БИОГЕОХИМИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ПОЧВЫ

 

 

Выветривание горных пород. Элювиальные коры выветривания. Десиликация пород

 

Выветривание горных пород — начальный этап большого геологического круговорота веществ на земной поверхности. Предпосылкой выветривания служит тот факт, что плотные горные породы, как магматические, так и метаморфические и осадочные, формируются в иных термодинамических условиях по сравнению с существующими на земной поверхности, выходя на которую они подвергаются глубоким преобразованиям.

 

Выветривание — это совокупность процессов качественного и количественного изменения состава и свойств горных пород и слагающих их минералов под воздействием агентов атмосферы, гидросферы и биосферы, ведущих к трансформации и транслокации вещественного состава поверхностных слоев литосферы и превращению ее в кору выветривания, которая может быть элювиальной (остаточной), транзитной (элювиально-аккумулятивной) и аккумулятивной, а также современной, древней и ископаемой.

 

Для остаточной, элювиальной, коры выветривания характерно последовательное снизу вверх чередование зон выветривания (И. И. Гинзбург, 1963), так как на первых стадиях выветривания первичных минералов в среду освобождается много катионов, нейтрализующих кислые растворы, а по мере их выщелачивания среда становится все более кислой: 1) нижняя зона — зона начальной гидратации и выщелачивания по трещинам пород, с преобладанием процессов физического выветривания (дезинтеграции); 2) зона гидратации и начального гидролиза по всей массе породы (глубокого выщелачивания); 3) зона гидролиза и конечного выщелачивания; 4) поверхностная зона — юна конечного гидролиза (образования оксидов и гидроксидов элементов гидролизатов).

 

Установленные зоны выветривания одновременно являются и временными стадиями выветривания, характеризуя его начало (1-я зона) и итог (4-я зона), но полная стадийность выветривания существенно сложнее. Для транзитных и аккумулятивных (переотложенных) кор выветривания подобной вертикальной зональности, естественно, установить не удается.

 

Мощность современных элювиальных кор выветривания варьирует от миллиметров на первичных стадиях до многих метров — древние остаточные коры выветривания могут достигать нескольких десятков метров, а ископаемые остаточные и переотложенные коры могут составлять многие сотни метров.

 

 

Образование коры выветривания сопровождается потерей мощности континентальной литосферы в результате сопутствующей выветриванию денудации поверхности. Так, по подсчетам Б. Г. Розанова (1961), 10-метровая толща красноцветной коры выветривания в Шанском нагорье Бирмы образовалась из 930-метровой толщи плотных известняков, на что потребовалось около 2 млн. лет при средней скорости денудации около 0,5 мм/год.

 

Единый процесс выветривания пород и минералов складывается из ряда элементарных процессов, среди которых выделяются физическое выветривание (дезинтеграция и дисперга- ция), химическое выветривание под действием воды и водных растворов (гидратация, растворение, гидролиз, окисление-восста- новление, декарбонатизация-карбонатизация, дебазация, десили- кация-ресиликация), биологическое выветривание под действием живых организмов и их метаболитов.

 

Физическое (механическое) выветривание. Этот процесс протекает под влиянием изменений температуры (тепловое расширение и сжатие минералов), замерзания (расширение) и таяния (сжатие) попадающей в трещины породы воды, механической деятельности ветра, воды, льда, истирания в гравитационном или водном потоке, разрыхляющей деятельности корней растений. В результате монолитная порода с плотностью 2,5— 2,6 г/см3 превращается в рухляк выветривания с плотностью 1,2—1,5 г/см3 и порозностью 40—50%. При этом возрастает общая степень дисперсности материала и резко растет его удельная поверхность, подвергающаяся воздействию химических реагентов.

 

Химическое выветривание. Первостепенная роль в химических процессах выветривания принадлежит растворению в воде, возрастающему с увеличением степени дисперсности породы. Взаимодействие раздробленной породы с водой приводит к переходу в раствор значительных количеств катионов и анионов — на первых стадиях выветривания преимущественно силикатов, алюминатов и карбонатов щелочей и щелочно-земельных металлов, что способствует высокой щелочности растворов на этих стадиях. Постепенно щелочная реакция среды по мере выщелачивания катионов сменяется нейтральной и переходит на зрелых стадиях выветривания в кислую. Смена этих стадий происходит быстрее на бедных основаниями кислых породах, чем на богатых или основных. В результате выветривания путем растворения и выщелачивания граниты могут потерять 30—35% своей массы, базальты — 75—90, а известняк — до 99%.

