Тема 8. Экзогенные геологические процессы. Выветривание

В зависимости от источников энергии геологические процессы делятся на две группы:

1. Экзогенные; происходят от источника вне Земли (т.е., рожденные извне, от действия энергии Солнца или Луны);

2. Эндогенные; возникают от энергии, выделяемой самой Землей.

Эндогенные процессы вызывают землетрясения, поднятия глубинных слоев земной коры на поверхность, образование гор, впадин и вулканов, поднятие и опускание материков. Они создают основные формы рельефа и структуру земной коры.

Экзогенные процессы деформируют формы рельефа и сглаживают его резкие очертания. Т.е. они действуют в противоположном направлении и обуславливают пластику поверхности земной коры.

Экзогенные процессы - это процессы выветривания, денудации, транспорта и отложения.

Процессы разрушения горных пород под действием колебаний физических условий, химических реактивов и биологических агентов называются выветриванием. В зависимости от причин вызывающих выветривание его делят на физическое, химическое и биологическое.

Физическое выветривание происходит ввиду неравномерного расширения и сжатия горных пород при циклическом изменении температур в течение суток (т.е. от нагревания их в течение дня и остывания ночью) или при смене теплого и холодного периода года. Это вызывает внутренние напряжения, которые приводят к раскалыванию породы на обломки.

Горная порода состоит обычно из различных минералов с разными коэффициентами линейного расширения. При нагревании и охлаждении эти минералы расширяются и сжимаются в разной степени, что ослабляет силы сцепления между ними и приводит к распаду горной породы на составляющие ее минералы. Например, у ортоклаза К₂О·Al₂O₃·6SiO₂ и у кварца SiO₂, которые входят в состав гранита, коэффициенты линейного расширения составляют 2,6•10^-6 и 4•10^-6 м/⁰С (т.е., отличаются почти в два раза. Из-за этой разницы коэффициентов расширения при нагревании и охлаждении силы сцепления между этими минералами в составе гранита ослабляются, а затем совершенно исчезают. Составные части гранита распадаются и твердая горная порода превращается в скопление несвязанных минералов.

Т.о., на скорость физического выветривания влияют:

1. Разница коэффициентов линейного расширения слагающих минералов;

2. Степень черноты поверхности породы определяет количество поглощаемой породой солнечной энергии; поэтому темные породы разрушаются быстрее, чем светлые;

3. Величина зерна составляющих минералов; крупнозернистые породы более подвержены выветриванию, чем мелкозернистые;

4. Пестроцветность породы; наличие в породе минералов с резко отличными цветами усиливает процесс ее выветривания;

5. Количество влаги в породе; испарение с поверхности горной породы снижает ее температуру и уменьшает вероятность растрескивания;

6. Растительность служит преградой на пути солнечных лучей и этим снижает степень нагрева породы;

7. Климат; чем резче суточные и сезонные колебания температуры, т.е разница температур дня и ночи, зимы и лета, тем сильнее выветривание. Например, в Центральной Азии температура ночью может быть около 0⁰С, а днем доходит до 40 – 45⁰С; в Сахаре днем в тени до 53⁰С, а ночью до –8⁰С. Следует заметить, что горные породы нагреваются гораздо больше, чем окружающий воздух. Например, в пустыне Кара - Кумы летом при температуре воздуха днем 40-45 ⁰С песок нагревается до 80⁰С, а ночью охлаждается до 18 – 20⁰С. Зимой породы здесь днем нагреваются до 15 - 20⁰С, зато ночью могут охлаждаться до –40⁰С. Эти колебания температуры ведет к интенсивному разрушению горных пород и поверхность каменистых пустынь обычно усеяна острыми обломками камней. В пустыне Атакама охотники даже надевают башмаки своим собакам, чтобы они не поранились об острые, как лезвие ножа, обломки камней.

Подобная ситуация имеет место не только в областях с аридным климатом. В Гренландии непокрытые снегом скалы также сильно нагреваются днем, а ночью происходит их резкое охлаждение. Это служит причиной их разрушения.

В областях с умеренным климатом суточные колебания температуры породы существенно сглаживает растительность. Физическое выветривание проявляется здесь обычно лишь там, где порода не имеет растительного покрова, например, в горной местности.

8. Атмосферные осадки в жарком климате оказывают термический удар на горную породу. В тропиках или экваториальных областях температура выпадающей с ливнем дождевой воды гораздо ниже, чем температура нагретых солнцем горных пород. Поэтому пролившийся здесь внезапно дождь оказывает на эти породы такое же действие, как и вода, пролитая на раскаленные камни. Происходит быстрое, неравномерное сжатие слагающих минералов и порода превращается в скопление несвязанных обломков, называемое дресвой. О влиянии этого фактора на глубину процессов выветривания может свидетельствовать такой факт. В Бразилии по данным бурения такие прочные горные породы, как гнейсы, оказались разрушенными от выветривания на глубину до 200 м.

