Выветривание горных пород

литература

• Харм Дж. Де Блай, Питер О. Мюллер, Ричард С. Уильямс-младший: Физическая география — глобальная окружающая среда. 3. Издание. Oxford University Press, New York NY et al. 2004 г., ISBN 0-19-516022-3 .
• Генри Лутц Эрлих, Дайан К. Ньюман: Геомикробиология. 5-е издание. CRC Press, Boca Raton FL, et al. 2009, ISBN 978-0-8493-7906-2 .
• Ганс Гебхардт, Рюдигер Глейзер , Ульрих Радтке , Пауль Ройбер (ред.): География. Физическая география и география человека. Elsevier, Spektrum Akademischer Verlag, Мюнхен и другие. 2007, ISBN 978-3-8274-1543-1 .
• Курт Конхаузер: Введение в геомикробиологию. Blackwell Publishing, Malden MA et al. 2007, ISBN 978-0-632-05454-1 .
• Фрэнк Пресс , Раймонд Сивер : Общая геология. Введение в систему Земли. 3. Издание. Издательство Spectrum Academic, Гейдельберг и др. 2003 г., ISBN 3-8274-0307-3 .
• Алан Х. Стралер; Артур Н. Штралер: Физическая география (= UTB. Geosciences 8159). 3-е, исправленное издание, Ulmer, Stuttgart 2005, ISBN 3-8001-2854-3 .

Как происходит выветривание, и какие остаточные продукты оно формирует?

В классическом понимании продукты, задержавшиеся в породе, принято именовать элювием. По большей части так называют скопления рыхлых обломочных пород с разным составом, будь то глина или глыбы. Также это обломочные накопления солидных продуктов инсоляции (горизонты, корки и калькреты) и метасоматиты.

Выветриваемые продукты формируются в ходе естественных исторических изменений земной коры. Со временем меняется рельеф, климат местности, структура почвы и тектонический режим. Здесь формируются переотложенные скопления, различающиеся между собой вариантом переноса и садиментационными окружающими факторами.

Так, например, одна из разновидностей выветривания горных пород – эрозия. По сути, это выветривание минеральных элементов движущимися ледниками, потоками воды, ветра и гравитацией. Также подобные процессы иногда называют денудацией, то есть, не выветривание, сопровождающееся сносом.

При выветривании имеют место два ключевых условия. Разрушение материнской породы (процессы физического характера), а также химические процессы, включая реакции сообщения/обмена, окисления и гидратации. Как правило, эти два аспекта сочетаются друг с другом в различных соотношениях. При этом первый, как правило, становится подготовкой к химическому этапу.

Физическое выветривание

Физическое выветривание подразделяется на температурное и морозное.

Температурное выветривание – разрушение горных пород и минералов на поверхности Земли под влиянием колебаний температуры. Известно, что при нагревании и охлаждении твёрдые тела изменяют свой объём. Не являются исключением горные породы и минералы. В результате суточных колебаний температуры в массиве горных пород возникают напряжения двух типов.

Напряжения первого типа (называемые объёмно-градиентными) связаны с неравномерным нагреванием поверхностной и более глубоких частей массива; различие температур (и, соответственно, различное расширение) в этих частях массива приводят к образованию трещин, направленных параллельно его поверхности. Вследствие этого происходит шелушение и отслаивание пород, называемое десквамацией.

Десквамация в слоистой карбонатной породе (плато Лаго-Наки, Большой Кавказ)

Десквамация вулканических пород (вулканический массив Карад-Даг, Крым)

Второй тип напряжений в пределах объёма породы и минерала связан с различием коэффициентов теплового расширения-сжатия минералов. Напряжения этого типа приводят к раскалыванию до уровня минеральных зёрен и далее, по трещинам спайности, до образования частиц размером до сотых долей мм. Быстрее разрушаются темноокрашенные минералы и породы, а также крупнокристаллические полиминеральные породы с большими различиями коэффициентов расширения составляющих их минералов.

Так в процессе температурного выветривания массив пород разрушается с образованием обломочных пород различного размера – от щебня до алевритового материала. Суточные колебания температуры проявляются до глубины 1 м, что определяет максимальную мощность возникающих таким путём обломочных отложений.

