Геологические процессы. Выветривание План лекции 1. Источники энергии геологических процессов и геологический круговорот. 2. Физическое выветривание 3. Химическое выветривание 4. Биологическое выветривание 5. Кора выветривания Вопрос 1 Геологические процессы – это сложные изменения и преобразования вещественного состава земной коры и ее строения. Источники энергии геологических процессов: теплота, выделяемая Землей при распаде радиоктивных изотопов; гравитационная дифференциация вещества Земли; вращение Земли вокруг своей оси; теплота от Солнца. По источнику энергии все геологические процессы подразделяют на эндогенные (за счет энергии, выделяемой самой Землей) и экзогенные (источник энергии за пределами Земли). К эндогенным (внутренним) процессам относятся: магнетизм, метаморфизм, вулканизм, движения земной коры (землетрясения и горообразование). К экзогенным – выветривание, деятельность атмосферных и поверхностных вод, ледников, подземных вод, морей и океанов, животных и растительных организмов. Все горные породы под воздействием целого ряда факторов постепенно разрушаются – выветриваются. Образовавшиеся мелкие обломки – дресва, песок, глина смываются дождем, водными потоками, т. е. перемещаются. Этот процесс называется денудацией. В дальнейшем весь рыхлый материал где-нибудь накапливается – происходит его аккумуляция. Взаимодействие внутренних и внешних процессов объединяет большой геологический круговорот веществ. В результате действия эндогенных процессов образуются крупные формы рельефа земной поверхности: горные системы, возвышенности, низменности, океанические впадины. Под действием экзогенных процессов происходит разрушение магматических горных пород, перемещение продуктов разрушения в реки, моря и океаны и формирование осадочных пород. В результате движений земной коры осадочные горные породы погружаются в глубокие слои, подвергаются процессам метаморфизма и образуются метаморфические породы. Метаморфические породы при погружении в более глубокие слои могут переходить в расплавленное состояние (магматизация), а затем в результате вулканической деятельности поступать в верхние слои литосферы или на ее поверхность в виде магматических пород. Таким образом, происходит образование основных групп почвообразующих пород и различных форм рельефа. Геологический круговорот Вопрос 2 ВЫВЕТРИВАНИЕ — совокупность физических, химических и биохимических процессов разрушения и превращения горных пород: магматических, осадочных или метаморфических, а также слагающих их минералов в приповерхностной части земной коры под влиянием механического и химического воздействия атмосферы, грунтовых и поверхностных вод и живых организмов, а также удаления части продуктов этого разрушения. Процессы выветривания приводят к механическому разрушению и химическому разложению пород и минералов АГЕНТАМИ ВЫВЕТРИВАНИЯ являются: вода и ветер, колебания температуры вблизи поверхности, кислород и углекислота воздуха, а также жизнедеятельность организмов ИНТЕНСИВНОСТЬ ВЫВЕТРИВАНИЯ зависит от климата, рельефа местности, химического состава пород и минералов Различают физическое, химическое и биологическое выветривание ВЫВЕТРИВАНИЕ Физическое Химическое Биологическое ВЫВЕТРИВАНИЕ ФИЗИЧЕСКОЕ — выветривание, ведущее к механическому распаду горной породы, проявляемого, в частности, в дезинтеграции и десквамации последней Физическое выветривание - это механическое разрушение горных пород на обломки различной величины без изменения химического состава ДЕЗИНТЕГРАЦИЯ (от дез + лат. integer – целый) — (в почвоведении) физическое дробление, физическое выветривание минеральной части почв ДЕСКВАМАЦИЯ (от лат. desquamare — снимать чешую) — (в геологии) отслаивание вещества горных пород чешуйками под влиянием резких колебаний температуры Во время физического выветривания наибольшее значение имеет температурное выветривание, которое связано с суточными и сезонными колебаниями температуры, что вызывает то нагревание, то охлаждение поверхностной части горных пород Вследствие резкого различия теплопроводности, коэффициентов теплового расширения и сжатия, а также анизотропии тепловых свойств минералов, слагающих горные породы, возникают определенные напряжения Появление внутренних термонапряжений за счёт различного теплового расширения отдельных минералов и, соответственно, пород приводит к появлению термоупругих трещин Главный фактор физического выветривания – колебание суточных и сезонных температур. При нагревании происходит расширение минералов, входящих в горные породы. При чередовании нагревания и охлаждения между кристаллами образуются трещины. Проникая в мелкие трещины, вода создает такое капиллярное давление, при котором даже самые твердые породы разрушаются (морозное выветривание). При замерзании вода увеличивает эти трещины. В результате раздробления массивных пород сильно увеличивается общая поверхность, с которой соприкасаются вода и газы. Это обуславливает протекание химических процессов (температурное