Что обеспечивает биологическое выветривание

Что обеспечивает биологическое выветривание

Выветривание относится к любому процессу разрушения породы на уровне поверхности. Это может относиться к обычному износу или растрескиванию и раскалыванию поверхности породы. Это разрушение может привести к большим структурным изменениям и разрушению породы, известной как эрозия.

Биологическое выветривание против физического и химического выветривания

Деревья и другие растения

Вы, вероятно, видели биологическое выветривание в действии, если вы когда-либо видели тротуар, который треснул от корня дерева. Корни деревьев, трав и других растений могут перерасти в небольшие пространства и щели в скале. Когда эти корни растут, они оказывают давление на скалы вокруг них, в результате чего щели расширяются или даже растрескиваются. Корни растений также могут переносить породу через химические процессы. Когда мертвые корни разлагаются, они выделяют углекислый газ; иногда он превращается в углекислоту, которая химически расщепляет породу в почве.

Микроорганизмы и лишайники

Активность животных

Как животные, люди также способствуют биологическому выветриванию. Строительство, добыча полезных ископаемых и разработка карьеров разрушают и разрушают большие участки породы Пешеходное движение по скале вызывает трение, которое разрушает мельчайшие частицы. В течение длительного периода пешеходное движение может привести к значительному износу на каменных поверхностях.

Источник

Выветривание

Выве́тривание — разрушение горных пород. Совокупность сложных процессов качественного и количественного преобразования горных пород и слагающих их минералов, приводящих к образованию продуктов выветривания. Происходит за счёт действия на литосферу гидросферы, атмосферы и биосферы. Если горные породы длительное время находятся на поверхности, то в результате их преобразований образуется кора выветривания. Различают три вида выветривания: физическое (лёд, вода и ветер) (механическое), химическое и биологическое.

Содержание

Физическое (механическое) выветривание

Чем больше разница температур в течение суток, тем быстрее происходит процесс выветривания. Следующим шагом в механическом выветривании является попадание в трещины воды, которая при замерзании увеличивается в объёме на 1/10 своего объёма, что способствует ещё большему выветриванию породы. Если глыбы горных пород попадут, например, в реку, то там они медленно стачиваются и измельчаются под воздействием течения. Селевые потоки, ветер, сила тяжести, землетрясения, извержения вулканов также содействуют физическому выветриванию горных пород. Механическое измельчение горных пород приводит к пропусканию и задерживанию породой воды и воздуха, а также значительному увеличению площади поверхности, что создает благоприятные условия для химического выветривания.

Химическое выветривание

Химическое выветривание — это совокупность различных химических процессов, в результате которых происходит дальнейшее разрушение горных пород и качественного изменения их химического состава с образованием новых минералов и соединений. Важнейшими факторами химического выветривания являются вода, углекислый газ и кислород. Вода — энергичный растворитель горных пород и минералов. Основная химическая реакция воды с минералами магматических пород — гидролиз, приводит к замене катионов щелочных и щелочноземельных элементов кристаллической решётки на ионы водорода диссооциированных молекул воды:

Образующееся основание (KOH) создает в растворе щелочную среду, при которой происходит дальнейшее разрушение кристаллической решётки ортоклаза. При наличии CO₂ KOH переходит в форму карбоната:

Взаимодействие воды с минералами горных пород приводит также и к гидратации — присоединению частиц воды к частицам минералов. Например:

В зоне химического выветривания также широко распространена реакция окисления, которой подвергаются многие минералы содержащие способные к окислению металлы. Ярким примером окислительных реакций при химическом выветривании является взаимодействие молекулярного кислорода с сульфидами в водной среде. Так, при окислении пирита наряду с сульфатами и гидратами окисей железа образуется серная кислота, участвующая в создании новых минералов.

Радиационное выветривание

Радиационным выветриванием называется разрушение пород под действием радиационного излучения. Радиационное выветривание оказывает влияние на процесс химического, биологического и физического выветривания. Лунный реголит.

