Процессы внешней динамики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Процессы внешней динамики

1. Экзогенные процессы на суше

1.1 Выветривание

На земной поверхности горные породы находятся в условиях тесного взаимодействия с атмосферой, гидросферой и биосферой и под их воздействием начинают разрушаться и преобразовываться. Этими внешними, или гипергенными, процессами создается почвенный покров, который несплошным чехлом перекрывает так называемые коренные породы. Во многих местах они обнажаются на дневной поверхности. Коренные породы возникли на некоторой, иногда значительной глубине в недрах Земли или на дне морей и океанов. Оказываясь в совершенно иных условиях в приповерхностной части Земли, они попадают в совершенно иные физико-химические условия и под влиянием различных внешних факторов начинают разрушаться. Этот процесс носит название выветривания.

Выветривание -- это изменение горных пород любого состава и структуры, которое происходит в поверхностных условиях под совокупным действием физических, химических и биохимических процессов. Под действием этих процессов горные породы и слагающие их минералы в приповерхностной части земной коры преобразовываются. В процессе выветривания возникают своеобразные образования, которые носят название коры выветривания. Процессы выветривания играют исключительную роль в образовании осадочного материала и предшествуют возникновению подавляющего большинства осадочных горных пород.

Преобразование горных пород в приповерхностных условиях обусловлено несколькими факторами: колебаниями температур воздуха и самой горной породы, химического воздействия атмосферных и поровых газов и воды, из которых главными являются углекислота и кислород, биохимического воздействия органических веществ, которые образуются в результате жизнедеятельности организмов или возникают в результате их преобразования после отмирания и разложения.

Область, в которой происходит преобразование минерального вещества, слагающего горные породы, или дезинтеграция минерального единства горных пород называется зоной выветривания, или зоной гипергенеза (от греч. «гипер» -- над, сверху). Сам процесс выветривания довольно сложен и протекает весьма медленно. Он зависит и климата, рельефа местности, где выступают коренные пород, наличия разрывных нарушений, состава организмов, участвующих и процессе выветривания, а также от минерального состава сам) пород, их структурно-текстурных особенностей. Преобладающим фактором среди физико-географических процессов является климат, от которого зависит движущая сила процессов выветривания. От состояния климата и длительности его воздействия зависят глубина преобразования горных пород и возникновение стадийности выветривания, которое выражается зональностью кор выветривания. Из совокупности климатических элементов наибольшее значение имеет общее количество солнечной энергии, выраженном и температурном факторе и степени увлажненности.

В зависимости от преобладания того или иного физико-географического физико-химического фактора выделяют два взаимосвязанных типа выветривания: физическое и химическое (биохимическое)

1.2 Физическое выветривание

В этом типе выветривания особенно большое значение имеет температурный фактор, кристаллизация воды и солей и в меньшей степени биологический фактор. Температурный фактор вызывает изменение объема составных частей породы. В других случаях горные породы разрушаются механическим воздействием кристаллов, растениями и роющими животными.

Температурное выветривание. В результате суточных и сезонных колебаний температур, которые приводят то к нагреванию, то к охлаждению поверхности горных пород, и из-за разного коэффициента теплового расширения и сжатия, а также теплопроводности минералов, слагающих горные породы, между минералами возникают определённые напряжения и начинают нарушаться силы сцепления. Минеральные зерна в разной степени температурного выветривания сжимаются и расширяются, а потому возникают сжимающие и расширяющиеся усилия. В полном объеме эти процессы сказываются в самой верхней части коренных пород, выступающих на дневной поверхности. Особенно ярко этот процесс температурного выветривания проявляется среди полиминеральных горных пород, и в частности, среди гранитов, сиенитов, габбро, гнейсах и кристаллических сланцев. Эти породы возникли в глубоких недрах Земли в специфической обстановке, в условиях высоких температур и давлений. При исходе на поверхность они, попадая в иные физико-химические условия, оказываются неустойчивыми и начинают разрушаться. Разные минералы, которые участвуют в сложении таких пород, обладают разными температурными коэффициентами объемного расширения. Как известно, граниты состоят из ортоклаза, альбита, кварца, слюды и темноцветных минералов (роговой обманки, авгита). Темноцветные минералы быстрее нагреваются, чем прозрачные и светлые. Температурный коэффициент объемного расщирения ортоклаза в три! раза меньше, чем у альбита, и в два раза меньше, чем у кварца. Даже у одного и того же минерала коэффициенты расширения разные и зависят от направления по кристаллооптическим осям. Например, у кварца и кальцита температурный коэффициент линейного расширения в направлении, перпендикулярном тройной оси, в два раза превышает тот же коэффициент в направлении, параллельное ей. При колебании температур это вызывает местные напряжения и приводит к разрушению минеральных зерен. Вследствие этого даже мономинератьные горные породы, такие как кварцевые песчаники, кварциты, известняки, известковые песчаники, мрамора и другие, быстро разрушаются из-за температурных колебаний.

Длительное воздействие только температурного фактора на поверхность твердых укоренных пород приводит к тому, что из-за разницы температурного коэффициента объемного расширения нарушается взаимное сцепление отдельных минеральных зерен. В результате этого в горных породах возникают трещины и происходит дезинтеграция породы. Целые блоки некогда плотных и твердых пород распадаются на отдельные обломки разных размеров (глыбы, щебень, песок, алевриты).