Разновидностью физического выветривания является механическое. Оно вызвано кристаллизацией солей и замерзанием воды в порах и трещинах горной породы. Т.к. ночью температура воздуха снижается, то его относительная влажность возрастает (вплоть до выпадения росы). Из-за своей гигроскопичности некоторые соли, содержащиеся в горной породе, притягивают влагу из воздуха. Влага по капиллярам проникает внутрь породы и растворяет соли на своем пути. Днем порода разогревается, влага из этих концентрированных растворов испаряется и образуются кристаллы соли. Они оказывают на стенки пор сильное распирающее воздействие, что и вызывает разрушение горной породы. Часто на стенках обломков можно видеть кристаллики соли, которые и вызвали раскалывание породы по описанному механизму. Такое явление характерно обычно для областей с сухим климатом.

В умеренном климате при плюсовой дневной температуре дождевые или талые воды проникают по трещинам и капиллярам в горную породу. Со снижением температуры ниже 0⁰С, например, при ночных заморозках, это вода замерзает. Как известно, при переходе из жидкой фазы в твердую, т.е. при кристаллизации вода увеличивает свой объем примерно на 1/11 часть (лед плавает на воде, потому что менее плотный). Давление, которое создают кристаллы льда на стенки трещин и капилляров породы, составляет около 96 МПа, т.е. примерно 960 технических атмосфер. Поэтому при значительном количестве влаги в горной породе ее сопротивление на разрыв может стать недостаточным и она раскалывается на отдельные обломки. Это явление часто можно видеть ранней весной. Проникающие в горную породу талые воды ночью замерзают, а днем растаивают. Расколотая ночью порода еще держатся, спаянная льдом, а утром начинает распадаться на куски. В горной местности это часто приводит к обвалам или оползням.

Химическое выветривание – это разрушение горных пород за счет химического действия воды и растворенных в ней веществ.

Действие чистой воды на минералы горных пород обусловлено тремя категориями реакций:

1) гидратация;

2) растворение;

3) гидролиз.

Гидратация – это присоединение к веществу воды, которая входит в его молекулы в строго определенном количестве. Соединения, образованные первоначальными молекулами минерала и химически связанной с ними водой, называют гидратами. Как известно из курса химии, процесс гидратации является частным случаем процесса сольватации. В общем случае, если при растворении вещества его молекулы связываются с молекулами растворителя, то это процесс сольватации, а образованные соединения называют сольватами (от латинского solvere – растворять). Если растворитель вода, то это процесс гидратации.

Большинство гидратов является очень нестойкими. Они могут даже разлагаться уже при выпаривании раствора. Но у более прочных в состав выделяющихся кристаллов входят молекулы воды. Такие вещества называют кристаллогидратами, а содержащаяся в них вода называется кристаллизационной. Если механическая вода легко удаляется при нагревании минерала до 100⁰С, то химически связанную воду (ее еще называют конституционной) иногда трудно удалить и при температурах свыше 400⁰С.

Формула кристаллогидрата показывает, какое количество кристаллизационной воды он содержит. Например, медный купорос (кристаллогидрат сульфата меди) – CuSO₄·5H₂O (представляет собой синие кристаллы; применяется для электролитического покрытия металлов медью, приготовления красок; раствор купороса применяют в сельском хозяйстве для опрыскивания растений, протравливания зерна, чтобы уничтожить споры вредных грибков); глауберова соль (кристаллогидрат сульфата натрия – Na₂SO₄·10H₂O (она так названа в честь голландского врача и химика И. Р. Глаубера, который первым получил ее действием серной кислоты на хлорид натрия. Ее применяют, в частности, при изготовлении стекла).

Пример гидратации - переход ангидрита (т.е. безводного сульфата кальция) в гипс:

CaSO₄ + 2H₂O = CaSO₄·2H₂O.

Гипс – это широко распространенный природный минерал; при нагревании до 150 – 170⁰С он теряет ¾ кристаллизационной влаги и превращается в жженый гипс или алебастр 2CaSO₄·H₂O. Если алебастр размешать с водой, то он быстро твердеет, превращаясь снова в гипс. Применяют гипс широко в строительстве, медицине и т.д.

Другим примером гидратации может служить превращение гематита Fe₂O₃ в лимонит:

Fe₂O₃ + nH₂O = Fe₂O₃ · nH₂O.

