление является процессом, приводящим к потере веществом части или всего содержащегося в нем химически связанного кислорода. Восстановление – процесс обратный окислению и может происходить только в условиях, где нет свободного кислорода. Такие условия возникают в болотах, где в воду поступает большое количество органических веществ, образующихся при отмирании болотной растительности. Органические вещества легко соединяются с кислородом, т.е. являются сильными восстановителями. При этом не только используется весь свободный кислород, растворенный в воде, но и отнимается часть кислорода, химически связанного в минералах, а окись железа переходит в закись (FeO), гидраты которой имеют зеленый цвет. Возникает темная зеленовато-серая глинистая масса, подстилающая обычно торфяники. Кроме того, в восстановительной среде могут образовываться минералы бедные или лишенные кислорода, например такие как марказит и т.д.

В результате всей совокупности процессов физического и химического разрушения горных пород образуются различные продукты выветривания. Среди них могут быть выделены: 1) подвижные, которые уносятся на то или иное расстояние в результате воздействия различных факторов — силы тяжести, плоскостного смыва, размыва и др.; 2) остаточные, которые остаются на месте разрушения материнских горных пород. Эти остаточные, несмещенные продукты выветривания представляют собой один из важных генетических типов континентальных образований и называются элювием.

Совокупность остаточных продуктов выветривания — различных элювиальных образований, развивающихся на материнских породах и слагающих самую верхнюю часть литосферы, называется корой выветривания. Некоторые исследователи корами выветривания называют и перенесенные и переотложенные продукты выветривания. Однако эти образования уже не являются остаточными продуктами выветривания и, следовательно, корой выветривания.

Формирование остаточных кор выветривания, состав образующихся новых минералов в них и их мощности теснейшим образом связаны с климатическими условиями — температурой и количеством атмосферных осадков, с поступлением органического вещества. Важное значение имеет рельеф и интенсивность восходящих тектонических движений, а также состав горных пород, подвергающихся выветриванию. Наиболее благоприятными условиями для формирования мощных кор выветривания являются более или менее выровненный рельеф и сочетание высокой температуры, большой влажности и большого количества органических веществ. Особенно мощная кора выветривания формируется в условиях жаркого и влажного климата тропических и субтропических зон, где она достигает 100 и более метров. Здесь присутствуют свободные гидроокислы алюминия, железа и отчасти кремния. Благодаря присутствию глинозема и гидроокислов железа, элювий в сухом состоянии напоминает по твердости обожженный кирпич, окрашенный в красный цвет. Поэтому такие коры выветривания называются латеритными.

В таежно-подзолистой зоне умеренного пояса мощность кори выветривания значительно меньше вследствие уменьшения влажности и температуры. Но и здесь намечается определенная вертикальная зональность, только разрез кори выветривания заканчивается каолинитовым горизонтом, присутствие которого свидетельствует о далеко зашедшем процессе химического выветривания, когда все растворимые продукты выветривания выносятся просачивающимися атмосферными осадками.

В районах сухих саванн, по мере приближения к пустыням, мощность коры выветривания резко уменьшается и изменяется ее строение. Атмосферные осадки, выпадающие здесь во влажные сезоны и способствующие химическому разложению, промывают кору выветривания, вынося в более глубокие горизонты значительное количество сульфатов и карбонатов, но последние не удаляются полностью, а образуют в оснований элювия известковые и гипсовые стяжения. В верхней части образуются глинистые минералы гидрослюдисто-монтмориллонитово-бейделлитового горизонта. Это соответствует начальному этапу химического выветривания силикатов, при котором происходит гидратация и лишь частичный вынос катионов.

В области степей, расположенной в зоне умеренного пояса семиаридного климата, мощность коры выветривания еще меньше. Вследствие недостаточного количества атмосферных осадков, выпадающих здесь лишь в определенное время года, нет условий для промывания коры и выноса растворимых продуктов выветривания (карбонатов, сульфатов), и они остаются в толще элювия. Это же является причиной и слабо протекающего процесса гидролиза силикатов и алюмосиликатов. В результате кора выветривания в области степей состоит из маломощной зоны дресвы (неокатанные зерна и мелкие обломки горных пород иминералов) и гидрослюдисто-монтмориллонитово-бейделлитовой зоны.

Основываясь на строении различных кор выветривания, Б. Б. Полынов, И. И. Гинзбург и другие исследователи ввели понятие о стадийном характере процессов выветривания. Выделив четыре стадии выветривания:

Обломочная стадия характеризуется преобладанием физического выветривания, в результате которого накапливаются обломки первичных горных пород.

Сиаллитная обызвесткованная стадия соответствует начальной стадии химического выветривания, при которой начинается расщепление силикатов и алюмосиликатов с частичным выносом катионов. Первичные силикаты гидратируются и превращаются в гидрослюды, гидрехлорит, монтмориллонит, нонтронит, бейделлит и др. Местами появляются карбонаты и опали. Процесс протекает в щелочной среде, чаще всего в условиях сухого континентального климата.

Кислая сиаллитная стадия характеризуется дальнейшим выносом катионов и кремнезема и образованием глинистых минералов из группы каолинита — каолинитовая зона коры выветривания, а на основных и ультраосновных породах (габбро, диабаз, базальт, перидотит) — нонтрониты (ферримонтмориллонит), бейделлиты с локальными накоплениями гидроокислов железа и алюминия. Карбонаты, образующиеся при взаимодействии катионов с углекислотой, выносятся из коры выветривания. В этом горизонте вследствие глубокого изменения элювия полностью исчезают все текстурные признаки первичных горных пород.

Аллитная стадия характеризуется полным разложением силикатов с образованием наиболее устойчивых на поверхности соединений — водных окислов алюминия, железа, кремния, представлявших собой типичные коллоидные минералы (гиббсит — составная часть боксита, бурый железняк, опал и др.). Эта стадия развивается только в условиях влажных тропиков и субтропиков, где наблюдается наибольшая мощность коры выветривания и отчетливо выражена вертикальная зональность.

В настоящее время большинство исследователей рассматривают указанные стадии не как последовательную смену их друг другом, а как различные степени выветривания горных пород, характеризующиеся определенным составом элювия. В некоторых случаях, например во влажных тропиках и субтропиках стадия физического выветривания очень кратковременна и обломочных продуктов в основании кор выветривания очень мало или совсем нет, и на ненарушенных горных породах непосредственно располагаются продукты химического выветривания.