Наиболее активно температурное выветривание протекает в пустынях и, в несколько меньшей степени, в нивальных областях и в высокогорных районах, не покрытых снегом. Этому способствует сочетание двух факторов: 1) резкие суточные колебания температуры, достигающие 50оС и 2) обнажённость горных пород ввиду отсутствия растительного покрова и почвенного слоя.

Морозное выветривание – разрушение горных пород в результате периодического замерзания попадающей в трещины воды.

Попадая в трещины, в холодное время суток вода замерзает – превращается в лёд, объём которого, как известно, значительно выше, чем исходный объём воды. Кристаллизующийся лёд оказывает на стенки трещин весьма существенно давление, достигающее 1000 кг/см3 и более, что значительно выше прочности большинства горных пород. Давление льда приводит к расширению трещин и раскалыванию пород на крупные обломки размером от десятков сантиметров до метров в диаметре. Отсутствие более мелкого материала обусловлено тем, что свободная вода не способна проникать в микротрещины.

Наиболее активно морозное выветривание протекает в холодных и умеренных областях с резкими суточными колебаниями температуры, а также в области развития вечной мерзлоты и в зоне деятельности ледников.

Образующиеся в ходе физического и химического выветривания продукты разрушения могут быть перемещены с места своего образования под действием водных потоков, ветра, движущихся ледников и других экзогенных факторов  (процесс перемещения продуктов разрушения горных пород называется денудация) или остаться на месте своего образования. Продукты выветривания, залегающие на месте своего образования, называются элювий. К элювию относят продукты выветривания, не смещённые за пределы площади развития материнских пород (субстата за счёт которого они образовались).

В результате физического выветривания образуются особые формы ландшафта. Если выветривание происходит в горной области, где имеются плоские, горизонтальные поверхности, то продукты выветривания накапливаются на них в виде глыб и более мелкого дресвяного материала. В результате создаются элювиальные россыпи и ландшафты беспорядочного нагромождения глыб, получившие название «каменных морей».

Характерным ландшафтом зон физического выветривания являются каменистые пустыни, или, как их называют в Сахаре, гаммады. Гаммады представляют собой нагромождения глыб и щебня, образующиеся за счёт выветривания горизонтально лежащих платов горных пород и выноса ветром  пылеватых и песчаных продуктов их разрушения. Краю пластов часто расчленены на останцы конусовидной формы, понижения между которыми заполнены россыпями каменных глыб и щебнем.

Говоря о физическом выветривании необходимо подчеркнуть, что оно приводит к механической дезинтеграции пород и минералов, но не приводит к их химическому преобразованию.

Подводный тип

Процессы выветривания горных пород имеют место не только на суше, но, как уже было сказано выше, на дне различных водоёмов, преимущественно океанов и морей. Если рассматривать последние, то при наличии морской воды, богатой минералами, а также при смене температур, газовых режимов и давления происходит растворение горной породы и минералов. При этом формируются новообразования элювиального типа с продуктами биологической, метасоматической и химической природы.

Сочетание всех этих процессов в подводной среде приводит к изменению состава минеральных разностей, которые могут присутствовать здесь на дне либо во взвешенном состоянии. Такую совокупность принято называть гальмиролизом. При этом он относится не только к минеральным образцам на морском дне, но и к продуктам вулканической активности.

К числу ключевых факторов разложения минералов в подводной среде принято относить:

• воду;
• состояние газов;
• биос;
• давление;
• степень солёности;
• температурный режим и его изменения.

В зависимости от глубины водоёма, на которой происходят процессы разложения, схема воздействия этих факторов меняется. В зоне подводного разложения температура, при которой происходят процессы распада и выветривания, более низкая, если сравнивать её с температурным режимом химического выветривания в континентальной среде.

С увеличением глубины, на котором формируется донный осадок, растёт показатель давления. На 200 метрах он составляет порядка 20 атмосфер, а на глубине 10 тысяч метров – до 1000 атмосфер. Таким образом, растворимость газов и твёрдых веществ возрастает. Более активно и в краткий период проходят химические процессы. Также меняется их эффективность и направление.

Высокая скорость скопления осадков не влияет на развитие процессов выветривания под водой. Это обусловлено тем, что осаждаемые материалы долгое время не контактировали с природными водами, вследствие их перекрытия новыми осадочными слоями. При этом солёные воды не успевают оказывать выраженного химического воздействия на эти материалы.

