Выветривание. 
Причины и последствия выветривания

Выветривание — разрушение горных пород под воздействием ряда факторов. Приходя в контакт с атмосферой, гидросферой и биосферой, горные породы, ранее находившиеся на глубине, подвергаются изменению своего состояния, нарушению сплошности и, наконец, дезинтеграции, разрушению на мелкие частицы. Выветривание можно разделить на три вида механическое, химическое и биологическое.

Механическое или морозное выветривание, происходит при замерзании воды попавшей в трещины горных пород. Вода, замерзая, превращается в лед, объем которого на 10% больше, и при этом создается давление на стенки, например, трещины, до 200 МПа, что значительно больше прочности большинства горных пород. Такое же расклинивающее действие на породы оказывают кристаллы соли при их росте из раствора. Механическое расклинивающее воздействие на горные породы оказывают корни деревьев и кустарников, которые, увеличиваясь в объеме, создают большое добавочное напряжение на стенки трещины. Даже мелкие грызуны, а также черви, муравьи и термиты оказывают механическое воздействие на горную породу, роя ходы до 1,5 м глубиной.

Химическим выветриванием называется разрушение горных пород под воздействием воды, кислорода, углекислоты и органических кислот, содержащихся в воздухе и воде и воздействующих на поверхность пород, растворяя их. Химические выветривание представлено несколькими основными процессами: растворением, окислением, гидратацией, восстановлением, карбонатизацией, гидролизом.

Растворение играет наиболее важную роль, т.к. связано с воздействием воды, в которой растворены ионы Na, К, Mg, Са, CI, SO, НСО3 и др. Особенно существенны ионы водорода (Н), гидроксильный ион (ОН) и содержание О, СО и органических кислот. Как известно, концентрации ионов Н оценивают в виде рН-логарифма концентрации ионов. При рН = 6 растворимость железа в 100 тыс. раз (!) больше, чем при рН = 8,5. Глинозем — Al2O3, практически нерастворимый при рН от 5 до 9, при рН < 4 прекрасно растворяется. Кремнезем — SiO2 — значительно увеличивает свою растворимость при пере-ходе от кислых растворов с рН 7. Отсюда ясно, какую важную роль играет водородный ион в ускорении процессов химического выветривания, в частности растворения. Хорошо растворяются соли хлористо-водородной и соляной кислот. Так, на 100 частей воды по весу NaCl приходится 36 частей, RC1 — 32, MgCl — 56, CaCl — 67. Карбонаты и сульфаты растворяются хуже, например на 10 тыс. частей воды всего 20 частей CaSO4, или 25 частей CaSO4 +2H2O. Еще хуже растворяются карбонатные породы, известняки, мергели, доломиты. Однако если растворение продолжается длительное время, то возникает большое разнообразие карстовых форм рельефа, включая глубокие, многокилометровые пещеры.

Окисление представляет собой взаимодействие горных пород с кислородом и образование оксидов или гидроксидов, если присутствует вода. Сильнее всего окисляются закисные соединения железа, марганца, никеля, серы, ванадия и других элементов, которые легко соединяются с кислородом.

Легко окисляется такой распространенный минерал, как пирит:

FeS2 + mO2 + nH2O>FeSO4> Fe2 (SO4)3>Fe2O3•nH2O.

Таким образом, на «выходе» после окисления получается такой распространенный минерал, как лимонит, или бурый железняк.

Следы окисления в виде пород, окрашенных в бурый, охристый цвет, наблюдаются везде, где в породах содержатся железистые минералы или их включения.

Восстановление происходит в отсутствие химически связанного кислорода, когда сильным восстановителем является органическое вещество, сформировавшееся в результате отмирания болотной растительности. При этом необходимы анаэробные условия в неподвижной, застойной воде, например в болотах. Восстановительные процессы превращают породы с оксидом железа, окрашенные в бурые, желтые и красноватые цвета, в серые и зеленые. Под торфом иногда возникает глинистая серо-зеленая масса, называемая глеем.