Биологическое выветривание

Биологическое выветривание производят живые организмы (бактерии, грибки, вирусы, роющие животные, низшие и высшие растения и т. д.).

Источник

Общая геология

Глава 5. Выветривание

Какие же процессы приводят к выветриванию горных пород? Прежде всего это физическое, механическое разрушение, а также химическое и биохимическое разложение минералов и горных пород. Воздействие этих факторов усиливается тем, что как в магматических, так и в осадочных породах всегда присутствуют первичные трещины или трещины отдельности, возникшие при сокращении объема породы, после ее остывания или образования. Следовательно, увеличивается площадь соприкосновения породы с воздухом и водой, в трещины легко проникают корни растений (рис. 5.1). Механическое разрушение породы связано как с особенностями состава и строения самой породы, так и с внешними воздействиями. Первичные трещины в породах по мере эрозии залегающих выше толщ высвобождают усилия давления и расширяются, разрушая материнские породы (рис. 5.1 а, б, в).

Рис. 5.1. Увеличение поверхности выветривания породы по мере ее растрескивания

Рис. 5.1 а. Выветривание песчаников альбского возраста.
Горный Крым (фото В. А. Зайцева)

Рис. 5.1 б. Выветривание конкреций диаметром до 30 см в верхнемеловых
песчано-глинистых отложениях. Провинция Альберта, Канада (фото Gordon C. Hurlburt)

Рис. 5.1 в. Бастионные формы выветривания в верхнеюрских конгломератах
г. Демерджи, южный берег Крыма

Однако наиболее существенным физическим фактором, вызывающим дезинтеграцию пород, являются температурные колебания, как суточные, так и сезонные. Темная поверхность горной породы летом может нагреваться до +60 °С, а в пустынях и выше. В то же время внутренняя часть породы гораздо холоднее. Ночью температура падает, а днем снова возрастает. Так происходит температурное «раскачивание» не только разных частей породы, но и ее минеральных составляющих, особенно в полиминеральных породах, таких как граниты, гнейсы, лавы с крупными кристалликами-вкрапленниками. Разные минералы обладают различными коэффициентами объемного расширения, причем даже в одном минерале этот коэффициент меняется в зависимости от направления. Расширяясь и сжимаясь в разной степени, минералы провоцируют микронапряжения в горной породе, которые расшатывают ее «скелет», и она рассыпается на мелкие обломки — дресву.

5.1. Механическое, химическое и биологическое выветривание

Морозное, или механическое, выветривание связано с увеличением объема воды, попавшей в трещины, при замерзании. Вода, замерзая, превращается в лед, объем которого на 10 % больше, и при этом создается давление на стенки, например, трещины, до 200 МПа, что значительно больше прочности большинства горных пород (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Морозное выветривание. 1 — дождь заполняет водой трещины в горной породе;
2 — при замерзании воды лед (черное) увеличивается в объеме на 10 % и распирает породу,
отдельные куски которой отваливаются от общей массы

Такое же расклинивающее действие на породы оказывают кристаллы соли при их росте из раствора. Механическое расклинивающее воздействие на горные породы оказывают корни деревьев и кустарников, которые, увеличиваясь в объеме, создают большое добавочное напряжение на стенки трещины. Хорошо известно, как раньше раскалывали гранитные блоки. В них забивали дубовые клинья, поливали их водой, и разбухший клин разрывал породу на блоки. Даже мелкие грызуны, а также черви, муравьи и термиты оказывают механическое воздействие на горную породу, роя ходы до 1,5 м глубиной. Земляные черви способны переработать до 5 т почвы на 1 га за 1 год. При этом поверхностные слои почвы обогащаются гумусом. Улитки высверливают глубокие ходы в карбонатных породах, а муравьи роют неглубокие, но многочисленные ходы, разрыхляя почву и способствуя проникновению в нее воздуха. Разрушение горных пород происходит по трещинам (рис. 5.3). Особенно эффектно выветривание выглядит в гранитных скалах (рис. 5.4).

