Вивiтрювання й денудацiя
ВВЕДЕННЯ1. ФIЗИЧНЕ ВИВIТРЮВАННЯ
2. ХIМIЧНЕ ВИВIТРЮВАННЯ
3. РОЛЬ ОРГАНIЧНОГО МИРУ В ПРОЦЕСАХ ХIМIЧНОГО ВИВIТРЮВАННЯ
Використана лiтература
ВВЕДЕННЯ
Гiрськi породи, що ськладають земну кору, пiддаються денудацiï в
результатi ïхнього попереднього вивiтрювання. Цей процес приводить
до появи пухких (дисперсних) новотворiв зони гипергенеза, iстотно
вiдмiнних по своïх фiзичних властивостях вiд вихiдних корiнних
порiд.
Вивiтрювання — це руйнування порiд на земнiй поверхнi i
ïхнє перетворення в продукти, якi є бiльше стiйкими в
нових фiзико-хiмiчних умовах. Багато порiд спочатку утворювалися при
високих тиськах i температурах i при вiдсутностi води й повiтря.
Продукти вивiтрювання можуть сильно розрiзнятися по ськладу, i навiть тi
з них, якi при одних умовах є стiйкими, при змiнi умов можуть
стати нестiйкими.
Б. Б. Полинов видiлив чотири стадiï вивiтрювання, що характеризують
єдиний безперервний процес, що протiкає в часi, гипергенеза.
Перша стадiя характеризується переважною роллю фiзичних факторiв
вивiтрювання з утворенням великоуламкових i дрiбнозернистих продуктiв
механiчного розпаду масивних гiрських порiд. В умовах суворого клiмату й
активноï денудацiï сучасне вивiтрювання нерiдко
обмежується цiєю першою стадiєю. Друга стадiя
характеризується лужною реакцiєю середовища за рахунок
витягу в розчин пiдстав при гiдролiзi мiнералiв. На цiй стадiï
утворяться вториннi мiнерали в результатi окислювання, гiдратацiï,
гiдролiзу й карбонатизации первинних мiнералiв. Серед вторинних
алюмосилiкатiв на цiй стадiï переважають мiнерали групи
монтмориллонита й нонтронит. При вiдносному надлишку в породах кальцiю в
продуктах вивiтрювання вiдбувається нагромадження карбонату
кальцiю, що нерiдко утворить кiрку на уламках масивних порiд, Б. Б.
Полинов iменує цю стадiю обизвесткованной або насиченоï
сиаллитной корою вивiтрювання ; найбiльше поширення вона має в
умовах помiрного клiмату при вивiтрюваннi вивержених i метаморфiчних
порiд. У гiрських районах сучаснi пухкi утворення на схилах часто
ставляться саме до цього типу.
Третя стадiя — залишковоï ненасиченоï сиаллитной кори
вивiтрювання — характеризується подальшим виносом iз
продуктiв вивiтрювання лужних i щелочноземельних елементiв, внаслiдок
чого реакцiя середовища стає кислою. У цiй обстановцi серед
вторинних алюмосилiкатiв переважають галлуазит i каолiнiт. Розвиток
цiєï стадiï вивiтрювання має мiсце в умовах
уповiльненоï денудацiï й щодо бiльше рясного зволоження.
У четвертiй стадiï утвориться залишкова аллитная кора вивiтрювання,
характеризуемая нагромадженням окислiв кремнiю, залiза й алюмiнiю.
Розвиток ïï визначається сполученням активного хiмiчного
вивiтрювання з уповiльненою денудацiєю в умовах жаркого й вологого
клiмату. Утворення шаруючи виветрелих порiд полегшує денудацiю й
одночасно утрудняє подальший доступ агентiв вивiтрювання до
свiжих, незмiнених корiнних порiд. Видалення процесами денудацiï
виветрелого шаруючи активiзує вивiтрювання, що у свою чергу
створює умови для посилений денудацiï. У пiдсумку мiж
вивiтрюванням i денудацiєю встановлюється рухлива рiвновага,
що визначає потужнiсть продуктiв вивiтрювання в областi позитивних
форм рельєфу. Рухливе (динамiчне) рiвновага не виключає
поступального розвитку, у силу якого равновес зрушується в ту або
iншу сторону. Якщо переважну роль здобуває денудацiя, потужнiсть
сучасних продуктiв вивiтрювання для нових умов рiвноваги
зменшується. При вповiльненiй денудацiï й, отже, бiльш
довгостроково вивiтрюваннi рiвновага буде досягнуто при бiльших
значеннях потужностi продуктiв вивiтрювання.