Гидролиз — это довольно сложный процесс, особенно затрагивающий минералы из группы силикатов и алюмосиликатов. Происходит он при взаимодействии ионов Н и ОН с ионами минералов, следовательно, для гидролиза всегда необходима вода. Гидролиз приводит к нарушению первичной кристаллической структуры минерала и возникновению новой структуры уже другого минерала. Наиболее распространенный пример — это гидролиз ортоклаза, одного из полевых шпатов, часто встречающегося в горных породах, особенно в гранитах. Гидролиз в присутствии СО приводит к образованию нерастворимого минерала каолинита и выносу бикарбоната калия и кремнезема.

Примеры реакции гидролиза:

2 KАlSi3O8 + 3H2O + 2CO2 > Al2Si2O5 (OH)4 + H4SiO4 +2KHCO3.

ортоклаз, каолинит кремнекислота бикарбонат калия микроклин СaАl2Si2O8 + 3H2O + 2CO2 > Al2Si2O5 (OH)4 + Са (HCO3)2 + H4SiO4.

аноритт каолинит бикарбонат Сa.

Карбонатизация. Минералы, содержащие ионы Ca, Mg, Na и K вступают в реакцию с природными водами, насыщенными углекислотой. При этом образуется карбонаты и бикарбонаты этих минералов. Такой процесс называется карбонатизацией. Все поверхностные воды содержат углекислый газ, поступающий из атмосферы или из разлагающегося в почве органического вещества. Растворенный углекислый газ реагирует с водой, при этом образуется углекислота:

Н2О + СО2 = Н2 СО3.

Углекислота диссоциирует на ионы водорода (Н⁺) и бикарбоната (НСО3^-) и ионы карбоната (СО3^2-). Поэтому насыщенная углекислой вода растворяет многие минералы легче, чем чистая вода, т. е. является активным агентом выветривания.

Гидратация — это процесс присоединения воды к минералам и образования новых минералов. Самый простой пример — переход ангидрита в гипс.

CaSO4 + 2H2O>CaSO4 • 2H2O.

Объем породы при гидратации увеличивается, что может привести к деформациям отложений.

Биологическое выветривание. Горные породы на своих поверхностях содержат огромное количество микроорганизмов. На 1 г выветрелой породы может приходиться до 1 млн. бактерий. Как только порода начинает выветриваться, на ней сразу же поселяются бактерии и сине-зеленые водоросли, затем лишайники и мхи, которые растворяют и разрушают поверхностный слой породы, и после их отмирания на ней образуются углубления, ямки, борозды, заполненные сухой биомассой отмерших организмов. Наиболее распространены грибные гифы (ветвящиеся тяжи) и микроколонии из округлых клеток. Грибы, как правило, интенсивно окрашены различными пигментами — меланином, каротиноидами, микроспоринами, которые вызывают потемнение трещин и придают поверхности мрамора, например, красновато-бурый, бурый — почти черный — цвет. Еле заметные трещинки на поверхности камней обладают другими экологическими обстановками, нежели обстановки на гладкой поверхности породы. Там больше влаги и меньше света. Поэтому в субаэральных пленках на поверхности камней преобладают микроскопические грибы, гифы которых активно растут, удлиняются и в конце концов покрывают всю поверхность камня. Таким образом, на поверхности горных пород формируются сообщества микроорганизмов, играющие важную роль в процессах выветривания.

Чаще всего перечисленные выше типы выветривания действуют одновременно. Однако под воздействием климата, водного режима, смены суточной и сезонной температур решающим становится какой-нибудь один тип, подчиняющийся климатической зональности. Так, во влажной тропической зоне химическое выветривание благодаря высокой температуре протекает интенсивно, с максимумом выщелачивания. Несколько менее энергично такое же выветривание происходит в таежно-подзолистой зоне. В пустынях, полупустынях и тундре преобладает физическое выветривание, тогда как химическое сходит на нет.