2. Выветривание

Много миллионов лет потребовалось для того, чтобы горные породы, покрывающие Землю, превратились в почву. Горные породы, из которых формируется почва, называют почвообразующими, или материнскими. Образование почв из горных пород происходит под воздействием двух процессов, протекающих на земной поверхности - выветривания и почвообразования. Выветривание - процесс разрушения горных пород. В зависимости от факторов, разрушающих горные породы, различают физическое, химическое и биологическое выветривание. Выветривание – это совокупность абиотических и биологических процессов разрушения и образования горных пород и слагающих их минералов под воздействием агентов атмосферы, биосферы, гидросферы в верхних слоях земной коры. Неотъемлемой частью выветривания горных пород являются процессы денудации – перенос продуктов разрушения в пониженные элементы рельефа под действием внешних сил (вода, ветер, тепло и т.д.). В результате этих процессов образуется кора выветривания мощностью от нескольких метров до десятков метров. Выделяют три вида выветривания:

Физическое выветривание - это процесс механического дробления горных пород под воздействием, температуры, воды, ветра, не вызывающие изменение химического состава. В дневные часы солнечные лучи нагревают поверхностные слои горной породы, которые в ночные часы быстро охлаждаются, что приводит к образованию в них трещин. В образовавшиеся трещины попадает атмосферная влага, которая при замерзании увеличивается в объеме и раскалывает породу, Из - за физического выветривания горная порода разрушается на обломки различной величины, называемые рухляком.

https://yandex.ru/images/search?text=выветривание физическое &img_url=http%3A%2F%2Ffs00.infourok.ru%2Fimages%2Fdoc%2F228%2F50502%2F1%2F310%2Fimg2.jpg&pos=27&rpt=simage&_=1449041496423

Выветривание начинается с поверхности, здесь возникают большие градиенты суточных и сезонных температур. Постепенно выветривание захватывает более глубокие слои породы и затухает в поясе постоянных температур. Наиболее интенсивно оно протекает при больших амплитудах колебания температур; например, в жарких пустынях поверхность пород иногда нагревается до 60 - 70 , а ночью охлаждается почти до 0 С. Физическое выветривание ускоряется при наличии воды, которая проникает в трещины горных пород, например для всасывании воды при обычной температуре в трещины толщиной 1 микрон (= 0,001мм) капиллярное давление составляет 1,5 кг/см², а для очень тонких трещин в 1 миллимикрон, т.е. в 1000 раз тоньше, капиллярное давление будет во столько же раз больше, т.е. составит около 1500кг/см². При замерзании из-за расширения объёма воды создаются давление около 890кг/см² и более. В областях аридного климата аналогичную роль играют соли, проникающие в трещины и кристаллизующиеся в них. Так, ангидрит (СаSО₄), присоединяя воду, превращается в гипс (СаSО₄^.2Н₂О), увеличиваясь в объеме на 33%. В результате физического выветривания горная порода уже способна пропускать воздух и воду и задерживать некоторое количество ее. Физическое выветривание, раздробляя и разрыхляя массивные породы, значительно увеличивает общую поверхность, что создает благоприятные условия для проявления химического выветривания. Физическое – разрушение (растрескивание, дробление) минералов под влиянием давления, возникающего при суточных и сезонных колебаниях температур (расширение и сжатие, замерзание и оттаивание), ветра, потоков воды, корней растений. В результате этих процессов наблюдается увеличение дисперсности и удельной поверхности, снижение плотности минералов. Химическое выветривание - это процесс разрушения горной породы под влиянием воды, углекислого газа, кислорода воздуха, с изменением химического состава и образованием новых минералов, отсутствующих в первичных породах. Химическое – процесс химического разрушения горных пород под влиянием воды, СО₂, О и других веществ. Вода растворяет вещества, содержащиеся в горных породах и минералах, при этом в раствор поступают катионы и анионы, изменяющие кислотно - щелочной режим. Разложение минералов усиливается с повышением температуры и насыщением ее углекислым газом, который подкисляет реакцию среды. Повышение ее на каждые 10С ускоряет течение химических реакций в (2,0 - 2,5 раза). Этим следует объяснить интенсивное химическое выветривание в экваториальных областях и замедленное в полярных. Растворение горных пород водой, и особенно водой, содержащий СО₂и другие вещества, широко распространено в природе. Так, при 25С в 1 л воды растворяется 0,0145г кальцита, а при содержании в воде СО₂растворимость его резко повышается из - за перехода СаСО₃в бикарбонат:

СаСО₃ + СО₂ + Н₂О Са (НСО₃)₂

Повышается растворимость минералов в воде, содержащей соли, особенно хлористые.