Рис. 5.3. Идеализированная схема формирования концентрическо-скорлуповатой
отдельности при выветривании по трещинам

Рис. 5.4. Матрацевидная форма выветривания в палеозойских гранитах.
Центральный Казахстан

Очевидно, что температурное выветривание шире всего проявляется в условиях жаркого климата, особенно в пустынях, где перепады дневных и ночных температур достигают 50 °С. Морозное выветривание свойственно полярным и субполярным областям, а также высокогорьям, для которых характерны развалы обломков горных пород.

Химическим выветриванием называется разрушение горных пород под воздействием воды, кислорода, углекислоты и органических кислот, содержащихся в воздухе и воде и воздействующих на поверхность пород, растворяя их (рис. 5.5).

Химические выветривание представлено несколькими основными процессами: растворением, окислением, гидратацией, восстановлением, карбонатизацией, гидролизом.

Рис. 5.5. Схема взаимодействия воды с поверхностью минерала.
Молекулы воды способны отрывать ионы от минерала.
1 — минерал; 2 — раствор; 3 — поверхность минерала;
4 — катион; 5 — анион; 6 — молекула воды

Хорошо растворяются соли хлористо-водородной и соляной кислот. Так, на 100 частей воды по весу NaCl приходится 36 частей, RCl — 32, MgCl — 56, CaCl — 67. Карбонаты и сульфаты растворяются хуже, например на 10 тыс. частей воды всего 20 частей CaSO4 или 25 частей CaSO4 ⋅ ⋅ 2H2O. Еще хуже растворяются карбонатные породы, известняки, мергели, доломиты. Однако если растворение продолжается длительное время, то возникает большое разнообразие карстовых форм рельефа, включая глубокие, многокилометровые пещеры (см. гл. 8).

Окисление представляет собой взаимодействие горных пород с кислородом и образование оксидов или гидрооксидов, если присутствует вода. Сильнее всего окисляются закисные соединения железа, марганца, никеля, серы, ванадия и других элементов, которые легко соединяются с кислородом. Легко окисляется такой распространенный минерал, как пирит:

FeS2 + nO2 + mH2O → FeSO4 → Fe2 (SO4) → Fe2O3 ⋅ nH2O.

Восстановление происходит в отсутствие химически связанного кислорода, когда сильным восстановителем является органическое вещество, сформировавшееся в результате отмирания болотной растительности. При этом необходимы анаэробные условия в неподвижной, застойной воде, например в болотах. Восстановительные процессы превращают породы с оксидом железа, окрашенные в бурые, желтые и красноватые цвета, в серые и зеленые. Под торфом иногда возникает серо-зеленая глинистая масса, называемая глеем.

Гидролиз — это довольно сложный процесс, особенно затрагивающий минералы из группы силикатов и алюмосиликатов. Происходит он при взаимодействии ионов Н + и ОН – с ионами минералов, следовательно, для гидролиза всегда необходима вода. Гидролиз приводит к нарушению первичной кристаллической структуры минерала и возникновению новой структуры уже другого минерала. Наиболее распространенный пример — это гидролиз ортоклаза, одного из полевых шпатов, часто встречающегося в горных породах, особенно в гранитах. Гидролиз в присутствии СО2 приводит к образованию нерастворимого минерала каолинита и выносу бикарбоната калия и кремнезема:

K2Al2Si6O10 + 2H2O + CO2 (Ортоклаз) →
H2Al2Si2O18 ⋅ H2O + K2CO3 + 4SiO2. (Каолинит)

Каолиновая глина, покрывая панцирем выветривающуюся породу, препятствует ее дальнейшему разрушению. Будучи довольно устойчивым минералом, каолинит при определенных условиях способен к дальнейшему разложению с образованием еще более устойчивых минералов, например гиббсита — AlO(OH)3, входящего в состав боксита, основной руды для получения алюминия.