 

При гидратации минералов происходит резкое увеличение их объема и растворимости. Так, при гидратации ангидрита объем увеличивается на 50—60%, а растворимость в чистой воде при 20°С возрастает от практического нуля до 2,6 г/л.

 

Образующиеся при гидролизе первичных минералов растворимые и коллоидные соединения кремния, алюминия и катионы служат исходным материалом для новообразования вторичных глинистых минералов, аккумулирующихся в корах выветривания.

 

Декарбонатизация всегда протекает одновременно с карбона- тизацией в условиях достаточно интенсивного промывного режима, поскольку образующиеся карбонаты щелочей и гидрокарбонаты щелочно-земельных металлов обладают высокой растворимостью и интенсивно выносятся. В условиях аридного климата карбонаты аккумулируются в остаточной коре выветривания. Реакции декарбонатизации известняков также идут при посредстве С02

 

Окислительные процессы ведут обычно к сильному подкислению среды и интенсивному выносу катионов в условиях достаточного увлажнения.

 

Восстановление играет существенную роль в выветривании минералов, содержащих элементы с переменной валентностью в окисленной форме. Этот процесс часто идет при участии хемо- трофных микроорганизмов в условиях дефицита кислорода.

 

Десиликация пород особенно интенсивна на первых стадиях выветривания, когда освобождающийся при гидролизе силикатов кремний образует растворимые или подвижные коллоидные соединения, легко мигрирующие в щелочной среде. При достаточной длительности и интенсивности выветривания, как, например, во влажных тропиках или субтропиках, выветривающиеся породы могут потерять до 80—90% исходного содержания кремния, а остаточная кора выветривания будет постоянно обогащаться оксидами алюминия и железа.

 

Большой агрессивностью по отношению к минералам обладают продуцируемые организмами и выделяемые в среду органические кислоты — щавелевая, яблочная, лимонная и т. д., а также гумусовые кислоты, особенно фульвокислоты. Поскольку, как установил Б. Б. Полынов, стерильного выветривания в природе не бывает, организмам принадлежит существенная роль во всех трансформациях минералов и образовании подвижных продуктов, выветривания.

 

Минералы горных пород в различной степени подвергаются процессам выветривания. По своей устойчивости к выветриванию они образуют следующие ряды:

гипс < калиевые полевые шпаты < доломит

« оливин < анортиг < апатит < авгит < роговая обманка < альбит < биотит < мусковит < ортоклаз « кварц < магнетит < циркон

 

Есть и более надежные, но весьма трудоемкие способы определения степени выветрелости породы и соответствующей степени обеднения или обогащения коры выветривания теми или иными компонентами. Однако все они имеют ту или иную долю условности. Наиболее надежные результаты получаются при оперировании не с относительными величинами, а с запасами тех или иных элементов ().

 

Поскольку при выветривании элементарные процессы действуют с неодинаковой скоростью, а подвижность (степень выноса) продуктов выветривания также различна, формирующиеся коры выветривания могут быть расположены в определенные хронологические ряды — хронокатены, находящиеся на последовательных стадиях выветривания.

 

Идея стадийности выветривания нашла свое выражение еще в трудах К. Д. Глинки. Исследовавший подробно этот вопрос Б. Б. Полынов установил следующие последовательные стадии развития кор выветривания в элювиальном процессе: 1) обломочная; 2) обызвесткованная; 3) сиаллитная насыщенная; 4) сиаллитная ненасыщенная (выщелоченная); 5) аллитная. Определенным стадиям выветривания соответствуют и определенные группы и соотношения первичных и вторичных минералов, как это было установлено И. Д. Седлецким. Последующие исследования вскрыли еще более сложную стадийность выветривания, причем разную на разных типах горных пород и в разных климатических условиях, что подробно описано в специальной литературе по процессам выветривания.

 

 

К содержанию: Ковда, Розанов: Почвоведение

 

Смотрите также:

 

Химия почвы    Грунтоведение  Занимательная геохимия. Химия земли. Академик Ферсман

 

Владимир Вернадский  Палеобиогеохимия  геохимия, атомное строение...