Основная химическая реакция воды с минералами магматических пород – гидролиз приводит к замене катионов щелочных и щелочно - земельных элементов кристаллической решетки на ионы водорода диссоциированных молекул воды. Схематически эту реакцию для ортоклаза можно выразить так:

K₂Al₂Si₆O₁₆ + 2H₂O H₂Al₂Si₆O₁₆ + 2KOH

https://yandex.ru/images/search?p=1&text=выветривание химическое&img_url=http%3A%2F%2Ffs00.infourok.ru%2Fimages%2Fdoc%2F228%2F50502%2F1%2F310%2Fimg7.jpg&pos=47&rpt=simage&_=1449041666170

Образующееся основание (КОН) обусловливает щелочную реакцию раствора, при которой происходит дальнейшее разрушение кристаллической решетки ортоклаза с отщеплением части кременезема и образованием каолинита, например

H₂Al₂Si₆O₁₆+ nH₂O H₂Al₂Si₂O₈H₂O + 4SiO₂nH₂O

КОН при наличии СО₂переходит в форму карбоната:

2KOH + CO₂K₂CO₃ + H₂O

В результате гидролиза силикатов получаются новые продукты, химически более стойкие в термодинамических условиях поверхностного выветривания. С деятельностью воды связана также гидратация, то есть химический процесс присоединения частиц воды к частицам минералов, например:

2Fe₂O₃ + 3H₂O 2Fe₂O₃. 3H₂O

Гидратация наблюдается и в более сложных по составу минералах – силикатах и алюмосиликатах. Она приводит к разрыхлению поверхности минералов, что обеспечивает в дальнейшем их взаимодействие с окружающим водным раствором, газами и другими факторами выветривания. Окисление – реакции, широко распространенная в зоне выветривания. Окислению подвергаются многочисленные минералы, содержащие закисное железо или другие способные к окислению элементы. Характерным примером окислительных реакций при выветривания может служить взаимодействие сульфидов с молекулярным кислородом в водной среде. Так, при окислении пирита наряду с сульфатами и гидратами окисей железа образуется серная кислота, участвующая в создании новых минералов:

2FeS₂ + 7O₂ + 2H₂O 2FeSO₄ + 2H₂SO₄;

12FeSO₄ + 6H₂O +3O₂4Fe₂(SO₄)₃ + 4Fe(OH)₃;

2Fe₂(SO₄)₃ + 9H₂O 2Fe₂O₃ 3H₂O + 6H₂SO_4.

В процессе окисления изменяется первоначальная окраска горных пород, появляются желтые, бурые, красные тона. Сильно окисленные породы обычно приобретают землистое пористое строение (например, ферраллитная кора выветривания). В результате химического выветривания изменяются физическое состояние и разрушается кристаллическая решетка минералов. Порода обогащается новыми (вторичными) минералами и приобретает связность, влагоемкость, поглотительную способность и другие свойства. В преобразовании минералов в присутствии угольной кислоты большую роль играют реакции карбонизации (образование карбонатов) и декарбонизации (разрушение карбонатов). Биологическое выветривание связано с возникновением жизни на Земле. Микроорганизмы, постепенно изменяя химический состав горных пород, создают условия для произрастания низших растений (водорослей, мхов, лишайников). По сравнению с микроорганизмами они сильнее изменяют состав пород, накапливают органическое вещество и создают условия для поселения высших растений и животных организмов. Биологическое выветривание – это механическое разрушение и химическое изменение горных пород и минералов под действием организмов и продуктов их жизнедеятельности. В разрушении горных пород в поверхностных слоях земли активно участвуют живые организмы; нет часто абиотических (безжизненных) механических и химических процессов выветривания.

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ВЫВЕТРИВАНИЕ

§ Происходит под воздействием растительных и животных организмов.