Вода обладает определенной растворяющей способностью к любым минералам. Убедиться в этом довольно легко. Если в воду добавить порошок какого-либо минерала, то через некоторое время вода получит выраженные кислотные или щелочные свойства (в зависимости от свойств минерала, порошок которого добавили в воду).

Растворение – это процесс образования твердой или жидкой гомогенной системы - раствора, состоящая из двух или более компонентов, относительные количества которых могут изменяться в широких пределах. Т.е., коренным отличием растворов от химических соединений является непостоянство состава. Вместе с тем, от механических смесей они резко отличаются своей однородностью; вещества здесь находятся в одной фазе. Т.о., растворы занимают промежуточное положение между механическими смесями и химическими соединениями.

Растворение не сопровождается изменением химического состава вещества минерала. Например, после растворения поваренной соли NaCl (в природе встречается как минерал галит) ее кристаллы снова могут быть получены выпариванием или при насыщении раствора.

Гидролизом называется взаимодействие вещества с водой, при котором составные части вещества соединяются с составными частями воды. В переводе гидролиз означает «разложение водой», т.е., это явление разрушения растворенных в воде веществ.

Хотя вода в целом и нейтральна, но в ней обязательно протекают процессы диссоциации, хотя и в ничтожно малой степени. Поэтому даже в дистиллированной воде и в нормальных условиях на 12,5 тысяч тонн ее приходится 18 г ионов Н⁺ и ОН^-. Т.е., вода одновременно обладает свойствами как слабой кислоты, так и слабого основания. Пример гидролиза - образование из ортоклаза К₂О·Al₂O₃·6SiO₂ каолина Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O:

К₂О·Al₂O₃·6SiO₂ + 3H₂O = 2KOH + Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O + 4SiO₂.

(И ортоклаз, и каолин относятся к классу алюмосиликатов, т.е. солей кремниевых кислот, содержащих алюминий. Важнейшими из них являются полевые шпаты. В их состав, помимо оксидов кремния и алюминия, входят еще оксиды калия, натрия или кальция. Ортоклаз еще называют обычным полевым шпатом. Преобладающий цвет у полевых шпатов – белый или красный. В природе полевые шпаты встречаются как в виде сплошных залежей, так и в составе сложных горных пород.

Каолин составляет основу различных глин. Чистый каолин встречается довольно редко. Он имеет белый цвет и содержит в качестве примеси незначительное количество кварцевого песка. Такой каолин используют для изготовления фарфора. Обычная глина – это смесь каолина с другими веществами, которые окрашивают ее в желто-бурый или синеватый цвет.

К этому же классу алюмосиликатов относится и слюда, которая, помимо Si, Al, H, K, Na, содержит также Са, Mg, Fe и которая входит также в состав многих горных пород. Например, из кристалликов кварца, полевого шпата и слюды состоят самые распространенные горные породы – граниты и гнейсы).

Т.о., даже чистая вода способна вызывать химическое выветривание. Но обычно атмосферные осадки – это не дистиллированная вода. Выпадающие осадки содержат растворимые вещества, увлекаемые из воздуха. В 1 л дождевой воды содержится примерно:

1,5 – 4,5 мл СО₂;

0,2 – 0,8 мл NO₂;

1,4 – 4,0 мл Cl₂;

2,0 – 4,0 мл SO₃;

0,5 – 1,2 мл NH₃.

Эти соединения присутствуют в виде кислот Н₂СО₃, НNO₃, HCl, H₂SO₄ и их аммиачных солей – нитрата аммония NH₄NO₃, сульфата аммония (NH₄)₂SO₄ и т.д. Несмотря на небольшое количество эти реактивы резко усиливают процессы выветривания.

Наибольшую роль играет углекислота, поскольку ее количество наибольшее. Присутствие в воде углекислоты значительно увеличивает растворимость минералов. Например, известкового шпата в 10 раз, доломита – в 3 раза. Она отнимает основания у минералов. Например, механизм действия углекислоты на ортоклаз можно представить уравнением:

К₂О·Al₂O₃·6SiO₂ + H₂СО₃ + 2H₂O = K₂СO₃ + Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O + Н₂Si₄O₉.

Т.е., образуется поташ K₂СO₃, каолин Al₂O₃·2SiO₂·2H₂O и поликремневая кислота Н₂Si₄O₉, которая, как неустойчивая, затем распадается на диоксид кремния и воду.

Содержание серной кислоты в атмосферных осадках меньше, чем углекислоты, но она более активна (за год ее выпадает от 18 до 80 кг на гектар). В дождевой воде она реагирует с аммиаком, образует сульфат аммония, который вступает затем в реакции обмена, например, с карбонатными породами:

СаСО₃ + (NH₄)₂SO₄ = CaSO₄ + (NH₄)₂CO₃.

