Выветривание и рельефообразование

Каждый рельефообразующий процесс — это прежде всего процесс динамики вещества, слагающего литосферу Земли. В отличие от эндогенных агентов, способных перемещать целые блоки земной коры, экзогенные агенты чаще осуществляют этот процесс при непременном условии дезинтеграции или химического изменения горных пород¹. Совокупность процессов разрушения и химического изменения горных пород в условиях земной поверхности или вблизи нее под воздействием атмосферы, воды и организмов называется выветриванием^[1][2]. По существу, выветривание является начальным этапом любого экзогенного процесса.

В зависимости от факторов, воздействующих на горные породы, и результатов воздействия процессы выветривания подразделяются на два типа — физическое и химическое выветривание. Оба типа выветривания тесно связаны друг с другом, действуют совместно, и только интенсивность проявления каждого из них, определяемая рядом факторов (климатом, составом пород, рельефом и др.), в разных местах неодинакова.

Иногда выделяют еще один тип выветривания — органогенное, связанное с воздействием на горные породы растительных и животных организмов. Однако выделять органогенное выветривание в самостоятельный тип, по-видимому, нет необходимости, так как воздействие организмов на горные породы всегда можно свести к процессам физического или химического выветривания.

Физическое выветривание. Физическим выветриванием называется дезинтеграция горной породы, не сопровождающаяся химическими изменениями ее состава. В зависимости от главного действующего фактора и характера разрушения горных пород физическое выветривание делят на температурное и механическое.

Температурное выветривание происходит без участия внешнего механического воздействия и вызывается изменением температуры. Интенсивность температурного выветривания зависит от состава породы, ее строения (текстуры и структуры), а также от окраски, трещиноватости и других факторов. Большое значение при температурном выветривании имеют амплитуда и особенно скорость изменения температуры. Поэтому при выветривании ее суточные колебания играют большую роль, чем сезонные.

Температурное выветривание наблюдается во всех климатических зонах, но наиболее интенсивно оно протекает в областях, характеризующихся резкими контрастами температур, сухостью воздуха, отсутствием или слабым развитием растительного покрова. Такими областями, прежде всего, являются тропические и внетропические пустыни. Интенсивно температурное выветривание протекает также на крутых склонах высоких гор, особенно на склонах южной экспозиции (рис. 12.1).

Рис. 12.1. Разрушенные в результате физического (температурного) выветривания базальты. Сирийская пустыня (по 3. Кукалу, 1983).

Механическое выветривание происходит под воздействием таких факторов, как замерзание воды в трещинах и порах горных пород, кристаллизация солей при испарении воды, т. е. оно тесно связано с температурным выветриванием. Особенно сильный и быстрый механический разрушитель горных пород — вода. При ее замерзании в трещинах и порах горных пород возникает огромное давление, в результате которого порода распадается на обломки. Это явление часто называют морозным выветриванием. Предпосылками морозного выветривания служат трещиноватость горных пород, наличие воды и соответствующие температурные условия. Следует отметить, что интенсивность морозного выветривания определяется не амплитудой, а частотой колебания температуры около точки замерзания воды, т. е. около 0 °C. Вследствие этого наиболее интенсивно морозное выветривание протекает в полярных странах, а также в горных районах, преимущественно выше снеговой границы.

Раздробляющее действие кристаллизующихся солей ярче проявляется в условиях жаркого, сухого климата, где днем при сильном нагревании солнцем влага, находящаяся в капиллярных трещинах, подтягивается к поверхности и соли, содержащиеся в ней, кристаллизуются. Под давлением растущих кристаллов трещины расширяются. В конечном счете это приводит к нарушению монолитности горных пород, к их разрушению. Разрушению горных пород способствуют намокание и высыхание (этот фактор особенно важен для глин, суглинков, мергелей), а также физическое воздействие организмов (корней растений, землероев, камнеточцев).

В результате физического выветривания компактные породы распадаются на остроугольные обломки различной формы и разных размеров, т. е. образуется материал, из которого формируются осадочные обломочные породы — глыбы, щебень, дресва, песок. По мере дробления горных пород интенсивность физического выветривания ослабевает, и создаются все более благоприятные условия для химического выветривания.