§ Они поставляют в почву органические вещества.

https://yandex.ru/images/search?p=2&text=выветривание биологическое&img_url=http%3A%2F%2Ffs1.ppt4web.ru%2Fimages%2F95236%2F134914%2F310%2Fimg7.jpg&pos=76&rpt=simage&_=1449041817035

При биологическом выветривании организмы извлекают из породы необходимые для построения своего тела минеральные вещества и аккумулируют их в поверхностных горизонтах породы, создавая условия для формирования почв. С поселением организмов на горной породе ее выветривание значительно усиливается. Корни растений и микроорганизмы выделяют во внешнюю среду углекислый газ и различные кислоты (щавелевую, яблочную, янтарную и др.), которые оказывают разрушающее действие на минералы. Нитрификаторы образуют азотную кислоту, серобактерии и тионовые бактерии – серную. Эти кислоты растворяют многие минеральные соединения и усиливают процесс выветривания. Доказано, что диатомовые водоросли, строя свой панцирь из кремнезема, способны разлагать алюмосиликаты. Слизистые выделения силикатных бактерий, близких к роду Meghatherium могут разрушать полевые шпаты. Грибы рода Penicillium выделяют вещество, которое разрушает первичные минералы. Значительное участие в биологическом выветривании массивных пород принимают лишайники, выделяя углекислоту и специфические кислоты. Лишайники разрушают породы как химически, так и отчасти механически проникновением гиф по плоскостям спайности внутрь зерен первичных минералов. Животные, как и растения, механически разрыхляют горные породы и своими выделениями способствуют их изменению. Характер разрушения при выветривании зависит от условий среды, в которой он протекает, от минералогического состава пород, в частности от содержания SiO₂. Последнее может отразиться на составе продуктов выветривания. Так, при выветривании кислых пород образуются преимущественно пески и супеси, средних пород – суглинки и основных – тяжелые суглинки и глины. Разные породы и минералы обладают неодинаковой устойчивостью к процессам выветривания. Наиболее устойчивы метаморфические породы (например, кварциты), менее устойчивы осадочные. Больше всего подвержены выветриванию вулканические пеплы, отличающиеся высокой пористостью и содержанием минералов, легко поддающихся выветриванию (слюды др.). Из минералов наиболее устойчив к выветриванию кварц. Поэтому он накапливается в коре выветривания. Менее устойчивы к выветриванию минералы, в состав которых входят закисные формы железа. Промежуточное положение занимают полевые штаты. При выветривании наряду с разрушением первичных минералов образуются и вторичные минералы. Процессы выветривания зависят не только от характера и состава горных пород, но и от среды, в которой они протекают. Большое значение имеют концентрация и солевой состав растворов, реакция (величина рН), окислительно - восстановительные условия и т.д. Процессы выветривания в значительной степени обусловлены климатом. Интенсивность выветривания определяется главным образом температурой и количеством осадков. В условиях засушливого климата растворимые продукты выветривания накапливаются, в условиях влажного климата вымываются. Биологическое выветривание – процесс разрушения горных пород под действием живых организмов и продуктов их жизнедеятельности. При биологическом выветривании процессы разрушения минералов протекают более интенсивно, поскольку увеличивается агрессивность среды. Корни растений, микроорганизмы выделяют во внешнюю среду СО₂, кислоты: щавелевую, янтарную, яблочную и др. Нитрификаторы образуют азотную кислоту, серобактерии – серную. В результате разложения мертвых остатков растений и животных образуются агрессивные гумусовые кислоты и фульвокислоты. Многие виды бактерий, грибов, а также водоросли, лишайники могут усваивать элементы питания непосредственно из первичных минералов, разрушая их. Это и есть механизм первичного почвообразования. Почвообразовательный процесс начинается с того момента, когда на рухляке горной породы поселяются живые организмы и происходит накопление органического вещества. В результате жизнедеятельности поселившихся на породе живых организмов происходит использование основных (NPK) и других элементов питания и концентрация их в своем теле в форме сложных органических соединений. После отмирания живых организмов их органические остатки накапливаются в верхних слоях земной поверхности и служат источником питания и энергии для микроорганизмов. Часть остатков минерализуется и становится доступной для новых накоплений растений, часть – превращается в новые органические вещества и накапливается в виде гумуса. То есть, между живыми организмами и почвообразующей породой происходит круговорот элементов питания, который, по предложению В.Р. Вильямса, был назван малым биологическим круговоротом веществ. Накопление гумуса в верхних слоях и взаимодействия веществ с минеральной частью породы приводит к образованию особого природного типа - почвы. Гумус содержится только в почвах и отсутствует в почвообразующих породах. Таким образом, в основе почвообразовательного процесса лежит биологический круговорот веществ, благодаря которому почвообразующая порода приобретает качественно новое свойство – плодородие. Интенсивность выветривания определяется главным образом и количеством осадков. В условиях засушливого климата растворимые продукты выветривание накапливаются, в условиях влажного климата вымываются. Совокупность всех этих условий определяет качественную направленность общего процесса выветривания в связи с ней различают сиаллитный и аллитный тип выветривания. Сиаллитный развивается при умеренном климате со средним количеством осадков, образуются преимущественно вторичные алюмосиликаты и ферросиликаты. Аллитный получает развития в условиях влажного тропического климата, где интенсивно протекают гидролиз и образование гидратов окисей кремния, алюминия и железа.