Хлористоводородная кислота выпадает в количестве около 16 кг на гектар в год и присутствует в атмосферных осадках тоже, в основном, в виде солей. Это хлорид аммония NH₄Cl, а также NаCl, который попадает в атмосферу при распылении морской воды. Хлорид аммония является сильным реактивом в разрушении силикатов, например, ортоклаза:

К₂О·Al₂O₃·6SiO₂ + 8NH₄Cl = 2KСl + 2AlCl₃ + 6SiO₂ + 4H₂O + 8NH₃.

Азотная кислота выпадает в небольших количествах в форме нитрата аммония. Он практически полностью идет на построение органического вещества и в разрушении горных пород не участвует.

Вода проникает в минеральные массы, растворяет их и обогащается различными реактивами. Например, под действием воды, содержащей кислород, из серного колчедана образуется железный купорос и серная кислота:

2FeS₂ + 16H₂O + 7O₂ = 2(FeSO₄·7H₂O) + 2H₂SO₄.

Серная кислота в дальнейшем действует на горную породу, как сильный реактив, а железный купорос легко вступает в реакции обмена.

Аналогично при действии атмосферных вод на силикаты возникают щелочные карбонаты К₂СО₃ (механизм образования из ортоклаза рассмотрен выше), Na₂СО₃, кремнекислые щелочи Na₄SiО₄, хлористые соединения, например, МgCl₂, другие соли, которые затем вступают в реакции обмена и вытеснения.

Скорость химического выветривания и степень разложения горных пород зависит от климатических условий. Наиболее полно оно совершается в жарком и богатом осадками климате. Выделяющиеся при разрушении минералов щелочные и щелочно-земельные элементы переходят в раствор. Выпадающий из минералов диоксид кремния, а также полуторные оксиды железа и алюминия находятся в растворе в коллоидном виде, а с повышением температуры свертываются в гели.

(Как известно, низкодисперсные системы твердых частиц в жидкости называют суспензиями или взвесями, а предельно – высокодисперсные системы, если твердые частицы раздроблены до кубиков с длиной ребра 10^{-6 м и менее, называют коллоидными растворами или золями, иногда лиозолями. Этим подчеркивают, что дисперсионной средой здесь является жидкость (от греч. «лиос» - жидкость), в отличие от аэрозолей с газообразной дисперсионной средой. Если дисперсионной средой является вода, то такие золи называют гидрозолями, а если органическая жидкость – органозолями. Лиозоли являются свободнодисперсными системами, т.е., они текучи, частицы их не имеют контактов, свободно перемещаются под действием силы тяжести. При контакте частиц образуется структура в виде каркаса либо сетки, текучесть дисперсной системы становится ограниченной и у нее появляется способность сохранять форму. Такие структурированные коллоидные системы называют гелями. Переход золя в гель называют гелеобразованием или желатинированием).}

Органическое выветривание – это разрушение горных пород растениями и животными, которые производят на них механическое и химическое воздействие.

Механическое воздействие состоит в разрыве и разрыхлении горных пород корнями растений. Они проникают в трещины, раздвигают их, т.е. действуют расклинивающе. Это вызывает раскалывание и распадение на куски даже скальных пород. Механически действуют на земные пласты роющие животные, черви, которые измельчают почву.

Химическое действие растения и животные оказывают двумя путями:

1.Продуктами своей жизнедеятельности;

2.Продуктами распада после отмирания.

Корни растений выделяют кислоты, которые разъедают поверхность горных пород, в местах их контакта остаются углубления. Бактерии и другие микроорганизмы при своей жизнедеятельности выделяют углекислоту и аммиак, азотную и органические кислоты, которые являются сильными реактивами.

Остатки растений, животных, бактерий, микроорганизмов после отмирания накапливаются в верхнем слое земли и постепенно разлагаются.

Слой земли, где совершается органическое выветривание, называется почвой, а темно-серое или черное вещество, образованное от разложения остатков живых веществ – гумусом. Гумус удерживает в почве соли калия, фосфора, соединения азота, необходимые для питания растений. Но гумус также действует разрушающе на минералы горных пород. Это обусловлено наличием в его составе таких органических кислот, как щавелевая, уксусная, лимонная, стеариновая и т.д. Эти кислоты разрушают силикаты, фосфаты, карбонаты и другие минералы, удалят из них и связывают оксиды Al, Fe, Na, Ca, Mg.

Дата добавления: 2013-12-12