На интенсивность температурного выветривания влияют цвет горных пород и размеры слагающих ее минеральных зерен. Чем крупнее зерна, тем быстрее они разрушаются. Под влиянием солнечных лучей (инсоляции) темноцветные минералы нагреваются и остывают быстрее и больше, чем бесцветные. Поэтому темноокрашенные горные породы быстрее разрушаются. Процесс температурного выветривания:, который вызывает механическую дезинтеграцию горных пород, наиболее интенсивно протекает в областях с резкими контрастами температур, сухостью воздуха и слабым развитием или полным отсутствием растительности (рис. 8.1). Последняя в той или иной степени смягчает воздействие температур на горные породы и почву. Особенно сильно процесс температурного выветривания протекает и пустынях, где общее годовое количество атмосферных осадков не превышает 250 мм, а суточные колебания температур нередко достигают 40 -- 50 °С. Относительная влажность и таких ландшафтах способна снижаться до 10 %. В этих условиях темноцветные минералы, да и сами горные породы нередко нагреваются до температура, значительно превышающих температуру воздуха (в полдень температура поверхности пород и песка превышает 70 "С), а ночью они охлаждаются до первых градусов. Из-за температурного фактора ш при отсутствии влаги поверхность горных пород начинает шелушиться. От поверхности горных пород отслаиваются чешуи или различной толщины пластины. Этот процесс особенно хорошо выражен на отдельных глыбах или валунах.

Дезинтеграции горных пород способствует наличие водяных паров и пленок, которые просачиваются и конденсируются на стенках возникающих трещин.

Температурное выветривание кроме пустынь активно протекает па вершинах и склонах гор, не покрытых снегом или льдом. Здесь вследствие высокой инсоляции поверхность хорошо и активно прогревается, а в ночное время остывает до отрицательных температур.

Механическое выветривание. В жарких пустынных районах механическое воздействие нагорные породы и их дезинтеграция происходят в результате роста кристаллов солей в капиллярных трещинах и порах. В дневное время, когда поверхность пород сильно прогревается, капиллярная вода притягивается к поверхности и испаряется, а соли, содержащиеся в ней, кристаллизуются. Под давлением растущих кристаллов трещины и поры расширяются. Монолитность породы нарушается, и она начинает растрескиваться и разрушаться.

Особенно сильным разрушающим фактором при механическом выветривании оказывает замерзающая вода. Вода проникает в трещины и в поры и при наступлении отрицательных температур замерзает. При этом она увеличивается в объеме почти на 10 % и оказывает огромное давление на стенки трещин. Такая сила преодолевает силу сцепления зерен, слагающих горные породы, и они покрываются трещинами. Под действием замерзающей воды легко раскалываются трещиноватые и пористые породы. Процессы, связанные с воздействием периодически замерзающей воды, называют морозным выветриванием. Оно происходит в районах с суровым климатом -- в полярных областях и в высокогорье.

Сильное механическое воздействие на толщи горных пород оказывают корневая система деревьев, трав, мха и лишайников, а также роющие животные. Корни растений, проникая по трещинам, оказывают расклинивающее действие и вызывают раскалывание породы на отдельные глыбы и обломки. Механическое воздействие на коренные породы оказывают муравьи, земляные черви, грызуны, а также норные животные.

Таким образом, физическое выветривание основную роль играет в жарком аридном и холодном (нивальном) климатах в пустынных и арктических (антарктических) ландшафтах. Возникшие в процессе физического выветривания продукты остаются на месте, тем самым создавая элювиальные образования (от лат. «элювио» -- разлив, наводнение). Чаще продукты физического выветривания перемещаются вниз по склонам возвышенностей и гор, смываются поверхностными водами, удаляются ветром и льдом.

1.3 Химическое выветривание

В экваториальных, тропических и умеренных ландшафтах физическое выветривание всегда в той или иной степени в зависимости от температурного фактора сопутствует химическому выветриванию. Физическая дезинтеграция горных пород существенно увеличивает поверхность выветривающихся обломков. Основную роль в химическом выветривании играет влага, особенно насыщенная газами и химическими соединениями, под действием которых начинают видоизменяться физико-химические особенности пород. Главными факторами химического выветривания являются вода, кислород, углекислота и органические кислоты. Под их влиянием существенно изменяются структура и вещественный состав горных пород и образуются новые минералы, которые оказываются устойчивыми в поверхностных или гипергенных условиях. В химическом выветривании принимают участие и органические кислоты, выделяемые растительностью и микроорганизмами. И, следовательно, в данном типе выветривания принимают участие и биохимические процессы.

Важнейшим фактором химического и биохимического выветривания является вода, которая не только растворяет химические элементы и соединения, находящиеся в горной породе, но и обусловливает миграцию наиболее подвижных химических соединений. Особенно ярко это проявляется во влажном тропическом или экваториальном климате, где сочетаются высокая влажность с высокими температурами и богатая растительность. Обладая большой биомассой растительного опада, она в результате своего преобразования и переработки микроорганизмами создает агрессивные органические кислоты, которые и преобразуют химические соединения, входящие в состав горных пород. Вода в той или иной степени диссоциирована на положительно заряженные водородные ионы (Н+) и отрицательно заряженные гидроксидные ионы (ОН-), что определяет способность воды вступать в химические реакции с кристаллами. Чем выше концентрация водородных ионов в растворах, тем выше скорость процессов выветривания, сущность которых заключается в извлечении из кристаллических решеток минеральных зерен катионов и их удалении.

Скорость воздействия на горные породы во время химического выветривания возрастает в том случае, когда в растворе присутствуют углекислота и органические кислоты. Именно их наличие создает кислую или щелочную среду растворов. Химическое воздействие на минералы и горные породы оказывают находящиеся в растворенном в воде виде такие ионы, как НСО3-, SO2-, Ca2+, Mg2+, Na+, К+. Перечисленные ионы замещают заряженные атомы в кристаллах или взаимодействуют с ними, тем самым нарушая единство кристаллической решетки. Одни ионы изоморфно замещаются, другие выносятся. Процессы химического выветривания последовательно происходят в следующих основных химических реакциях: окислении, гидратации, растворении и гидролизе.