Карбонатизация представляет собой реакцию ионов карбоната и бикарбоната с минералами, которая ведет к образованию карбонатов кальция, железа, магния и др. Большая часть известных нам карбонатов хорошо растворяется в воде и выносится из зоны выветривания. Именно поэтому грунтовые воды в таких местах обладают высокой жесткостью.

Гидратация — это процесс присоединения воды к минералам и образования новых минералов. Самый простой пример — переход ангидрита в гипс:

CaSO4 + 2 H2O ⇔ CaSO4 ⋅ 2H2O

или гематита в гидроокислы железа:

Fe2O3 + nH2O ⇔ Fe2O3 ⋅ nH2O.

Объем породы при гидратации увеличивается, что может привести к деформациям отложений.

Биологическое выветривание. Живое вещество, с точки зрения В. И. Вернадского, создает химические соединения, которые могут производить большую геологическую работу.

Таким образом, на поверхности горных пород формируются сообщества микроорганизмов, играющие важную роль в процессах выветривания.

Биота, поселившаяся на поверхности горных пород, извлекает из нее необходимые для жизни химические элементы — Р, S, K, Ca, Mg, Na, B, Sr, Fe, Si, Al и др., что подтверждается их большим содержанием в золе растений, выросших на горных породах. Даже Si извлекается из кристаллических решеток алюмосиликатов. Следовательно, организмы участвуют в разложении минералов. Однако они и возвращают новые химические элементы в геологическую среду. Тем самым происходит круговорот веществ, обусловленный активностью биоты.

Следует отметить, что в процессах химического выветривания организмы участвуют и косвенным путем, выделяя, например, кислород при фотосинтезе, образуя СО2 при отмирании растений, провоцируя образование весьма агрессивных органических кислот, которые резко усиливают растворение и гидролиз минералов. Такое воздействие наиболее интенсивно происходит во влажном тропическом климате, в густых болотистых лесах, в которых опад (отмершие растения, листья и др.) составляет почти 260 ц/га. Вода в подобных джунглях обладает кислой реакцией и активно растворяет горные породы, нарушая связи в кристаллической решетке минералов.

5.2. Процессы гипергенеза и коры выветривания

Под зоной гипергенеза понимается поверхностная часть земной коры, непрерывно подвергаемая воздействию различных экзогенных факторов и в которой горные породы стремятся войти в равновесие с непрерывно изменяющейся окружающей геологической средой. Термин « гипергенез», введенный А. Е. Ферсманом, знаменитым российским минералогом, по существу является синонимом термину « выветривание». Гипергенные процессы проникают далеко вглубь поверхностной части земной коры и видоизменяют ее в сильно расчлененном горном рельефе на сотни метров и даже несколько километров.

Типы гипергенеза, установленные Б. М. Михайловым, включают в себя следующие обстановки. Поверхностный (континентальный) гипергенез происходит на поверхности суши и проникает вглубь с помощью нисходящей воды. К наиболее важным образованиям поверхностного гипергенеза относятся следующие:

1. Элювий, или кора выветривания, представляет собой геологиче­ское тело, развитое на определенной площади или вдоль какой-либо зоны в горных породах, сложенное продуктами переработки поверхностных горных пород процессами физического, химического и биохимического выветривания. Элювий не перемещается, он остается на месте разрушенных пород. Естественно, что процессы формирования элювия развиваются на слабо расчлененном, выровненном рельефе, достигшем стадии зрелости. Именно в таких условиях и формируются коры выветривания, представляя собой остаточные продукты разрушения пород. Кора выветривания, как и ее мощность, зависит от ряда факторов. Наиболее благоприятные условия создаются при высокой температуре, высокой влажности и выровненном рельефе. В таких условиях жаркого гумидного климата образуются латеритные красные коры выветривания, состоящие из минералов гидрооксидов и оксидов алюминия, железа и титана с примесью каолинита (рис. 5.6). В связи с тем что верхняя часть коры выветривания обладает наибольшей степенью разложения первичного материала, в ней присутствуют глинозем (Al2O3) и гидроокислы железа, которые придают элювию в сухом состоянии высокую прочность, напоминая красный кирпич. Эта твердая самая верхняя часть латеритной коры выветривания называется панцирем, или кирасой. Нижняя часть латеритной коры выветривания имеет неровную границу с глубокими карманами над более раздробленными участками пород, где залегает дресва — мелкие обломки этих же коренных горных пород.

В областях с гумидным климатом распространен глинистый элювий — слой или толща глин, в которых сохраняется реликтовая структура коренных пород.

Над рудными залежами сульфидных руд иногда образуются рудные «шляпы», специфические коры выветривания, прочные корки из разложившихся сульфидных минералов.

2. Иллювий, или инфильтрационная кора выветривания, — еще один из типов гипергенеза, в котором вещество, замещающее коренные породы, привнесено извне. Иллювиальные коры выветривания имеют различный состав и мощность в зависимости от химического состава инфильтрующего раствора, физико-химических и климатических обстановок. Встречаются сульфатные, карбонатные, кремнистые и соляные (солончаки и солонцы) иллювиальные коры выветривания.

Выделяется также подводный гипергенез, или гальмиролиз. Этот процесс связан с воздействием морской воды на отложения океанского или морского дна. Магматические породы в этом случае разлагаются с образованием глин, а вулканические пеплы превращается в особую глинистую массу.

Рис. 5.6. Кора выветривания в тропической лесной зоне (по Н. М. Страхову).
1 — граниты, 2 — слабо измененная химически зона дресвы,
3 — гидрослюдисто-монморилонитово-бейделитовая зона,
4 — коалинитовая зона, 5 — охры Al2O3,
6 — панцирь Fe2O3+ Al2O3

Современные коры выветривания обладают небольшой мощностью и они, как правило, еще не сформировались, т. к. времени было недостаточно. В далекие геологические времена, когда большие пространства континентов обладали слабо расчлененным, выровненным рельефом, в условиях благоприятного климата формировались мощные, до 100 м и более, коры выветривания, обладающие характерным вертикальным профилем. В их основании располагалась дресва коренных пород, сменяемая выше зоной с гидрослюдами, и в верхней части разреза находилась толща каолиновых глин. Подобный стиль разреза древней мезозойской коры выветривания характерен для гранитных пород Урала, а для других коренных пород зональная последовательность в коре выветривания может быть иной. С древними корами выветривания связаны разнообразные полезные ископаемые, такие как бокситы — основное сырье для получения алюминия; гидроокислы и окислы железа, марганца; гидросиликаты никеля, развитые по ультраосновным породам и многие другие.

В настоящее время мы наблюдаем лишь сохранившиеся остатки древних кор выветривания, уцелевших от эрозии в западинах и карманах рельефа. А раньше они были площадными, занимали большие пространства или, наоборот, имели линейный характер, будучи приуроченными к раздробленным зонам крупных разломов.

Чаще всего перечисленные выше типы выветривания действуют одновременно. Однако под воздействием климата, водного режима, смены суточной и сезонной температур решающим становится какой-нибудь один тип, подчиняющийся климатической зональности. Так, во влажной тропической зоне химическое выветривание благодаря высокой температуре протекает интенсивно, с максимумом выщелачивания. Несколько менее энергично такое же выветривание происходит в таежно-подзолистой зоне. В пустынях, полупустынях и тундре преобладает физическое выветривание, тогда как химическое сходит на нет.