Термiн вивiтрювання не вiдбиває всiєï ськладностiпроцесу, але широко розповсюджений у геологiчнiй, географiчнiй,
ґрунтовiй лiтературi. Як синонiм уживається термiн
гипергенез , уведений А. Е. Ферсманом. У єдиному й ськладному
процесi вивiтрювання умовно видiляються двi основнi взаємозалежнi
форми:
4) фiзичне вивiтрювання;
5) хiмiчне вивiтрювання.
Iнодi видiляють ще органiчне вивiтрювання. Однак роль органiзмiв i
ïхнiй вплив на гiрськi породи зводяться або до механiчного
руйнування, або хiмiчному розкладанню. Отже, органiчне вивiтрювання
включається в умовно видiленi двi форми єдиного процесу.
6. ФIЗИЧНЕ ВИВIТРЮВАННЯ
Фiзичне вивiтрювання викликається рiзноманiтними факторами.
Залежно вiд природи фактора, що впливає, характер руйнування
гiрських порiд при фiзичному вивiтрюваннi рiзний. В одних випадках
процес руйнування вiдбувається усерединi самоï гiрськоï
породи без участi зовнiшнього механiчно дiючого агента. Сюди ставиться
змiна обсягу ськладових частин породи, викликувана коливанням
температури. Таке явище може бути названо температурним вивiтрюванням. В
iнших випадках гiрськi породи руйнуються пiд механiчним впливом
стороннiх агентiв. Такий процес може бути умовно названий механiчним
вивiтрюванням.
Температурне вивiтрювання вiдбувається пiд впливом добових i
сезонних коливань температури, що викликають нерiвномiрне нагрiвання й
охолодження гiрських порiд. При цьому мiнеральнi зерна, що ськладають
гiрськi породи, випробовують те розширення, при пiдвищеннi температури,
то стиськ, при ïï зниженнi. Таким чином, у гiрських породах
поперемiнно виникають стиськаючi й розтяжнi зусилля. Розширення й стиськ
порiд бiльш iнтенсивно позначаються в самiй приповерхнiй частинi порiд.
Найбiльшому руйнуванню в результатi температурного вивiтрювання
пiддаються полiмiнеральнi гiрськi породи, такi, як гранiти, габро,
гнейси й iн. Рiзнi мiнерали, з яких ськладаються такi породи, мають
неоднаковий коефiцiєнт об'ємного розширення, тому при змiнi
температури вони випробовують деформацiï в рiзному ступенi. До того
ж коефiцiєнт лiнiйного розширення навiть у того самого мiнералу
мiняється залежно вiд напрямку в кристалi (прояв анiзотропiï)
.
У результатi тривалого впливу коливань температури й рiзних
коефiцiєнтiв розширення мiнералiв взаємне зчеплення окремих
мiнеральних зерен у гiрськiй породi порушується, вона
розтрiськується й розпадається на окремi уламки. На
iнтенсивнiсть температурного вивiтрювання впливають також фарбування
гiрськоï породи й розмiри ïï мiнеральних зерен, що
ськладають. Вiдомо, що пiд впливом сонячних променiв (iнсоляцiï)
значно сильней нагрiваються темноколiрнi. мiнерали. Внаслiдок цього
швидше руйнуються темноокрашенние, а також; грубозернистi гiрськi
породи.
Температурне вивiтрювання найбiльше iнтенсивно протiкає в
областях, що характеризуються рiзкими контрастами температур, особливо
добових, сухiстю повiтря й вiдсутнiстю або слабким розвитком рослинного
покриву, що зм'якшує температурний вплив на ґрунти й гiрськi
породи. Особливо iнтенсивно температурне вивiтрювання в пустелях, де
кiлькiсть атмосферних опадiв, що випадають, не перевищує 200-250
мм/рiк, мала хмарнiсть, добовi коливання температури нерiдко досягають
40-50? З, величезний дефiцит вологостi. Вiдносна вологiсть улiтку може
знижуватися до 10%, а iнодi й нижче. У цих умовах гiрськi породи пiд
дiєю сонячних променiв сильно нагрiваються до температур, що
значно перевищують температуру повiтря (особливо темноколiрнi мiнерали)
, уночi ж сильно прохолоджуються. Саме в пустелях особливо яськраво
виражений процес шелушения, або деськвамацiï, при якому вiд
поверхнi гiрських порiд вiдшаровуються луськи або товстi пластини,
паралельнi поверхнi породи.