Окисление. Этот процесс наиболее интенсивно протекает в горных породах, содержащих минералы, состоящие из соединений же-леза(Ш), марганца. Например, при окислении магнетит переходит в более устойчивую форму -- гематит: Fe3O4 > Fe2O3

или двухвалентная форма железа переходит в трехвалентную. Возникшие минералы более устойчивы в поверхностных условиях.

Сульфиды в кислой среде становятся неустойчивыми и постепенно замещаются сульфатами, оксидами и гидроксидами. Так, можно представить преобразование пирита, который последовательно при окислении вначале превращается в сульфат железа, затем в сульфат оксида железа и наконец в лимонит или бурый железняк: FeS2 + пO2 + пH2O > Fe3O4 > Fe2(SO4)2 > Fe2O3•пH2O пирит бурый железняк лимонит

На первой стадии в реакции участвует серная кислота, присутствие которой существенно усиливает процесс преобразования и способствует дальнейшему разложению минералов. Возникший на последней стадии бурый железняк представляет собой сложный полиминеральный агрегат, который состоит из гётита (FeO • ОН) и гидрогётита (FeO • ОН • пН2О). Над залежами сульфидных руд и других железосодержащих минералов в результате процессов выветривания возникают железистые корки (железная шляпа), которые длительное время сопротивляются размыву и переносу.

Устойчивый в поверхностных условиях гематит возникает и при выветривании таких минералов, как оливин, пироксены, амфиболы под действием воды, кислорода и углекислоты. Реакция такого преобразования может быть изображена следующим образом: (Mg,Fe)2(Si04) > Fe2O3 + пMg(HCO3)2 + пH4Si04 оливин гематит растворимые соединения

В результате процесса преобразования железосодержащих минералов и их перехода в лимонит многие горные породы, в частности пески, песчаники, глины, мергели, окрашиваются в бурый или охристый цвет, что свидетельствует об окислении включений, содержащих железистые минералы.

Гидратация. Данный процесс заключается в присоединении воды к веществу. В результате этого осуществляется закрепление молекул воды на поверхности некоторых участков кристаллической решетки. Хорошим примером гидратации является переход ангидрита в гипс: CaSO4 + 2H2O > CaSO4•2H2O ангидрит гипс.

При изменении условий реакция обратима и гидратация превращается в дегидратацию.

Процесс гидратации происходит при переходе гематита в гидроксиды железа. Например, гётит переходит в гидрогётит. Реакция идет по формуле FeOOH + пН2О > FeO • пН2О гётит гидрогётит

Растворение. Горные породы растворяются водами, содержащими углекислоту или органические кислоты. Под действием такой воды, стекающей по трещиноватой поверхности горных пород и просачивающейся сквозь трещины и поры, этот процесс распространяется на глубину. Особенно интенсивно он проявляется в осадочных горных породах, которые представлены хлоридами, сульфатами и карбонатами. Наибольшей растворимостью обладают хлориды _ соли натрия (галит или поваренная соль) и калия (сильвин). Далее по степени растворимости следуют сульфаты -- ангидрит и гипс, затем карбонаты '-- известняки и доломиты. В процессе растворения среди монолитных толщ осадочных пород возникают различные полости.

Гидролиз. Особенно хорошо этот процесс проявляется при выветривании силикатов и алюмосиликатов. Сущность этого процесса заключается в разложении минералов и выносе отдельных элементов и соединений и присоединении к оставшимся соединениям гидроксильных ионов и гидратации. При этом существенным образом нарушается структура кристаллов, которая заменяется совершенно новой. В гипергенных условиях каркасная структура полевых шпатов превращается в слоевую, которая характерна для различных глинистых минералов. Кроме того, из кристаллической решетки полевых шпатов выносятся растворимые соединения калия, натрия и кальция благодаря образованию в результате взаимодействия с углекислотой истинных растворов бикарбонатов и карбонатов (К2СО3, Na2CO3, CaHCO3, СаСО3). Эти соединения выносятся из места своего образования в условиях влажного и жаркого климата. При сухом климате, когда существует дефицит влаги, эти соединения остаются на месте. В зависимости от того, в каких частях разреза они находятся, возникают поверхностные твердые карбонатные корки или они выпадают на некоторой глубине, образуя вторичную карбонатизацию.

В качестве примера можно привести стадийность разложения полевых шпатов в условиях влажного теплого климата. В этих условиях полевые шпаты вначале переходят в гидрослюду, а затем в более устойчивый в гипергенных условиях глинистый минерал каолинит:

K(AlSi3O8) > (K,H2O)Al2(OH)2(AlSi4O10) • пН2О > Al4(OH)8(Si4O10) ортежлаз гидрослюда каолинит

В процессе гидратации часть кремнезема выносится в форме истинных растворов или комплексных кремнийорганических соединений. Значительная часть кремнезема в водах сравнительно быстро переходит в коллоидальное (от греч. «колла» -- клей) состояние и выпадает из раствора в виде амофного гидратированного осадка SiO2 • пН2О. Это аморфное вещество при высыхании и частичной потере воды превращается в опал. Но часть кремнезема остается в связанном состоянии в каолинитовой молекуле.

В умеренном достаточно влажном климате каолин устойчив. При выветривании магматических и метаморфических горных пород, богатых алюмосиликатами (граниты, гранодиориты, сиениты, гранито-гнейсы), во влажном теплом климате возникают мощные толщи каолинита, которые представляют собой остаточные, элювиальные месторождения каолина.

В условиях влажного тропического и экваториального климата при большом количестве атмосферных осадков, высоких среднегодовых температурах и большом растительном опаде выветривание горных пород на каолинитовой стадии не прекращается и происходит дальнейшее разложение каолинитовой молекулы до свободных оксидов и гидроксидов: Al4(OH)8(Si4010) > А1(ОН)3 + SiO2 • иН2О каолинит гидраргиллит опал

Гидраргиллит, или гиббсит -- один из главных рудоносных минералов, представляющих алюминиевую руду. Непосредственно над материнскими выветрелыми породами располагаются латериты, главной составной частью которых являются полуторные оксиды алюминия и железа (А12О3 и Fe2O3) с небольшой примесью кремнезема (SiO2). Переотложенные и преобразованные латериты называют бокситами.