По мере удаления от линии берега на море и в океанах, скорость накопления осадков снижается. По этой причине гальмиролиз проявляется более активно на глубоководных участках водоёмов. Также его активность обусловлена от жизнедеятельности микроорганизмов и скорости осадочного скопления.

Растворённое вещество имеет свойство мигрировать в вертикальном направлении, а его частицы – цементироваться. Под действием гидратации, гидролиза, миграции, восстановления и окисления гальмиролизированные осадки синтезируются в другие минеральные породы. К их числу можно отнести:

• фосфориты;
• гидроксид марганца и железа;
• цеолит;
• шамозит;
• карбонаты;
• глауконит;
• цеолит;
• глинистые породы.

Формируются преимущественно фосфатные породы. Бактериальная микрофлора выступает катализатором при гальмиролизе. Они ускоряют химический процесс, однако не изменяют направленность и продукты, которые они продуцируют в процессе.

Химико-физические условия водной среды непосредственным образом влияют на ход и проявление выветривания под водой. Последнее при этом достигает апогея в развитии при нулевых и малых скоростях накопления осадков в районах подводных хребтов и глубоководных областей.

Напоследок хотелось бы упомянуть о фумарольной и гидротермальной переработке осадочных образований в местах вулканической активности. Здесь преобладают сульфат-ионные составы, а также пирокластические осадки пепла, которые наряду с кислой средой и высокими температурами делают глинозём подвижным. Это, в свою очередь, формирует белоцветной и пестроцветной элюфий, который по Калугину называется сольфатарно-фумарольная кора выветривания.

Выветривание здания

Бетон поврежден кислотным дождем .

Здания из любого камня, кирпича или бетона подвержены тем же атмосферным воздействиям, что и любая обнаженная скальная поверхность. Также статуи , памятники и декоративная каменная кладка могут быть сильно повреждены естественными процессами выветривания. Это ускоряется в районах, сильно пострадавших от кислотных дождей .

Ускоренное атмосферное воздействие на здание может представлять угрозу для окружающей среды и безопасности людей. Стратегии проектирования могут смягчить воздействие воздействия окружающей среды, например, использование завесы от дождя с регулируемым давлением, гарантируя, что система HVAC может эффективно контролировать накопление влаги, и выбор бетонных смесей с пониженным содержанием воды для минимизации воздействия циклов замораживания-оттаивания.

Особенности химического выветривания

Химическое выветривание – это разрушение минералов и принципиальное изменение их состава, что приводит к образованию совершенно новых соединений.

Данный процесс наиболее активно идет в карбонатных породах, для которых характерна раздробленность и повышенная водопроницаемость. Особенно большое влияние на протекание разрушительного процесса оказывает вода.

Рис. 2. Карбонатные горные породы

Скорость химического выветривания многократно увеличивается, если в водном растворе есть органические кислоты, углекислота и кислород. Эти вещества обладают высокой активностью, которую способны передавать и воде.

Выделяют 4 основные реакции химического выветривания:

• Окисление – присоединение молекул кислорода, за счет чего происходит образование новых соединений. К примерам химического выветривания горных пород под воздействием кислорода можно отнести переход сидерита и пирита в гематит.
• Гидратация – присоединение воды, то есть прикрепление молекул воды к поверхности кристаллической решетки минерала. Типичный пример гидратации – переход ангидрида в гипс.

Рис. 3. Гипс

• Растворение – растворение молекул одного вещества в другом веществе без качественного изменения его состава. Почти все минералы, так или иначе, растворяются, но больше всего этому процессу подвержены осадочные горные породы.
• Гидролиз – сложный, поэтапный химический процесс, при котором под воздействием воды и растворенных в ней ионов происходит полное изменение структуры минералов. Каолинит – пример горной породы, которая появляется за счет выветривания под влиянием гидролиза.

Что мы узнали?

Мы узнали, что химическое выветривание минералов является сложным процессом, в котором участвуют такие вещества как вода, углекислый газ и кислород. Он наблюдается преимущественно в жарком климате – тропиках или субтропиках, и ему подвергаются, в основном, карбонатные горные породы.