Химическое выветривание. Химическое выветривание — результат взаимодействия горных пород внешней части литосферы с химически активными элементами атмосферы, гидросферы и биосферы. Наибольшей химической активностью обладают, как известно, кислород, углекислый газ, вода и органические кислоты. С воздействием этих веществ на горные породы и связано в основном химическое выветривание, сущность которого заключается в коренном изменении минералов и горных пород и образовании новых минералов и пород, отличающихся от первоначальных.

Изменение исходных минералов и горных пород, их разрушение и разрыхление (наблюдаемое, правда, не всегда) происходят в результате:

• • растворения (связанного с водой, в которой всегда есть большая группа ионов, в том числе «агрессивного» иона Н+),
• • окисления (взаимодействия с кислородом): FeS₂ [пирит] + п0₂ + + тН₂0 —" Fe₂0₃ • п2Н₂0 [лимонит],
• • гидратации (процесс присоединения воды к минералам): CaS0₄ [ангидрит] + 2Н₂0 —> CaS0₄ • 2Н₂0 [гипс],
• • гидролиза (сложный процесс, особенно затрагивающий минералы из группы силикатов): K[AlSi₃0₈] [ортоклаз] + пС0₂ + тН₂0 —> —"Al₄(OH)₈[Si₄O_l0] [каолинит] + Si0₂ • пН₂0 [опал] + К₂С0₃ [поташ] —" —> составная часть боксита А1₂0₃ • пН₂0 + растворимые соли карбонатов; при выветривании железомагнезиальных силикатов образуется еще и лимонит — Fe₂0₃ • пН₂0.

Как очевидно из вышесказанного, в результате химического выветривания минералы, образовавшиеся внутри Земли в условиях недостатка воды и кислорода (сульфиды, оксиды, силикаты), попадая в область гипергенеза, превращаются в сульфаты, карбонаты, гидроксиды, т. е. в минералы, устойчивые в этих новых условиях.

Химическое выветривание наблюдается повсеместно. Однако наиболее интенсивно оно протекает в областях с влажным климатом и хорошо развитым растительным покровом. Интенсивность процесса резко возрастает с повышением температуры, так как при этом усиливается диссоциация воды на ионы Н⁺ и ОН^-. Поэтому химическое выветривание достигает максимальной интенсивности в зоне влажных тропических лесов, где кроме высокой температуры этому процессу способствуют еще органические кислоты, образующиеся при разложении богатого растительного опада.

Химическое выветривание резко замедляется в полярных областях, где среднегодовая температура ниже 0 °C. Оно ослаблено в аридных тропических и субтропических областях из-за малого количества осадков.

Выветривание (физическое и химическое) ведет к образованию своеобразного генетического типа отложений — элювия (от лат. eluo — вымываю). Формируется элювий на горизонтальных поверхностях или на пологих склонах, где слабо протекают процессы денудации.

Коры выветривания. Сохранившуюся от древних эпох совокупность остаточных (несмещенных) продуктов выветривания (элювия) называют корой выветривания. Существует несколько классификаций кор выветривания. Большинство авторов выделяют следующие типы кор: 1) обломочная, состоящая из химически неизмененных или слабо измененных обломков исходной породы; 2) гидрослюдистая кора, характеризующаяся слабыми химическими изменениями коренной породы, но уже содержащая глинистые минералы — гидрослюды, образующиеся за счет изменения полевых шпатов и слюд; 3) монтмориллонитовая кора, отличающаяся глубокими химическими изменениями первичных минералов; главный глинистый минерал в ней монтмориллонит; 4) каолинитовая кора; 5) красноземная, 6) латеритная. Последние два типа коры представляют собой результат длительного и интенсивного выветривания с полным изменением первичного состава исходных пород.