При выветривании полиминеральных пород, которые содержат марганец, титан и никель, а ими являются железисто-магнезиальные минералы (оливин, пироксены, амфиболы) и основные плагиоклазы, наряду с образованием гидроксидов алюминия возникают гидроксиды железа и оксиды марганца, титана, никеля. Эти подвергшиеся сильному выветриванию участки представляют собой своеобразные месторождения.

При выветривании горных пород в условиях достаточно высокого увлажнения, но при определенном дефиците теплоты, выветривание не достигает каолинитовой стадии и образуется целый ряд глинистых минералов, таких как гидрослюда, монтмориллонит, нонтронит и высокоглиноземистый минерал бейделлит.

1.4 Биохимическое выветривание

В химическом разложении первичного вещества участие принимают не только сугубо химические соединения, находящиеся в природных водах в коллоидной форме или в форме истинных растворов, но и химические кислоты и соединения, полученные в результате жизнедеятельности организмов. Таким образом, выявляется величайшая роль живого вещества в преобразовании горных пород. Впервые понятие о живом веществе в науку ввел акад. В. И. Вернадский. Он считал, что живое вещество является аккумулятором и перераспределителем солнечной энергии. Согласно его представлению, которое было поддержано и глубоко разработано целыми поколениями ученых, под влиянием солнечной энергии живое вещество создает новые химические соединения и производит в огромных масштабах биохимическую работу.

Биохимическое воздействие на горные породы начинается с момента первого появления на скальных породах микроорганизмов, лишайников и мхов. В результате механического действия и от выделяющихся в процессе их жизнедеятельности веществ на поверхности породы появляются трещины и углубления, которые заполняются после их отмирания сухим органическим веществом. Оно служит основой для жизнедеятельности высших растений, которые в последующем заполняют эти места. Таким образом, первичные поселенцы как бы подготавливают основу для последующего заселения.

Роль организмов в выветривании заключается в том, что они в процессе своего роста извлекают из породы необходимые для своей жизнедеятельности элементы, но одновременно своими корнями разрушают саму породу. К числу биогенных элементов относятся Р, S, К, Са, Mg, Na, Sr, В, Fe, Si.

При анализе зольного остатка растений выявлено, что в растениях содержится в десятки раз больше фосфора и серы, чем в субстрате, в несколько раз больше Са, Mg, Sr и ряда микроэлементов. Вместе с тем присутствие в золе кремния и алюминия свидетельствует о том, что растительность на скальных породах нарушает связь между кремнеземом и глиноземом, а ведь связь SiO2 с А12О3 одна из самых прочных в кристаллической решетке алюмосиликатов. Вместе с тем давно замечено, что организмы не только извлекают из коренных пород элементы, разрушая их, но и своей деятельностью создают определенные биогенные соединения, например кремнийорганические соединения.

Кроме того, роль биохимического выветривания состоит в том, что часть организмов в процессе своей деятельности создают кислую среду, выделяя органические кислоты, под действием которых ускоряется процесс выветривания. В процессе преобразования отмершего органического вещества образуются углекислота и органические кислоты, которые значительно усиливают растворение и гидролиз породообразующих минералов. Интенсивность биохимического выветривания зависит от величины биомассы. Ее в тропическом климате (во влажных тропических лесах) на порядок выше, чем в таежной области (2,6 и 0,35 -- 0,55 кг/м2 соответственно). Вследствие высокой концентрации растительного опада в тропических влажных (в гумидных) областях почвенная среда кислая и, таким образом, агрессивные воды достаточно легко разрушают кристаллохимические связи.

Следовательно, биохимическое выветривание состоит из двух процессов: механического разрушения коренных пород или физического выветривания и химического разложения обломков и зерен.

1.5 Коры и профили выветривания

В результате совместного и достаточно сложного взаимосвязанного процесса физического, химического и биохимического выветривания на земной поверхности возникают различные продукты выветривания.

К коре выветривания относится комплекс элювиальных образований, возникших в приповерхностной части земной коры в результате преобразования в континентальных условиях магматических, метаморфических и осадочных горных пород под воздействием физических, химических и биохимических процессов. Для коры выветривания характерны зависимость состава и мощности от физико-химических факторов, действующих на земной поверхности, и постепенный переход с глубиной в слабоизмененные процессами выветривания, а затем и свежие исходные (материнские) породы.

Состав коры выветривания и ее мощность зависят от сочетания различных физико-географических факторов.

Кора выветривания имеет переменную мощность и нечетко выраженную нижнюю границу. В зависимости от распространения выделяют площадную кору выветривания и линейную. Последняя приурочена к ослабленным зонам, к зонам разломов и повышенной трещиноватости.

На протяжении длительной геологической истории неоднократно возникали благоприятные ландшафтно-климатические условия для формирования площадных разнообразных кор выветривания. Во-первых, коры выветривания формировались на различных по составу и структурно-текстурным особенностям горных пород, во-вторых, их образованию благоприятствовали климат и определенный тип рельефа. Для того чтобы мощность кор выветривания достигала больших размеров, должен существовать непрерывный приток влаги, а ее обеспечивают хороший дренаж и близкое к поверхности расположение водоносных горизонтов. На крутых склонах и в горных областях мощные коры выветривания не успевают образоваться, так как в силу геоморфологических особенностей не успевает глубоко развиться химическое выветривание, в силу этого возникший горизонт дресвы и обломков удаляется. Поэтому для формирования кор выветривания благоприятен выровненный рельеф.

