Гипергенез и почвообразование

Процесс разрушения минералов и горных пород на поверхности Земли обычно называют выветриванием, хотя ветер к этому почти никакого отношения не имеет. А. Е. Ферсман в 1922 г. предложил другое название этого процесса — гипергенез. Оно построено из древнегреческих слов «гипер» (сверх) и «генезис» (происхождение).

В настоящее время под выветриванием, или гипергенезом, понимают сумму процессов преобразования твердого вещества земной коры на поверхности суши под влиянием воды, воздуха, колебаний температуры и жизнедеятельности организмов. Сущность этих процессов заключается в перегруппировке атомов и образовании новых, устойчивых к условиям земной поверхности соединений.

Различают два типа выветривания: физическое, или механическое, и химическое.

Физическое выветривание приводит к чисто механическому разрушению пород. Частые изменения температуры, морозное выветривание с образованием морозоустойчивых трещин и солевое растрескивание пород (возникновение трещин под давлением кристаллов образующихся солей) обусловливают разрыхление структуры и распад пород на минеральные зерна.

Химическое выветривание — разрыхление коренных пород под действием кислорода воздуха, диоксида углерода, воды, органических кислот, сопровождающееся изменением их состава.

Часто выделяют еще третий тип выветривания — биологическое (или органогенное). Но этот процесс связан либо с физическим действием (например, давлением корней растений), либо с химическим воздействием (например, воздействием органических кислот, выделяемых корнями растений).

В зависимости от климатической зоны, времени года и местных условий процессы выветривания различных типов протекают с различной интенсивностью. Все магматические минералы, попадая на поверхность Земли, оказываются в неустойчивом состоянии. Наименее устойчивы силикаты, структуру которых образуют изолированные кремнекислородные тетраэдры, соединяющиеся катионами железа и магния. Из них более устойчивы силикаты с одинарными цепочками кремнекислородных тетраэдров (пироксены), затем —с двойными цепочками (роговые обманки), далее —с листовыми структурами (слюды). Железомагниевые слюды (биотиты) менее устойчивы, чем алюминиевые (мусковиты). Устойчивость полевых шпатов, обладающих каркасной структурой, зависит от размера катиона (Са²⁺, К⁺, Na⁺). Устойчивость плагиоклазов постепенно возрастает при переходе от кальциевого представителя к натриевому. Наиболее устойчив кварц, структура которого полностью состоит из кремнекислородных тетраэдров. В целом устойчивость главных породообразующих минералов магматических пород возрастает симбатно с последовательностью их кристаллизации. В процессе гипергенезанаблюдается значительное изменение в структурах силикатных пород, происходит образование глинистых минералов. Так, например, в процессе разрушения полевого шпата (ортоклаза) может образоваться глинистый минерал каолинит:

Элементарная ячейка каолинита несимметрична: один слой состоит из кремнекислородных тетраэдров, другой — из сочетания ионов ОНи А1³⁺. Каждый ион А1³⁺ связан с 4 ионами ОНи двумя атомами кислорода. Координационное число алюминия в этом соединении равно 6. Как видно из рис. 3.2, а, одна поверхность пакета образована атомами кислорода. Между пакетами образуется довольно прочная водородная связь, поэтому каолинит не набухает, и его межплоскостное расстояние стабильно.

В другом распространенном глинистом минерале — монтмориллоните — плоские пакеты трехслойны. Верхний слой, так же, как и нижний, представлен слоями кремнекислородных тетраэдров, между которыми располагаются ионы ОНи А1³⁺ (см. рис. 3.2,5). Формула монтмориллонита (Al2,Mg3)(OH)₂[Si4O10*nH₂0. В отличие от каолинита, пакет монтмориллонита построен симметрично. Между слоями кислородных атомов не возникает водородной связи. Взаимодействие между пакетами слабое, и в межпакетные промежутки легко проникает вода, вызывая набухание, при этом объем монтмориллонита увеличивается в 1,5−2,5 раза.

Необходимо отметить, что в монтмориллоните, так же, как и в каолините, координационное число алюминия равно 6. В то же время в наиболее распространенных глубинных минералах и горных породах основное количество ионов А1³⁺ окружено лишь четырьмя ионами кислорода. Энергия связи А1—О в окружении четырех ионов кислорода приблизительно равна 6700 кДж/моль. При увеличении координационного числа А1³⁺ до шести энергия связи А1−0 возрастает до 7500 кДж/моль. Таким образом, глинистые минералы являются своеобразным аккумулятором солнечной энергии — основного энергетического источника процессов гипергенеза.

Процессы выветривания горных пород происходят и происходили на Земле и до появления живых организмов. В то же время дальнейшее преобразование горных пород, связанное с возникновением почв, всегда протекает только при непосредственном участии живых организмов.

Почвообразованием называется сложный природный процесс перехода горной породы в качественно новое состояние. Этот процесс протекает при взаимодействии минерального вещества земной коры с живыми организмами и продуктами их жизнедеятельности. Причем такое взаимодействие в земных условиях происходит припрямом и косвенном влиянии других факторов внешнем среды. Растительные сообщества извлекают из горных (материнских) пород (в дальнейшем-«из почв») питательные элементы, синтезируют сложные органические соединениябиомассуи возвращают эти соединения в почву в виде отмирающей и опавшей на землю растительной массы корней.

Одним из главных факторов, играющих большую роль в преобразовании этих органических остатков, являются дождевые черви, личинки многочисленных насекомых и микроорганизмы. В процессе питания они измельчают растительную массу, перемещают ее, перемешивая органические и минеральные вещества. Находясь в тесном взаимодействии между собой и с минеральной частью горных пород и почв, живые организмы активно участвуют в малом биологическом круговороте веществ. В результате этого процесса в верхних горизонтах, почвообразующих породах и почвах накапливаются биогенные элементы (азот, углерод, фосфор, сера и др.), происходит образование и дальнейшее развитие почв.