Каждый из выделенных типов кор выветривания формируется в определенной природной обстановке, т. е. имеет зональный характер. Обломочные коры преобладают в полярных и высокогорных областях, а также в каменистых пустынях низких широт. Гидрослюдистые коры характерны для холодных и умеренных областей с вечной мерзлотой. Монтмориллонитовая кора образуется в степных и полупустынных областях, каолинитовая и красноземная наиболее характерны для субтропиков и, наконец, латеритная кора формируется при наиболее активном химическом выветривании в условиях жаркого и влажного экваториального климата. Это «свойство» кор выветривания широко используется при палеогеографических реконструкциях. Характер кор выветривания зависит также от состава горных пород, на которых они образуются, от возраста кор выветривания и стадии их развития.

Выветривание само по себе не образует каких-либо специфических форм рельефа, но в результате взаимодействия с другими экзогенными процессами возникают своеобразные формы рельефа, зависящие как от характера процессов выветривания, так и от состава и свойств горных пород, подвергающихся выветриванию. Например, базальты при выветривании приобретают столбчатую отдельность, граниты — плитообразную, диабазы — шаровую и т. д. (рис. 12.2). Неоднородность пород и различная их устойчивость по отношению к различным видам выветривания ведет к образованию разнообразных, порой весьма причудливых, форм рельефа (рис. 12.3).

Рис. 12.2. Столбчатая отдельность базальта (А), плитчатая отдельность гранита (Б) (по И. С. Щукину, I960).

Рис. 12.3. А. Песчаниковые идолы — результат совокупного воздействия выветривания и эрозии (Чехия, Судеты). 5. «Профиль А. С. Пушкина» — результат селективного выветривания сарматских известняков на склоне г. Изберг (Дагестан. Фото Г. И. Рычагова) Однако главная роль выветривания заключается в том, что, будучи самым постоянным и мощным фактором дезинтеграции и химического изменения горных пород, оно готовит материал, который становится доступным для перемещения другими экзогенными агентами. Продукты разрушения перемещаются на более низкие гипсометрические уровни под влиянием различных геоморфологических агентов. Именно в этом аспекте роль выветривания как фактора рельефообразования огромна.

В некоторых случаях в процессе выветривания происходит не разрыхление, а цементация рыхлых пород. Так, в условиях жаркого и сухого климата наблюдается цементация рыхлых поверхностных образований углекислой известью или гипсом. В областях с несколько большим количеством осадков преобладает известковый цемент, с увеличением аридности климата углекислая известь заменяется гипсом. Мощность известково-гипсовых кор достигает 2 м.

Еще более мощные коры образуются в условиях тропического климата с четко выраженными сухим и влажным сезонами года. Здесь коры образуются за счет цементации оксидами железа, реже — алюминия. Подобные коры выполняют роль бронирующего пласта (кирасы), предохраняющего нижележащие рыхлые образования от эрозии и дефляции. В некоторых случаях наличие мощных железистых кор способствует образованию плосковершинных (столовых) возвышенностей или инверсионных форм рельефа (рис. 12.4).

Рис. 12.4. Плосковершинные останцы, бронированные латеритными панцирями. (Уганда, по В. В. Добровольскому):

1 —латеритные панцири разных уровней (А, В, С); 2 — красноцветные покровные отложения; 3 — кристаллические породы; 4 — аллювиальные отложения Неперемещенные, остаточные коры выветривания могут «фиксировать» ранее сформированные выровненные денудационные поверхности. Изучение этих кор позволяет восстанавливать палеогеографическую обстановку их формирования, определять время «фиксации» денудационного рельефа, широко использовать геоморфологические методы для поиска ряда ценных полезных ископаемых (бокситов, железных, никелевых и кобальтовых руд, россыпей цветных металлов и др.), связанных с корами выветривания.

• [1] Дезинтеграция горных пород — распадение их на обломки разных размеров безизменения состава.
• [2] Чтобы не путать термин «выветривание» с деятельностью ветра, А. А. Ферсманпредложил процесс преобразования горных пород и минералов на или вблизи поверхности Земли называть «гипергенезом» (от греч. hyper — над, поверх и genesis — рождение, образование).