При достаточно длительном времени и развитии соответствующих физико-химических и физико-географических условий образуются хорошо выраженные зоны выветривания. Они составляют профили выветривания, и каждая зона обладает своими текстурно-структурными особенностями и сложена определенными минералами, которые в совокупности отражают стадийность выветривания. Значительными мощностями и полными профилями выветривания обладают коры, которые формируются в области влажных тропических и экваториальных лесов. Чем ниже температуры и меньше- количество осадков, тем более неполными образуются профили выветривания. В экваториально-влажных лесах формируется следующий профиль выветривания. На свежих малоизмененных коренных породах располагается зона дезинтеграции (зона дресвы). Выше она сменяется гидрослюдисто-монтмориллонитово-бейделлитовой зоной. Над нею располагается каолинитовая зона и заканчивается полный профиль коры выветривания латеритной или гиббсит-гематит-гётитовой зоной. В самой верхней зоне благодаря присутствию полуторных оксидов и гидроксидов алюминия и железа элювий напоминает собой обожженный красный кирпич. Поэтому такие коры выветривания, как и сам верхний горизонт, называются латеритными (от лат. «латер» -- кирпич). Над латеритной зоной вследствие периодичной смены влажности возникает своеобразный железоалюминиевый панцирь, который именуется кирасой. Вследствие своей устойчивости в гипергенных условиях кираса бронирует рыхлый латеритный покров и предохраняет его от быстрого размыва. Латеритные покровы с кирасой сохранились в современных экваториальных и тропических областях. Зональность кор выветривания можно установить по преобладающим процессам, минералообразованию или по физическому состоянию продуктов выветривания.

Однако приведенные схемы в своем большинстве отражают идеализированную сложную картину выветривания. В природе в каждом конкретном случае строение профиля выветривания отличается от приводимой схемы. В соответствии с конкретными ландшафтно-климатическими обстановками мощности зон или горизонтов кор выветривания самые разнообразные. Идеализированный профиль выветривания, составленный Н.М.Страховым (1962), представлен на рис. 8.3.

Большое распространение имеют однозональные профили выветривания. Это, с одной стороны, древние коры выветривания, у которых гипергенные процессы удалили, размыли и перенесли верхние зоны коры выветривания, а с другой -- остаточные профили, которые сформировались в условиях дефицита влаги, сравнительно низких температур или неблагоприятного рельефа. В пустынных ландшафтах элювий состоит из дезинтегрированных горных пород и представлен щебнем, дресвой, разнозернистыми песками. Аналогичный профиль характерен для тундровых и высокогорных ландшафтов.

Необходимо отметить существование избирательности процессов выветривания. Не все горные породы и даже не все части одного блока пород равномерно и одновременно подвергаются выветриванию. Вследствие этого они выветриваются неравномерно. Большую роль играют слоистость, трещиноватость, расположение водоносных горизонтов. Кроме того, одни части горной породы легче растворяются (или гидролизуются), чем другие.

Одни слои больше подвержены выветриванию, а другие, сложенные такими устойчивыми минералами, как кварц, не поддаются выветриванию. В результате этого между толщами возникают уступы, ниши, образуются столбы, башни или пирамиды, хорошо выделяющиеся на фоне выветрелых разрушенных слоев.

Выше отмечалось, что существует два основных морфогенетических типа кор выветривания: площадный и линейный. Площадные коры выветривания развиваются в виде покрова плащеобразно, перекрывая обширные площади в десятки и сотни квадратных километров. Линейные коры выветривания имеют в плане линейное расположение и приурочены к зонам разломов, к контактам разных по текстурно-структурным и вещественному составу пород, зоне трещиноватости. В такие зоны легче проникает вода и вследствие этого более интенсивно протекает процесс преобразования горных пород, чем на соседних площадях.

1.6 Почвы и почвообразование

С процессами выветривания на земной поверхности тесным образом связано образование такого важного естественно-исторического тела, как почва, которое играет определяющую роль в жизни человеческого общества, растительного и животного мира. Почва характеризуется своеобразным составом, строением и продуктивностью. В совокупности эту тонкую, но энергетически и геохимически активную оболочку называют педосферой. Знание свойств, распространения и происхождения почв является предметом самостоятельной науки в цикле наук о Земле -- почвоведения. Основателем этой самостоятельной науки, находящейся на стыке геологических и биологических наук, был великий русский ученый В. В.Докучаев (1846 -- 1903). Дальнейшее развитие почвоведение получило благодаря работам крупнейших отечественных ученых К. Д. Глинки, В.А.Ковды, М.А.Глазовской, Г.В.Добровольского, Б.Г.Розанова, Е. Д. Никитина и др.

Согласно Г. В.Добровольскому (1976), «почвой следует называть поверхностный слой суши земного шара, обладающий плодородием, характеризующийся органоминеральным составом и особым, только ему присущим, профильным типом строения. Почва возникла и развивается в результате совокупного воздействия на горные породы воды, воздуха, солнечной энергии, растительности и животных организмов. Поэтому свойства почвы отражают местные особенности природных условий и хозяйственной деятельности человека». Из этого определения следует, что почва является продуктом взаимодействия и обмена веществом и энергией между живыми организмами и горными породами, водной средой и атмосферным воздухом.

В формировании почв особенно велика роль органического мира, который тесным образом связан с климатом. Поэтому почвообразование и сложные биохимические процессы наиболее энергично протекают в зоне воздействия корневой системы растительности, роющих животных и микроорганизмов. Материал для формирования почв подготавливается процессами физического и химического выветривания. В дальнейшем разложение происходит в результате биохимического преобразования вещества. При полном и сравнительно быстром разложении органического вещества и органических остатков происходит их полная минерализация. При неполном разложении органического вещества, который вызван недостаточным притоком кислорода, образуется новый, относительно устойчивый комплекс органических соединений, окрашенных в коричневый или черный цвет, который называется перегноем или гумусом (от лат. «гумус» -- земля). Главным элементом, определяющим плодородие почв, является гумус. В его состав входит до 90 % гуминовых веществ, которые являются высокомолекулярными соединениями. Активные биохимические процессы разлагают минеральную часть почвы и одновременно накапливают органическую часть. Именно они в совокупности определяют своеобразие структуры почвы, ее рыхлое строение, высокую пористость, которые способствуют увлажнению и аэрации. В почвенном профиле сверху вниз выделяют несколько генетических горизонтов:

1. Перегнойно-аккумулятивный (гумусо-аккумулятивный) -- А-1. В нем ведущим процессом является накопление гумуса. В некоторых случаях на поверхности этого слоя какое-то время сохраняется растительная подстилка -- слой неразложившихся или слабо разложившихся органических остатков. Он обозначается как АО. Мощность горизонта колеблется от нескольких сантиметров до 1,5 м.