1. /5

   Вопрос 1 из 5

Определение «Выветривание горных пород» в ЭБНБ

Выветривание горных пород и минералов — это процесс разрушения и химического изменения горных пород под влиянием температуры, химического и механического воздействия на них атмосферы, воды и организмов.Различают три типа выветривания: физическое, химическое, биологическое.Физическое выветривание — это процесс механического раздробления горных пород без изменения химического состава образующих их минералов.

Физическое выветривание активно протекает при больших колебаниях суточных и сезонных температур, например в жарких пустынях, где поверхность почвы иногда нагревается до 60 — 70°С, а ночью охлаждается почти до 0°С. Процесс разрушения усиливается при конденсации и замерзании воды в трещинах горных пород, поскольку, замерзая, вода расширяется на своего объема и с огромной силой давит на стенки. В сухом климате аналогичную роль играют соли, кристаллизующиеся в трещинах горных пород. Так, соль кальция CaSO₄, превращаясь в гипс (CaSO₄ — 2H₂O), увеличивается в объеме на 33%. В результате от породы, разбитой сетью трещин, начинают отпадать отдельные обломки, и с течением времени ее поверхность может подвергнуться полному механическому разрушению, что благоприятствует химическому выветриванию.Химическое выветривание — это процесс химического изменения горных пород и минералов и образования новых, более простых соединений в результате реакций растворения, гидролиза, гидратации и окисления.

Важнейшими факторами химического выветривания являются вода, углекислый газ и кислород. Вода выступает в роли активного растворителя горных пород и минералов, а растворенный в воде углекислый газ усиливает разрушающее действие воды.

Основная химическая реакция воды с минералами магматических пород — гидролиз — приводит к замене катионов щелочных и щелочноземельных элементов кристаллической решетки на ионы водорода диссоциированных молекул воды.

С деятельностью воды связана также гидратация — химический процесс присоединения воды к минералам. В результате реакции происходит разрушение поверхности минералов, что в свою очередь усиливает их взаимодействие с окружающим водным раствором, газами и другими факторами выветривания.

Реакция присоединения кислорода и образования оксидов (кислотные, основные, амфотерные, солеобразующие) называется окислением. Окислительные процессы широко распространены при выветривании минералов, содержащих соли металлов, особенно железа.

В результате химического выветривания изменяется физическое состояние минералов, разрушается их кристаллическая решетка. Порода обогащается новыми (вторичными) минералами и приобретает такие свойства, как связность, влагоемкость, способность к поглощению и др.Биологическое выветривание — это процесс химического разрушения и химического изменения горных пород и минералов под влиянием организмов и продуктов их жизнедеятельности.

При биологическом выветривании организмы извлекают из породы необходимые для построения своего тела минеральные вещества и аккумулируют их в поверхностном горизонте породы, создавая условия для формирования почвы. Корни растений и микроорганизмы выделяют во внешнюю среду углекислый газ и различные кислоты (щавелевую, яблочную, янтарную, плавиковую, азотную, серную и др.), которые разрушают минералы и усиливают процесс выветривания.

Большая роль в биологическом выветривании монолитных пород принадлежит лишайникам, которые разрушают породы как химически, выделяя углекислоту и кислоты, так и механически, проникая гифами внутрь минералов и трещин горных пород.Животные в меньшей степени, чем растения, влияют на горные породы. Однако и они разрушают их путем механического разрыхления и выделения продуктов жизнедеятельности.

Разные породы и минералы имеют неодинаковую устойчивость к выветриванию. Более легко выветриванию подвергаются пористые породы с высоким содержанием минералов: вулканические пеплы, слюды и др. Наоборот, минералы с плотной структурой — устойчивы к выветриванию — это кварциты, граниты и др. Промежуточное положение занимают полевые шпаты.

Интенсивность выветривания зависит также от климатических условий и главным образом от температуры и количества осадков. В условиях засушливого климата продукты выветривания накапливаются, в условиях влажного климата — вымываются (выщелачиваются).

Химическое выветривание

Химическое выветривание представляет собой процесс химического преобразования минералов и горных пород под воздействием воды, кислорода, углекислого газа, органических кислот, а также вследствие биогеохимических процессов.