Выветривание происходит всегда и везде. Даже на пирамиде Хеопса в Гизе, в предместье Каира, за последние 1000 лет потеря материала поверхности известняковых блоков составила 0,2 мм за 1 тыс. лет, а гранитных облицовочных плит — 0,002 мм/год. Современное загрязнение воздушной среды способствует быстрому выветриванию древних каменных скульптур, храмов и памятников.

5.3. Образование почв и их свойства

Практически вся поверхность суши покрыта тонким слоем почвы, энергетически и геохимически весьма активным, в котором проявляется взаимодействие между живыми организмами, атмосферой, гидросферой и горными породами.

Более 100 лет назад великий русский ученый В. В. Докучаев показал, что почва представляет собой самостоятельное, очень тонкое природное тело, созданное из почвообразующих пород, растительности, животного мира, климата и рельефа. Коренные горные породы, на которых формируется почва, играют решающую роль в химическом и минеральном составе почвы, а живые организмы обусловливают формирование органического вещества в почве — гумуса. Академик
В. И. Вернадский когда-то назвал почву биокосным телом, подразумевая под этим взаимодействие как живых организмов, так и коренных (косных) горных пород.

Почвы относятся к наиболее сложным природным телам, и в настоящее время на мировой почвенной карте их выделено 133 типа, разделяемые еще более дробно. Почвы различных типов характеризуются набором горизонтальных слоев, называемых генетическими горизонтами:

• А — гумусово-аккумулятивный поверхностный горизонт, в котором скапливаются органические вещества и элементы питания для растительности;

• Е — элювиальный, или горизонт вымывания. Назван так потому, что нисходящий поток воды вымывает из него Fe, Mn, Ca, Mg;

•В — иллювиальный, или горизонт вмывания, т. к. в нем накапливаются вещества, вымытые из горизонта Е;

• ВСа — горизонт скопления карбонатов кальция;

• G — глеевый горизонт с восстановительной обстановкой, в которой Fe 3+ восстанавливается до Fe 2+ ;

• C и D — почвообразующие и подстилающие горные породы.

Эти генетические горизонты в разных почвах различаются между собой, и их сочетания отличаются большим разнообразием, но, что важно, наличие одного горизонта обусловлено существованием другого, например иллювиальный горизонт В, в котором накапливаются вещества, не может существовать без горизонта Е, из которого эти вещества вымываются (см. также рис. 5.7).

Рис. 5.7. Нормальный почвенный профиль.
Горизонты: А0 — неразложившиеся или слабо разложившиеся органические остатки,
А1 — гумусовый, А2 — элювиальный, или почвенного выветривания,
В — иллювиальный, или горизонт вмывания, С — коренные породы

Во всех типах почв: в черноземах, подзолистых, тундровых, каштановых, тропических и субтропических, торфянистых, солончаковых, пойменных и др. — содержатся все известные химические элементы. Первое место занимает кислород, затем кремний, алюминий и железо. Все остальные элементы в сумме не превышают 5–6 %, однако в торфянистых почвах много углерода. В каждом типе почв много органических веществ, но не тех, которые содержатся в растительных и живых организмах, а вновь образовавшихся. Это прежде всего гуминовые кислоты и фульвокислоты, являющиеся характернейшей особенностью почв. Гуминовые кислоты — темные органические соединения с 50–60 % углерода и еще многих веществ. Темная окраска обусловлена длинной цепью сопряженных двойных связей – С = С – С = С –. Именно они придают черноземным почвам черный цвет. Гуминовые кислоты растворимы только в водных растворах щелочей, а фульвокислоты — и в воде.

Второй важнейшей составляющей любых почв является фракция, частицы которой размером 0,002–0,001 мм состоят преимущественно из глинистых минералов, например каолинита и монтмориллонита. Присутствуют также частицы кварца, полевых шпатов, слюд, а в засоленных почвах — минералы соли NaCl, KCl, MgCl2, CaCl2, которые в период дождей растворяются, а в сухое время кристаллизуются.

Источник