2. Элювиальный, или горизонт внутрипочвенного выветривания А-2. В этом горизонте преобладает вынос минеральных веществ. В нем в условиях влажного тропического климата присутствуют глинистые минералы.

3. Иллювиальный (В). В нем протекают процессы вымывания и накопления веществ, вынесенных из других горизонтов. Перемещение вещества происходит как в форме суспензии глинистых минералов, так и в форме коллоидальных и истинных растворов. Под иллювиальным горизонтом залегает горная порода, не затронутая почвообразованием. Эту так называемую материнскую породу обозначают буквой С. Почвенные горизонты и их мощность в разных ландшафтно-климатических областях выражены неодинаково.

На территории России выделяют следующие основные типы почв, которые различаются между собой мощностью и строением почвенных горизонтов:

* почвы тундры и лесотундры;

* подзолистые и дерново-подзолистые лесные почвы;

* серые лесные почвы;

* черноземы лесостепи;

* черноземные почвы луговой степи;

* каштановые и бурые почвы сухой степи;

* сероземы пустынной степи и пустыни;

* солонцы и солончаки.

В субтропических странах располагаются коричневые почвы сухих субтропиков, красноземы и желтоземы влажных субтропиков, а в тропиках и экваториальном климате -- саванные красные и красно-желтые ферралитные почвы, красно-желтые ферралитовые почвы влажных тропических лесов и латеритные почвы.

В ряде мест в разрезе четвертичных и более древних континентальных отложений наблюдаются горизонты погребенных или ископаемых почв. Имевшийся в них гумус распался или минерализовался. Это свидетельствует о том, что в геологическом прошлом процесс почвообразования существовал и он мало чем отличался от современного.

1.7 Экологическое значение процессов выветривания

Процессы выветривания существенным образом преобразуют земную поверхность и подготавливают дезинтегрированный материал для действия других геологических процессов. Изучение древних кор выветривания и почвообразования, установление их состава и распространенности имеют большое практическое значение. Оно помогает реконструировать физико-географические условия на земной поверхности, определять характер ландшафта, климата, степень расчлененности рельефа и движений земной коры. Коры выветривания несут следующие экологические функции: ресурсную функцию, подготавливают материал для дальнейшего переноса и аккумуляции и являются жизненным пространством для некоторых форм растительного и животного мира.

Ресурсная функция кор выветривания заключается в том, что в процессе корообразования возникают новые минералы, устойчивые в гипергенных физико-географических условиях, которые служат важными полезными ископаемыми. Такими являются латериты и бокситы -- ценная руда алюминия. Образуются различные глинистые минералы -- каолины, гидрослюды, монтмориллонит, нонтрониты, -- многие из которых являются ценным керамическим и огнеупорным сырьем, а гидраты оксидов никеля, кобальта, марганца и железа добывают как руды черных металлов. В корах выветривания, кроме того, образуются магнезиты и опалы. Возникающие на низкокачественных железных рудах (железистых кварцитах) коры выветривания приводят к существенному обогащению рудных компонентов и являются ценной рудой. Так, на месторождениях Курской магнитной аномалии над сравнительно бедными железными рудами располагается горизонт коры выветривания, обогащенный гематитом.

В возникших зонах окисления над медными сульфидными месторождениями коры выветривания содержатся обогащенные медные руды, а также такие цветные камни, как малахит и азурит. Вместе с тем области, расположенные вблизи коры выветривания над сульфидными месторождениями, являются своего рода геохимическими аномалиями. Природные и почвенные воды являются агрессивными и содержат повышенные концентрации серы, мышьяка и других канцерогенных элементов. Эти же элементы находятся и в почвенных горизонтах.

Процессы выветривания рыхлят и преобразуют материал коренных скальных пород. В этом случае экологическая роль корообразовательных процессов различна. Ее отрицательная сторона выражается в том, что корообразование подготавливает материал, который легко эродизируется и выносится различными экзогенными факторами. При этом нередко возникают и катастрофические процессы (обвалы, камнепады, сели, оползни). Не закрепленные растительностью рыхлые образования коры выветривания и почвы развеиваются ветрами и размываются поверхностными водами. Положительная роль корообразовательных процессов состоит в том, что они подготавливают материал для последующего почвообразовательного процесса.

Коры выветривания и почва являются областью обитания и жизнедеятельности микроорганизмов, растений и мелких позвоночных животных.

Разрушение и преобразование горных пород в результате выветривания происходит под влиянием различных природных факторов -- климата, ландшафтов, рельефа, водной среды и атмосферы. Под действием разного их сочетания возникает физическое, химическое и биохимическое выветривание. Физическое выветривание происходит в результате суточных температурных контрастов, роста кристаллов солей, расклинивающего влияния замерзающей воды в трещинах и порах, корневой системы деревьев. Химическое выветривание происходит под совместным воздействием температуры и агрессивной воды, в которой находятся в растворенном состоянии различные элементы и химические соединения. Биохимическое выветривание осуществляется в результате воздействия органических кислот, выделяемых различными организмами, и преобразования отмерших их остатков. Стадийность корообразовательных процессов -- дезинтеграция, окисление, гидратация, растворение и гидролиз -- приводит к формированию определенной зональности профилей выветривания. Коры выветривания играют важную экологическую роль, и с ними связаны месторождения алюминия, никеля, кобальта, меди, железа и различные по степени канцерогенности и состава геохимические аномалии.