выветривание) Температурное выветривание ярче всего проявляется в условиях жаркого климата, особенно в пустынях, где велики перепады дневных и ночных температур, достигающие 50°С Морозное выветривание свойственно полярным и субполярным областям, а также высокогорьям, для которых характерны развалы обломков горных пород Вопрос 3 ВЫВЕТРИВАНИЕ ХИМИЧЕСКОЕ — выветривание, при котором изменяется химический состав горной породы с образованием минералов более стойких в условиях земной поверхности Химическое выветривание горных пород осуществляется под воздействием воды, кислорода, углекислоты и органических кислот Химические выветривание представлено несколькими основными типами процессами: растворением, гидратацией, гидролизом, карбонатизацией, окислением Химическое выветривание Растворение твердых тел – гетерогенное физикохимическое взаимодействие твердого тела и жидкости, сопровождающееся переходом твердой фазы в раствор Растворение — переход молекул вещества из одной фазы в другую (раствор, растворенное состояние) Происходит в результате взаимодействия атомов (молекул) растворителя и растворённого вещества и сопровождается увеличением энтропии При растворении межфазная граница исчезает, при этом многие физические свойства раствора (например, плотность, вязкость, иногда цвет, и другие) меняются. Растворяющее действие воды усиливается с повышением температуры. Если в воде содержится СО2, то в кислой среде минералы разрушаются быстрее. Растворы образуются путем взаимодействия частиц растворенного вещества с частицами растворителя Схема процесса растворения в воде кристалла поваренной соли. а – отрицательно заряженные ионы хлора (в углах кристаллической решетки) притягивают положительно заряженные части полярной молекулы воды, а положительно заряженные ионы натрия — отрицательно заряженные части молекулы воды; б – образование вокруг находящихся в растворе ионов натрия и хлора гидратной оболочки из полярных молекул воды Растворение горных пород связано с воздействием воды, в которой растворены ионы Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Cl–, SO42–, HCO3–. Особенно существенны ионы водорода (Н+), гидроксильный ион (ОН–) Химическое растворение горных пород водой называется коррозией. Коррозия (от лат. corrodere – разъедать, разрушать) – разрушение материалов под влиянием окружающей среды в результате ее химического или электрохимического воздействия. На растворение минералов, горных пород сильное влияние оказывают климат, гидродинамика, химизм вод. Примеры растворения минералов Шеелит Дымчатый кварц Топаз Примеры растворения горных пород (гранита) Гидратация – присоединение воды к молекулам, атомам или ионам. Оторванные от кристалла заряженные ионы окружаются молекулами воды и образуют вокруг иона твердого вещества гидратную оболочку. Иногда она сохраняется даже в том случае, когда твердое вещество выпадает из насыщенного раствора в осадок. Например, выпадающий из раствора при его пересыщении сульфат кальция (Ca[SO4]) захватывает воду (называемую кристаллизационной) и становится гипсом (Са [SO4]·2Н2О). Процесс может идти и в обратную сторону. Аналогичное происходит и с гематитом (железным блеском Fe2О3), переходящим при гидратации в лимонит (бурый железняк HFeО2·nH2О, где n достигает 4) и т. п. При гидротации происходит разрыхление поверхности минералов, что усиливает воздействие на них водных растворов и газов. Примеры гидратации Fe2O3 + nН2O гематит Fe2О3·nН2О гидрогематит FeSO4 + 7H2O FeSO4·7H2O сульфат железа закисного CuSO4 + 7H2O сульфат меди → FeOOH гётит меланотерит (железный купорос) CuSO4·7H2O бутит Гидролиз – реакция ионного обмена между различными веществами (в т. ч. минералами) и водой В результате гидролиза алюмосиликатов, в частности полевых шпатов, происходит образование глинистых минералов, например, каолинита 4К[AlSi3O8] + 4H2O + 2CO2 Al4[Si4O10](OH)8 + 2K2CO3 + 8SiO2 Ортоклаз 2Ca[Al2Si2O8] + 4H2O + 2CO2 Плагиоклаз Каолинит Поташ Кварц Al4[Si4O10](OH)8 + 2CaCO3 Каолинит Трансформация полевых шпатов в каолинит называется каолинитизацией Кальцит В условиях жаркого климата возможно преобразование каолинита в гидроксиды алюминия и кремния — боксит и опал Al4[Si4O10](OH)8 Каолинит 2Al2O3·nH2O + 4SiO2·nH2O Боксит Опал Гидролизное разрушение каолинита на боксит и опал называется латеритным выветриванием. Гидролиз минералов может сопровождаться образованием карбонатов 4Mg2[SiO4] + 4H2O +2CO2 оливин Mg6[Si4O10](OH)8 + 2Mg[CO3] серпентин магнезит Образование карбонатов при гидролизе называется карбонатизацией. Окисление (при наличии свободного кислорода) – процесс, связанный с действием кислорода на минералы, содержащие закисное железо или другие способные к окислению элементы: 4Fe3O4 + O2 Магнетит FeS2 + 3O2 + 2H2O Пирит (серный колчедан) CuFeS2 + Халькопирит (медный колчедан) 6Fe2O3 Гематит FeSO4 + H2SO4 Сульфат Серная железа кислота закисного 2Fe2(SO4)3 5FeSO4 + CuSO4 + S Сульфат Сульфат Сульфат Сера железа железа меди окисного закисного