Температурне вивiтрювання iнтенсивно протiкає також на вершинах i
схилах гiр, не покритих снiгом i льодом, де повiтря прозорiше й
iнсоляцiя значно сильнiше, нiж у прилежащих низменностях. У рядi
випадкiв температура повiтря вдень тут може досягати +20+30 њС, а вночi
падає майже до крапки замерзання.
Механiчне вивiтрювання вiдбувається пiд механiчним впливом
стороннiх агентiв. Особливо велика руйнiвна дiя робить замерзання води.
Коли вода попадає в трiщини й пори гiрських порiд, а потiм
замерзає, вона збiльшується в обсязi на 9-10%, роблячи при
цьому величезний тиськ. Така сила переборює опiр гiрських порiд на
розрив, i вони розколюються на окремi уламки. Найбiльш iнтенсивне
раськлинивающее дiя робить замерзаюча вода в трiщинах гiрських порiд.
Але пiд впливом замерзаючоï води легко дробляться й породи з
високою пористiстю, у яких поровое простiр займає близько 10-30%
обсягу (пiщаники й iншi осадовi породи) . Процеси, пов'язанi iз впливом
перiодично замерзаючоï води, часто називають морозним
вивiтрюванням. Воно спостерiгається у високих полярних i
субполярних широтах, а також у гiрських районах вище снiговоï
лiнiï, де в рядi випадкiв проявляється й температурне
вивiтрювання.
Такий же механiчний вплив на гiрськi породи роблять коренева система
дерев i тварини, що риють. У мiру розростання дерев збiльшуються в
розмiрах ïхнiх корiнь . Вони давлять iз великою силою на стiнки
трiщин i розсовують ïх як клини й тим самим викликають розколювання
породи на окремi брили й уламки. Частина таких брил виштовхується
нагору. Механiчний вплив роблять i рiзнi тварини, що риють, такi, як
землянi хробаки, мурахи, гризуни й iн.
Дезiнтеграцiю порiд викликає також рiст кристалiв у капiлярних
трiщинах i порах. Це добре проявляється в умовах сухого клiмату,
де вдень при сильному нагрiваннi капiлярна вода пiдтягується до
поверхнi й випаровується, а солi, що втримуються в нiй,
кристалiзуються. Пiд тиськом зростаючих кристалiв капiлярнi трiщини
розширюються, що й приводить до порушення монолiтностi гiрськоï
породи i ïï руйнуванню.
ХIМIЧНЕ ВИВIТРЮВАННЯ
Руйнуванню гiрських порiд пiд впливом фiзичного вивiтрювання завжди в
тiм або iншому ступенi супроводжує хiмiчне вивiтрювання, а в рядi
випадкiв останнє вiдiграє вирiшальну роль. Це вiдбиває
тiсний взаємозв'язок рiзних форм єдиного процесу
вивiтрювання. Фiзична дезiнтеграцiя рiзко збiльшує реакцiйну
поверхню порiд, що вивiтрюються. Головними факторами хiмiчного
вивiтрювання є вода, кисень, вуглекислота й органiчнi кислоти, пiд
впливом яких iстотно змiнюються структура й ськлад мiнералiв i
утворяться новi мiнерали, що вiдповiдають певним фiзико-хiмiчним умовам.
Найважливiший фактор хiмiчного вивiтрювання вода, що у тiм або iншому
ступенi диссоциирована на позитивно зарядженi водневi iони (Н+) i
негативно зарядженi гiдроксильнi iони (ВIН-) . Це визначає
ïï можливiсть вступати в реакцiю iз кристалiчною речовиною.
Висока концентрацiя водневих iонiв у розчинах сприяє приськоренню
процесiв вивiтрювання.
Особливо зростає iнтенсивнiсть хiмiчного вивiтрювання, коли у
водяному розчинi присутнi кисень, вуглекислота й органiчнi кислоти, якi
мають велику активнiсть i в багато разiв пiдвищують дисоцiацiю води.