2. Гравитационные процессы

Процессы выветривания приводят к существенной дезинтеграции горных пород. На них с момента образования начинают воздействовать различные физические силы, которые способствуют удалению их с места образования и перемещению в пониженные участки. В пределах последних начинают формироваться своеобразные гравитационные осадки, впоследствии превращающиеся в процессе диагенеза в осадочные породы.

Гравитационный перенос, или перемещение обломков горных пород, происходит под действием силы тяжести из возвышенных мест в пониженные. Ввиду того что данные процессы очень часто наблюдаются на склонах, они иногда носят название склоновых процессов. Этот процесс действует тогда, когда материал перемещается вниз по склону в твердом или полужидком состоянии.

Скорость перемещения обломков пород по склону зависит от размеров блока, его массы и крутизны склона. На крутом склоне перенос будет происходить до тех пор, пока не сформируется пологий склон, по которому движение обломков затрудняется.

2.1 Особенности гравитационного переноса и осадконакопления

При гравитационном переносе материал может перемещаться разными способами: падение, скатывание и скольжение отдельных обломков по крутым склонам. Может происходить и простое соскальзывание по склону больших масс рыхлых пород, причем деформация внутри этих масс будет невелика. Перемещение может носить характер пластического течения или течения полужидкой массы, в результате этого форма и внутреннее строение первичного материала могут изменяться в самых различных пределах. Довольно часто на одном и том же склоне все выше перечисленные процессы чередуются во времени.

Следовательно, суть гравитационных процессов заключается в разрушении горных пород, которое происходит главным образом в верхней части склона, перемещении разрушенного материала вниз по склону и накоплении массы горных пород в пониженных часгях склона или у его подножия. Горные породы, участвующие в гравитационных процессах, образуют отложения, которые называются коллювием (от лат. «коллювио» -- скопление). Коллювиальные отложения состоят из разнообразных по составу и размеру обломков пород: глыб, щебня, песков, алевритов, глин. Для них характерны плохая сортированность материала, неясно выраженная слоистость и очень изменчивая мощность. В редких случаях коллювиальные образования могут быть сцементированы. Особенно это касается древних по возрасту толщ.

Гравитационные процессы могут совершаться с разной скоростью. Одни происходят очень быстро, мгновенно, например обвалы и камнепады, а другие протекают медленно. Последние именуются крипом (от англ. «крип» -- ползти, скользить). Большую роль в гравитационных процессах кроме гравитации играют подземные и поверхностные воды. Насыщая рыхлые образования, они способствуют их скольжению по склону в виде вязких или жидких потоков. Под землей они выщелачивают и вымывают отдельные минералы, создают пустоты и ослабляют связь между толщами нижележащих пород с вышележащими.

Таким образом, в гравитационных процессах и в формировании коллювиальных отложений принимают участие сила тяжести (собственно гравитационный фактор) и вода в разных своих формах (аквальный фактор).

Существует несколько классификаций склоновых процессов.

По одной из них выделяются три главные категории гравитационного переноса, которые зависят от скорости переноса и механизма перемещения:

1. Медленное течение блоков. Ему может подвергнуться блок почвы, коренных пород, осыпи, каменные потоки (курумники), солифлюкция.

2. Быстрое течение -- течение грунта, грязевые потоки, обвалы и оползни.

3. Скольжение, обваливание, в том числе камнепады. В этом случае за счет скольжения и обвала перемещаются обломки и глыбы, оползни-обвалы и снежные лавины.

Гравитационные процессы разделяют на четыре категории: 1) собственно гравитационные; 2) водно-гравитационные; 3) гравитационно-водные; 4) подводно-гравитационные.

Медленное течение. Этот процесс оплывания почвы имеет место практически на всех склонах. Он проявляется в наклоне изгородей, телеграфных столбов, разрушении и смещении подпорных стенок, искривлении стволов деревьев. Оползание почвы отклоняет деревья вниз по склону («пьяный» лес). Может нарушиться линейность шоссейного и железнодорожного полотна. При этом процессе довольно часто скольжение почвы может происходить под дерном, в целом не нарушая его сплошного покрова. Но в том случае если на дерне находятся валуны, то по мере движения они будут скатываться к подножию склона. Скорость такого скольжения довольно мала. Она обнаруживается только по прошествии некоторого времени. Это зависит от температурных градиентов, обилия атмосферных осадков, угла склона и типа почвы. На залесенных склонах переплетенные корни деревьев замедляют перемещение, а иногда и вовсе прекращают медленное оползание.

В теплом и влажном климате, особенно если поверхность склона глинистая, начинающее медленное скольжение усиливается тем обстоятельством, что во время сухих сезонов глинистая поверхность склона высыхает и сильно растрескивается. Проникающая в трещины вода быстро заполняет влагой подпочвенные слои и заставляет склон медленно стекать вниз. экзогенный выветривание осадконакопление почвообразование

Медленно может перемещаться и блок коренных пород. Это случается тогда, когда данный монолит или блок коренных пород находится на склоне, но его сцепление с нижележащими породами каким-то образом нарушено. По образовавшимся между монолитом и коренными породами трещинам начинает циркулировать вода. По прошествии некоторого времени между монолитом и коренными породами постепенно увеличивается просвет. Монолит перекашивается в соответствии с углом склона. В дальнейшем такой монолит в зависимости от насыщенности поверхности водой может медленно перемещаться вниз по склону.