Вопрос 4 ВЫВЕТРИВАНИЕ БИОЛОГИЧЕСКОЕ — трансформация горной породы под влиянием жизнедеятельности организмов По воздействию на горные породы и минералы может быть механическим (физическим) и химическим Механическое биологическое выветривание: 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. Земляные черви способны переработать до 5 т почвы на 1 га за 1 год. При этом поверхностные слои почвы обогащаются гумусом. Улитки высверливают глубокие ходы в карбонатных породах, а муравьи роют неглубокие, но многочисленные ходы, разрыхляя почву и способствуя проникновению в нее воздуха Химическое биологическое выветривание Биота, поселившаяся на поверхности горных пород, извлекает из нее необходимые для жизни химические элементы – Р, S, K, Ca, Mg, Na, B, Sr, Fe, Si, Al и др., что подтверждается их большим содержанием в золе растений, выросших на горных породах. Даже Si извлекаются из кристаллических решеток алюмосиликатов. Следовательно, организмы участвуют в разложении минералов. Однако, они и возвращают новые химические элементы в геологическую среду. Тем самым происходит круговорот веществ, обусловленный активностью биоты. В процессах химического выветривания организмы участвуют и косвенным путем выделяя, например, кислород при фотосинтезе, образуя СО2 при отмирании растений, провоцируя образование весьма агрессивных органических кислот, которые резко усиливают растворение и гидролиз минералов. Такое воздействие наиболее интенсивно происходит во влажном, тропическом климате, в густых болотистых лесах, в которых опад (отмершие растения, листья и др.) составляет почти 260 ц/га. Вода в подобных джунглях обладает кислой реакцией и активно растворяет горные породы, нарушая связи в кристаллической решетке минералов Живые организмы могут участвовать в различных окислительно-восстановительных реакциях Fe2O3·nH2O + [С] Гидроксиды железа Fе[СО3] Сидерит 4FeSO4 + O2 + 2H2SO4 2Fe2(SO4)3 + 2H2O Thiobacillus ferrooxidans CaSO4 + 2[C] + H2O H2S + CO2 + CaCO3 Desulfovibrio desulfuricans 2H2S + O2 2H2O + 2S Thiobacillus thioparus 2S + 2H2O + 3O2 2H2SO4 Thiobacillus thiooxidans Биологическое выветривание – это механическое разрушение и химическое изменение горной породы под воздействием организмов и продуктов их жизнедеятельности. Этот вид выветривания связан с почвообразованием. При физическом и химическом выветривании происходит только разрушение и превращение магматическихгорных пород в осадочные, а при биологическом выветривании образуется почва и в ней накапливаются элементы питания растений и органическое вещество. В почвообразовательном процессе участвуют бактерии, грибы, актиномицеты, зеленые растения, животные. Таким образом, под влиянием физического, химического, биологического выверивания горных пород, разрушаясь, обогащаются мелкоземом, глинистыми и коллоидными частицами, приобретают влагоемкость, поглотительную способность, становятся водо- и воздухопроницаемыми, накапливаются элементы питания растений и органическое вещество. Это приводит к возникновению существенного свойства почвы – плодородия, которого не имеют горные породы. Вопрос 5 Б. Б. Полыновым и П. И. Гинзбургом были выделены четыре стадии процесса выветривания магматических пород обломочная, в которой гипергенное преобразование сводится к дроблению, механическому разрушению породы до обломочного материала; сиаллитная (термин происходит от сочетания Si и А1), когда происходит извлечение щелочных и щелочноземельных элементов, главным образом Са и Na, которые образуют пленки и конкреции кальцита, поэтому эта стадия называется также обызвесткованной; кислая сиаллитная, в которой происходят глубокие изменения кристаллохимической структуры силикатов с образованием глинистых минералов (монтмориллонита, нонтронита, каолинита); аллитная (термин происходит от сочетания Si и Al), когда кора выветривания обогащается оксидами железа, а при наличии определенного состава исходных пород — оксидами алюминия Схема полного профиля коры выветривания в тропической лесной области: 1 – неизменённая порода, 2 – дезинтегрированная зона, 3 – гидрослюдистомонтмориллонитовобейделитовая зона, 4 – каолинитовая зона, 5 – гиббсит-гематитгётитовая зона Кора выветривания — верхний слой земной коры, состоящий из рыхлых продуктов, образовавшихся в результате выветривания, почвообразования и переотложения горных пород Общий процесс формирования кор выветривания весьма сложен, зависит от сочетания многих факторов и представляет собой несколько взаимосвязанных явлений: 1) разрушение и химическое разложение горных пород с образованием продуктов выветривания; 2) частичный вынос и перераспределение продуктов выветривания; 3) синтез новых минералов в результате взаимодействия продуктов выветривания в ходе их миграции; 4) метасоматическое замещение минералов материнских пород (метаморфическое с изменением химического состава) Процессы выветривания всегда в той или иной мере предшествуют и зачастую одновременно протекают с процессами почвообразования