Залежно вiд реакцiï середовища в процесi вивiтрювання виникають тi
або iншi характернi асоцiацiï мiнералiв. Найбiльш сприятливi умови
для хiмiчного вивiтрювання iснують у гумидних областях i особливо в
тропiчних i субтропiчних зонах, де має мiсце сполучення
великоï вологостi, високоï температури, пишноï
рослинностi й величезного щорiчного отпада органiчноï маси (у
тропiчних лiсах) , у результатi чого значно зростає концентрацiя
вуглекислоти й органiчних кислот, а отже, зростає й концентрацiя
водневих iонiв. Хiмiчний вплив на гiрськi породи роблять розчиненi iони,
що перебувають у водi, такi, як НСО3-.SO-4, З 1-1-, Са+, Mg+, Na+, ДО+.
Цi iони також можуть замiщати. зарядженi атоми в кристалах або
взаємодiяти з ними,. що може приводити до порушення первинноï
кристалiчноï структури мiнералiв. Процеси, що протiкають при
хiмiчному вивiтрюваннi, полягають у наступних основних хiмiчних
реакцiях: окислюваннi, гiдратацiï, розчиненнi, гiдролiзi.
Окислювання. Процеси окислювання найбiльше iнтенсивно протiкають у
мiнералах, що мiстять закиснi з'єднання залiза, марганцю й iнших
елементiв. Так, сульфiди в кислому середовищi стають нестiйкими й
поступово замiщаються сульфатами, окислами й гiдроокислами.
Спрямованiсть цього процесу можна схематично зобразити в такий спосiб:
Fe2+n2+m2ОFeSO4Fe2(SO4) 3 Fe2O3zn2O. пiрит сульфат сульфат бурий
залiзняк закису окису (лимонит) залiза. На першiй стадiï виходять
сульфат закису залiза й сiрчана кислота (1^2804) . Наявнiсть
сiрчаноï кислоти значно пiдсилює iнтенсивнiсть вивiтрювання,
сприяє подальшому розкладанню мiнералiв. На другiй стадiï
сульфат закису залiза переходить у сульфат окису залiза. Останнiй у свою
чергу виявляється нестiйким i пiд дiєю кисню й води —
переходить у водний окис залiза бурий залiзняк. Бурий залiзняк фактично
являє собою ськладний мiнеральний агрегат близьких по ськладу
мiнералiв гетиту (FeћOH) и гидрогётита (FeOћOHћnH2O) . На поверхности
ряда месторождений сульфидних руд и других железосодержащих минералов
наблюдается бурожелезняковая шляпа , возникшая в результате
одновременних окисления и гидратации. Местами при недостаточном
количестве влаги образуются бедная водой окись железа, гидрогематит
(Fe2O3ћH2O) . В результате процессов окисления магнетит переходит в
гематит, как ето имеет место в районе КМА. Гематит образуется и при
окислении таких минералов, как оливин, пироксени, амфиболи, под
действием води, кислорода и углекислоти. Направленность реакции
следующая: (Mg, Fe) 2[SiO4]Fe2O3+nMg(HCO3) 2+mH4SiO4. оливин гематит
растворимий растворимая бикарбонат кремнекислота магния Дальнейший
процесс окисления и гидратации может привести к образованию гидроокислов
железа (Fе2O3ћnН2O) .
Гiдратацiя — це процес, що полягає в приєднаннi води
до первинних мiнералiв гiрських порiд i утвореннi нових мiнералiв. Можна
привести наступнi приклади гiдратацiï:
1. Перехiд ангiдриту в гiпс по реакцiï СаSO4+2H2OИCaSO 4-2H2O
(реакцiя оборотна при змiнi умов) .
2. Перехiд гематиту в гiдроокисли залiза: Fе2ПРО3+nН2ОИFе2ПРО3ћnН2О. При
гидратации объем породи увеличивается и покривающие отложения
деформируются. Розчинення. Пiд впливом води, що мiстить вуглекислоту,
вiдбувається розчинення гiрських порiд. Розчинення особливо
iнтенсивно проявляється в осадових гiрських породах —
хлоридних, сульфатних i карбонатних. Найбiльшою розчиннiстю
вiдрiзняються хлориди: солi натрiю, калiю й iн. За хлоридами по
ступенi розчинностi коштують сульфати, зокрема гiпс, за якими iдуть
карбонатнi породи: вапняки, доломiти, мергелi. У результатi
розчинюючоï дiяльностi поверхневих i пiдземних вод на поверхнi
розчинних порiд утворяться карстовi форми рельєфу.