Медленное течение свойственно и осыпям. Они возникают вследствие медленного перемещения скопившихся на склонах и у подошвы возвышенностей продуктов выветривания. Такие рыхлые осадки носят название делювиальных (от лат. «делюо» -- смываю). Осыпи, сползающие по склонам различной крутизны, имеют разную скорость. Они состоят из различных по размерам обломков неправильной формы, которые образовались от разрушенных скальных пород под влиянием различных агентов выветривания.

В областях с сильными колебаниями температур скорости движения осыпей больше, чем в районах, где суточные перепады температур малы. Самое быстрое перемещение характерно для холодных районов.

В том случае, когда осыпи состоят из очень крупных обломков, их называют курумниками (от тюрк, «курум» -- поток), или каменными потоками (рис. 9.1). Огромные массы каменных глыб в выработанной долине медленно движутся вниз исключительно из-за слабого сцепления с подстилающими породами.

Солифлюкция (от лат. «солум» -- почвы, «флюксус» -- течение) -- медленное пластично-вязкое течение на склонах почв и увлажненных рыхлых масс дисперсных отложений. Особенно часто это явление происходит в тех регионах, где грунт промерзает на значительную глубину. В теплое время года оттаявшая часть грунта начинает сползать по нижележащему мерзлому материалу. Солифлюкция наиболее эффективно развивается в горных районах выше уровня развития древесной растительности и в областях развития многолетне-мерзлых грунтов.

Быстрое течение. Оно наблюдается при большой крутизне склона и значительной насыщенности рыхлого материала водой.

Если блок породы оторвался в верхней части склона, то, скатываясь вниз, он своим весом и возникшим ускорением ударяется о поверхность склона. Ударяясь, блок раскалывается и в месте удара отбивает куски скальной коренной породы. После удара обвалившийся блок распадается на множество осколков. Они или осыпаются по склону, создавая осыпь, или при значительной крутизне склона образуют камнепад.

Наиболее простой формой быстрого течения являются грунтовые потоки. По своей природе грунтовые потоки являются оползнями, но в отличие от настоящих оползней, когда происходит отрыв оползня в его верхней части от грунта, грунтовое течение осуществляется медленно. Такие перемещения грунта могут длиться многие месяцы и даже годы.

Сели, или грязекаменные потоки, по своей природе похожи на солифлюкцию, но перемещаются быстрее. Нередко сели для своего движения используют русла и долины ранее существовавших водотоков.

Лахары хотя и похожи на сели, но отличаются от них своим происхождением. Они возникают на склонах вулканов, которые покрыты слоем пепла, во время сильных грозовых ливней.

Обваливание. Ярким примером гравитационного движения является перемещение обломков горных пород в форме обваливания и осыпания (камнепада). Два условия необходимы для того, чтобы совершился обвал и возник камнепад: 1) потеря обломком породы сцепления с массивом горных пород, слагающим склон; 2) значительный уклон склона. Для того чтобы обломок мог удержать свое положение на склоне, необходимо, чтобы его крутизна не превышала 45°. Этот угол называется угол естественного откоса сыпучих тел.

Собственно гравитационные процессы (см. табл. 9.1) разделяются на три группы: провальные, обвальные, которые характеризуются быстрым перемещением обломочного материала, и медленные, именуемые- крипом.

Провальные образования. Предварительным условием провальных процессов является наличие подземных полостей или пустот, которые возникли вследствие выноса подземными водами минеральных частиц в растворенном или во взвешенном состоянии. Пласты и блоки горных пород, нависающие над пустотами под действием силы тяжести, проваливаются. Непосредственной причиной возникновения провала может служить слабое землетрясение, взрыв или увеличение нагрузки над провалом. Часто провалы происходят над заброшенными подземными горными выработками -- шахтами и штольнями. Размер перемещаемого в провал грунта и его масштабы зависят от глубины расположения подземных пустот и их объемов. На земной поверхности места провалов хорошо видны. На их месте возникают ямы, колодцы, котловины, т.е. отрицательные формы рельефа. Этот тип гравитационных перемещений в силу своих размеров и быстротечности способен нанести большой ущерб и относится к катастрофическим явлениям.

Обвалы. Подобные гравитационные явления развиваются на крутых склонах и обрывах. Недалеко от кромки обрыва и параллельно ему закладывается серия трещин. Под воздействием физического выветривания (при замерзании воды, действии корневой системы растений) трещины расширяются. Лишенный сцепления с коренными породами массивный блок слегка наклоняется в сторону склона и под действием силы тяжести начинает отрываться от материнской породы. Теряя сцепление и под действием собственного веса, блок теряет равновесие и опрокидывается на поверхность склона. От удара о поверхность склона породы, составляющие блок, начинают дробиться и на склоне из его обломков возникает обвальный коллювий. Обваливание происходит многократно, и этот процесс считается многофазовым.

По своим размерам обвалы бывают разными -- объемом от нескольких миллионов до 3 -- 5 млрд м3. Причинами возникновения крупных обвалов могут служить землетрясения. Так, на Памире в 1911г. обвалилась горная порода массой в 8 млрд т. Она обрушилась в долину р.Мугаб и перегородила ее. Возникла плотина высотой 600 м. За плотиной образовалось крупнейшее горное озеро -- Сарезское. Точно такое же происхождение имеет озеро Рида в горах Абхазии. В Крыму в 1894 г. обвалилась часть горы Демерджи длиной около 500 м и шириной около 400 м (рис. 9.2). Обвалившаяся часть образовала плоский конус. Скатившиеся обломки достигли дер. Демерджи, которая находилась у подножия горы, и разрушили несколько домов.

В силу своей большой массы и высокой скорости обвалившаяся масса пород, достигнув подножия склона, не остановилась, а, приобретя инерцию, поднялась по противоположному склону на значительные высоты.

К гравитационным явлениям этой группы также относятся камнепады, когда происходит отрыв и перемещение отдельных камней, и осыпи -- перемещение по склону щебня, гравия и мелких обломков горных пород.