Преобразование происходит вследствие реакций окисления и гидратации (например, преобразование пирита по схеме FeS₂ + mH₂O + nO₂ – FeSO₄ — Fe₂SO₄ – Fe(OH)₃ – Fe₂O₃.nH₂O), растворения и гидролиза. Особое место занимают реакции гидролиза — ионного обмена между веществами и водой, приводящие к разрушению даже весьма устойчивых структур силикатов, сопровождающемуся их гидратацией и выносом элементов из кристаллической решётки. Примером такой реакции, может служить разрушение каркасной структуры полевых шпатов (самых распространённых в земной коре минералов) с образованием глинистых минералов и, далее, гиббсита:

K[AlSiO₃] + CO₂ + H₂O – Al₄[Si₄O₁₀](OH)₈ + K₂CO₃ + SiO₂ – AlО(OH)₃ + SiO₂.

Необходимо отметить ещё одну функцию воды, без которой невозможно химическое преобразование пород: вода обеспечивает «доставку» агентов химического выветривания и вынос продуктов реакций. 

Транспортировка веществ происходит почвенно-грунтовыми водами в виде истинных и коллоидных растворов.

Важное значение в процессах химического выветривания имеют органические кислоты, активно способствующие разложению минералов. Процессы химического выветривания протекают ниже почвенного слоя, просачиваясь через который воды обогащаются органическими соединениями

Необходимыми условиями глубоко химического выветривания являются:

• климат, при котором достигается сочетание высоких температур и влажности (гумидный тропический);
• обилие и характер растительности (при её разложении образуются органические кислоты, активно разрушающие минералы);
• выровненный рельеф, обеспечивающий неподвижность продуктов разрушения;
• продолжительность выветривания.

Важно подчеркнуть роль ландшафтных условий. В гумидных ландшафтах развита лесная растительность, обладающая огромной биомассой и разлагающаяся почве микроорганизмами с образованием органических кислот, поэтому почвенные воды гумидных ландшафтов обладают кислой реакцией и активно воздействует на минералы исходных горных пород; в таких условиях выветривание протекает под воздействием постоянного промывания горных пород кислыми растворами

В аридных ландшафтах, отличающихся недостаточной увлажнённостью, распространена травянистая растительность. Её биомасса в десятки раз меньше биомассы лесов. Кроме того, почвенная микрофлора перерабатывает растительные остатки с образованием высокополимеризованных органических соединений, которые не обладают агрессивными свойствами по отношению к минералам. Почвенные воды имеют нейтральную или слабощелочную реакцию, поэтому интенсивного промывания выветривающейся толщи агрессивными возами не происходит, и в ней постепенно сохраняются относительно легкорастворимые соединения.

Процессы химического разложения приводят к разрушению кристаллических решёток минералов, даже весьма устойчивых, высвобождению из них химических элементов. Так выветривание гранитов может завершиться формированием за сёт слагающих их минералов толщи глин, обогащённых водными окислами алюминия.

Примеры новообразований посредством химии

В результате химического выветривания из твёрдых пород магматического происхождения (гранитов, базальтов, гнейсов) получаются податливые глины. К числу продуктов окисления, гидролиза, миграции разрушенных частиц вещества относятся также карбонаты, фосфориты, цеолиты, гидроксиды железа, марганца. Некоторые примеры превращений твёрдых камней в рыхлые отложения сведены в таблицу преобразований при химическом выветривании.

Химическое выветривание в известняках, доломитах, кальцитах происходит быстрее, чем в кварцевых песчаниках, а повышение температуры ускоряет процесс разрушения. Благодаря химическому типу выветривания, в недрах находится много месторождений полезных ископаемых. Часть из них разрабатывается, другие пребывают в государственном резерве, третьи пока ещё не разведаны.

Химическое выветривание

Выветривание химическое – процесс преобразования пород и минералов под влиянием растворения, окисления, гидратации, замещения и гидролитического разложения, проявляющихся в изменении их внешнего облика, окраски, минерального и химического составов и свойств. Химическое выветривание наиболее интенсивно развивается в условиях тёплого, жаркого избыточно влажного гумидного климата тропиков и субтропиков. На развитие В. х. существенно влияют наличие и характер растительного покрова, микроорганизмы, продукты их жизнедеятельности и в целом активность биохимических процессов (таблица).

Характеристика химического выветривания пород (по И. И. Гинзбургу)