Гiдролiз. Ськладний процес гiдролiзу особливо велике значення має
при вивiтрюваннi силiкатiв i алюмосилiкатiв. Вiн полягає в
розкладаннi мiнералiв, виносi окремих елементiв, а також у
приєднаннi гiдроксильних iонiв i гiдратацiï. У ходi гiдролiзу
первинна кристалiчна структура мiнералу порушується й
перебудовується й може виявитися повнiстю зруйнованоï й
замiнена новоï, iстотно вiдмiнноï вiд первiсноï й
вiдповiдноï знову утвореним гiпергенним мiнералам. У рядi випадкiв
гiпергенне перетворення силiкатiв i алюмосилiкатiв пiд впливом води,
вуглекислоти й органiчних кислот протiкає стадийно з утворенням
рiзних глинистих мiнералiв. Як приклад можна привести схему розкладання
польових шпатiв (польовий шпат промiжний мiнерал-каолiнiт) :
K[AlSi3O8](ДО, Н20) А12 (ВIН) 2[A1Si4O10]ћnH20A14 (ОН) 8[A1Si4O10]
ортоклаз гидрослюда каолинит.
При утвореннi з польових шпатiв каолiнiту вiдбувається кiлька
перетворень i реакцiй:
3. Всi катiони ДО, Na, Са при взаємодiï з вуглекислотою
утворять щирi розчини карбонатiв (СаСО3, Na2CО3, ДО2СОз) i
бiкарбонатiв. В умовах вологого й теплого клiмату карбонати
виносяться за межi; мiсця ïхнього утворення. В умовах сухого
клiмату й недолiку вологи карбонати залишаються на мiсцi, образуя
тверду кiрку, або випадають iз розчину на деякiй глибинi вiд
поверхнi. Такий процес утворення карбонатiв називається
карбонатизацией.
4. Каркасна структура польових шпатiв перетворюється в шаровому,
властиву каолiнiту й iншим глинистим мiнералам.
5. Частина розчиненого кремнезему виноситься водою, що
пiдтверджується наявнiстю у твердому стоцi рiчкових вод у
среднею близько 11% Si2. Значна частина кремнезему, що виноситься,
швидко переходить у колоïдальний стан i випадає у виглядi
аморфного гидратированного осаду Si2ћnН2O, которий при висихании и
частичной потере води превращается в опал. Часть SiO2 остается прочно
связанной в каолините.
6. Приєднання гiдроксильних iонiв у каолiнiтi. У результатi
вивiтрювання магматичних i метаморфiчних горних. порiд, багатих
алюмосилiкатами (гранiтiв, гранодиоритов, гнейсiв i iн.) , утворяться
родовища каолiну. Каолiнiт в умовах земноï поверхнi досить
стiйкий мiнерал. Але при сприятливих умовах — високiй
температурi, великiй кiлькостi атмосферних опадiв i величезному
рослинному отпаде — вiдбувається подальше розкладання й
утворяться найбiльш стiйкi з'єднання — гiдроокисли
алюмiнiю, такi, як гиббсит, або гидраргиллят, А10(ВIН) з — один
з рудоносних мiнералiв основноï алюмiнiєвоï руди
— бокситу. Iнодi гiдроокисли алюмiнiю поширенi у виглядi плям у
каолiнiтах.
При вивiтрюваннi полiмiнеральних гiрських порiд поряд з гiдроокислами
алюмiнiю на кiнцевих стадiях утворяться гiдроокисли залiза, iнодi
марганцю, титана. Найбiльша iнтенсивнiсть хiмiчного вивiтрювання
проявляється в залiзисто-магнезiальних мiнералах (олiвiн,
пiроксени, амфiболи) i основних плагiоклазах.