Таким образом в процессе выветривания горные породы подвергаются глубоким физическим и химическим изменениям, и порода приобретает ряд новых свойств, благоприятного для жизни растений. В результате выветривания плотная горная порода превращается в рыхлую состоящую из частиц различной величины, которые называются механическими элементами. Частицы близкие по размерам объединяются во фракции. В случае опускания земной коры и затопления ее морем происходит трансгрессия, т.е. наступления его на сушу. В случае же поднятия суши происходит регрессия или отступления моря. Горные породы и слагающие их минералы под воздействием климатических факторов, механических сил, воды, воздуха и микроорганизмов разрушаются, под влиянием физических и химических явлений. Совокупность процессов физического и химического разрушения и вида изменения горных пород под влиянием различных факторов называют выветриванием. В зависимости от характера сил, под влиянием которых горная порода разрушается и видоизменяется, различается выветривание физическое, химическое и биологическое. Хотя, такое подразделения условно, в природе чаще всего эти процессы одновременно разграничить их не всегда возможно. Для сведения, так при обычной температуре в трещинах размером в 1микрон (0,001мм) капиллярное давление достигает 1,5кг/ см², а в трещинах – 150 кг/см².

Выветривание – механическое разрушение и химическое изменение горных пород и их минералов. Горизонты горных пород, где протекают процессы выветривания называются корой выветривания. В ней различают две зоны: зона поверхностного, или современного, выветривания и зону глубинного, или векового выветривания. Мощность коры современного выветривания, в которой может протекать почвообразовательный процесс колеблется от нескольких сантиметров до 2 - 10м.

В процессе выветривания различают по преобладающему действию тех или других факторов три формы - физическое, химическое и биологическое:

§ физическое выветривание - это механическое раздробление горных пород и минералов без изменения их химического состава;

§ химическое выветривание - это процесс химического изменения и разрушение горных пород и минералов с образованием новых минералов и соединений;

§ биологическое выветривание - это механическое разрушение и химическое изменение горных пород и минералов под действием организмов и продуктов их жизнедеятельности. В разрушении горных пород в поверхностных слоях активно участвуют живые организмы: нет чисто абиотических (безжизненных) механических и химических процессов выветривания. Животные, как и растения, механически разрыхляют горные породы и своими выделениями способствуют их изменению. Сумма всех механических элементов <0,01 мм называют физической глиной, а сумму частиц >0,01 мм – физическим песком. Кроме того выделяют мелкозем – сумма частиц <1мм и почвенный скелет – сумма частиц >1мм. Камни и гравий представлены преимущественно обломками горных пород и реже отдельными минералами. В группе песка и пыли преобладают первичные минералы – кварц, полевые шпаты, слюды. Ил наряду с первичными содержит значительное количество вторичных минералов и гумус. Главная роль в физико - химических процессах, протекающих в почвах, принадлежит илистой фракции, особенно ее коллоидной части. Пылевые и песчаные фракции поверхностно пассивны. Илистая фракция имеет большое значение в создании почвенного плодородия: в ней сосредоточено больше всего гумуса и элементов зольного и азотного питания растений. Коллоидная часть этой фракции служит главным элементом почвенной структуры. Например, если чернозем типичный содержит физической глины 80%, или 45%, пыли (средней и мелкой) 35%, пыли крупной – 10%, песка- 10%. По количеству физической глины этот чернозем, относится к средней глины. Чернозем типичный будет называться по механическому составу среднеглинистый меньше 35%, - пылевато – иловатый, больше 45%.

Первичные минералы сосредоточены преимущественно в механических элементах >0,001 мм, вторичные <0,001мм. В большинстве почв первичные минералы преобладают по весу над вторичными, за исключением ферраллитных почв, в которых первичных минералов часто меньше, чем вторичных. Соотношение первичных и вторичных минералов в почвообразующих породах и почвах изменяется в зависимости от механического состава. В песках в супесях преобладают первичные минералы, преимущественно кварц и полевые шпаты. Суглинистые почвы состоят из смеси первичных и вторичных минералов. В глинистых почвах больше всего вторичных минералов. Экспериментально доказано, что глинистые минералы участвуют в поглощении фосфора.

Сайт создан по технологии «Конструктор сайтов e-Publish»