7. РОЛЬ ОРГАНIЧНОГО МИРУ В ПРОЦЕСАХ ХIМIЧНОГО ВИВIТРЮВАННЯ
У ськладних процесах хiмiчного розкладання мiнералiв i гiрських порiд
велика роль бiосфери. Бiогеохiмiчний вплив на гiрськi породи
починається вже з перших поселенцiв на ськельних поверхнях
гiрських порiд — рiзних мiкроорганiзмiв, лишайникiв i мохiв. У
результатi такого впливу на ськельнiй поверхнi породи пiсля ïхнього
вiдмирання з'являються поглиблення, заповненi cyхим органiчною речовиною
(бiомаса мiкробних i iнших тiл) . Все це пiдготовляє умови для
наступного заселення ськель вищими рослинами й супутньоï ïм
фауною. Роль органiзмiв у хiмiчному вивiтрюваннi визначається тим,
що вони поглинають iз руйнується породи, що, хiмiчнi елементи у
вiдповiдностi зi своïми бiологiчними потребами (як живильнi
речовини) . До числа таких елементiв ставляться Р, S, З1, ДО, Са, Mg,
Na, Sr, В, у меншому ступенi Si i Al, Fe i iн.
Аналiз золи рослин показує, що змiст i спiввiдношення елементiв у
нiй внаслiдок рiзноï iнтенсивностi ïхнього бiологiчного
поглинання iстотно iншi, чим у вихiдних породах, У золi
втримується в десятки разiв бiльше Р, S, у кiлька разiв бiльше ДО,
Са, Mg, а також мiкроелементiв, менше Si, Al i Fe. Разом з тим наявнiсть
у золi Si i Al свiдчить про те, що вже первинна камнелюбивая рослиннiсть
руйнує мiцнi зв'язки мiж кремнеземом i глиноземом у кристалiчних
ґратах алюмосилiкатiв. Слiд зазначити, що органiзми беруть участь
не тiльки в розкладаннi первинних мiнералiв i засвоєннi ïхнiх
елементiв, але й у побудовi iз цих елементiв, якi пiсля вiдмирання й
мiнералiзацiï органiчноï речовини зберiгаються у виглядi
особливих бiогенних з'єднань. Таким чином, бiологiчний круговорот
речовин, властивий верхньоï частини кори вивiтрювання й особливо
ґрунтового покриву, характеризується певною циклiчнiстю й
спрямованiстю розвитку — вiд поглинання живими органiзмами
елементiв з порiд, що руйнуються, до вiдмирання органiзмiв,
мiнералiзацiï органiчних речовин i повернення елементiв у
навколишнє середовище в новiй якостi. Цей процес протiкає
многоступенчато. Iнодi має мiсце ряд рiзних по тривалостi циклiв,
пов'язаних з рiзною тривалiстю життя органiзмiв, включаючи самi короткi
— мiкробiологiчнi.
Таким чином, вплив органiчного миру на гiрськi породи зводиться або до
фiзичного руйнування ïх, або до хiмiчного розкладання. Варто
пiдкреслити умовнiсть пiдроздiлу процесiв вивiтрювання на фiзичнi й
хiмiчнi. Це єдинi ськладно взаємозалежнi процеси, що дiють
одночасно, особливо у верхньому шарi ґрунту й материнських порiд.
Можна говорити лише про перевагу фiзичного або хiмiчного процесу залежно
вiд клiмату, рельєфу, ськладу гiрських порiд i iнших факторiв.
Виборчий характер вивiтрювання. У природних умовах вiдзначається
нерiвномiрнiсть вивiтрювання гiрських порiд. Це пов'язане з рiзним
ступенем трiщинуватостi гiрських порiд. По трiщинуватих зонах легше
всього проникають вода й iншi компоненти атмосфери й протiкає
iнтенсивний процес вивiтрювання в глибину, у результатi якого утворяться
великi, iнодi з вертикальними схилами негативнi форми рельєфу (у
випадку виносу зруйнованих частин) . У шаруватi й неоднорiднi по ськладу
й твердостi гiрських породах легше всього вивiтрюються менш мiцнi або
бiльше розчиннi породи. Використана лiтература
1. Оллиер К. Вивiтрювання: Пер. с англ. — М. Надра, 1987.
2. Соловов А. П. Геохiмiчнi методи пошукiв родовищ корисних копалин:
— М. Надра, 1988 р.
3. Якушова А. Ф., Хаин В. Е., Славин В. И. Загальна
геологiя: М. МГУ, 1988 р.
