Реферат: выветривание и денудаци (rtf)
ВВЕДЕНИЕ
1. ФИЗИЧЕСКОЕ ВЫВЕТРИВАНИЕ
2. ХИМИЧЕСКОЕ ВЫВЕТРИВАНИЕ
3. РОЛЬ ОРГАНИЧЕСКОГО МИРА В ПРОЦЕССАХ ХИМИЧЕСКОГО ВЫВЕТРИВАНИЯ
Использованная литература
ВВЕДЕНИЕ
Горные породы, слагающие земную кору, подвергаются денудации врезультате их предварительного выветривания. Этот процесс приводит кпоявлению рыхлых (дисперсных) новообразований зоны гипергенеза,существенно отличных по своим физическим свойствам от исходных коренныхпород.
Выветривание это разрушение пород на земной поверхности и ихпревращение в продукты, которые являются более устойчивыми в новыхфизико-химических условиях. Многие породы первоначально образовывалисьпри высоких давлениях и температурах и при отсутствии воды и воздуха.
Б. Б. Полынов выделил четыре стадии выветривания, характеризующие единыйпротекающий во времени непрерывный процесс гипергенеза. Первая стадия характеризуется преобладающей ролью физических факторов выветривания собразованием крупнообломочных и мелкозернистых продуктов механическогораспада массивных горных пород.
В условиях сурового климата и активнойденудации современное выветривание нередко ограничивается этой первойстадией. Вторая стадия характеризуется щелочной реакцией среды за счетизвлечения в раствор оснований при гидролизе минералов. На этой стадииобразуются вторичные минералы в результате окисления, гидратации,гидролиза и карбонатизации первичных минералов.
Среди вторичныхалюмосиликатов на этой стадии преобладают минералы группымонтмориллонита и нонтронит. При относительном избытке в породах кальцияв продуктах выветривания происходит накопление карбоната кальция,нередко образующего корку на обломках массивных пород, Б. Б.
Полыновименует эту стадию обызвесткованной или насыщенной сиаллитной коройвыветривания; наибольшее распространение она имеет в условиях умеренногоклимата при выветривании изверженных и метаморфических пород. В горныхрайонах современные рыхлые образования на склонах часто относятся именнок этому типу.
Третья стадияостаточной ненасыщенной сиаллитной коры выветривания характеризуется дальнейшим выносом из продуктов выветривания щелочных ищелочноземельных элементов, вследствие чего реакция среды становитсякислой. В этой обстановке среди вторичных алюмосиликатов преобладаютгаллуазит и каолинит.
В четвертой стадии образуется остаточная аллитная кора выветривания,характеризуемая накоплением окислов кремния, железа и алюминия. Развитиеее определяется сочетанием активного химического выветривания сзамедленной денудацией в условиях жаркого и влажного климата.
Образование слоя выветрелых пород облегчает денудацию и одновременнозатрудняет дальнейший доступ агентов выветривания к свежим, неизмененнымкоренным породам. Удаление процессами денудации выветрелого слояактивизирует выветривание, что в свою очередь создает условия для усиленденудации.
В итоге между выветриванием и денудацией устанавливаетсяподвижное равновесие, определяющее мощность продуктов выветривания вобласти положительных форм рельефа. Подвижное (динамическое) равновесиене исключает поступательного развития, в силу которого равновессдвигается в ту или иную сторону.
Если преобладающую роль приобретаетденудация, мощность современных продуктов в ветривания для новых условийравновесия уменьшается. При замедленной денудации и, следовательно,более длительно выветривании равновесие будет достигнуто при большихзначениях мощности продуктов выветривания.
Термин выветривание не отражает всей сложности процесса, но широкораспространен в геологической, географической, почвенной литературе. Вкачестве синонима употребляется термин гипергенез, введенный А. Е.Ферсманом. В едином и сложном процессе выветривания условно выделяютсядве основные взаимосвязанные формы: 1) физическое выветривание; 2)химическое выветривание.
Иногда выделяют еще органическое выветривание.Однако роль организмов и их воздействие на горные породы сводятся или кмеханическому разрушению, или химическому разложению. Следовательно,органическое выветривание включается в условно выделенные две формыединого процесса.
1. ФИЗИЧЕСКОЕ ВЫВЕТРИВАНИЕ
Физическое выветривание вызывается разнообразными факторами. Взависимости от природы воздействующего фактора характер разрушениягорных пород при физическом выветривании различен. В одних случаяхпроцесс разрушения происходит внутри самой горной породы без участиявнешнего механически действующего агента.
Сюда относится изменениеобъема составных частей породы, вызываемое колебанием температуры. Такоеявление может быть названо температурным выветриванием. В других случаяхгорные породы разрушаются под механическим воздействием постороннихагентов. Такой процесс может быть условно назван механическимвыветриванием.
Температурное выветривание происходит под воздействием суточных исезонных колебаний температуры, вызывающих неравномерное нагревание иохлаждение горных пород. При этом минеральные зерна, слагающие горныепороды, испытывают то расширение, при повышении температуры, то сжатие,при ее понижении.
Таким образом, в горных породах попеременно возникаютсжимающие и растягивающие усилия. Расширение и сжатие пород болееинтенсивно сказываются в самой приповерхностной части пород. Наибольшемуразрушению в результате температурного выветривания подверженыполиминеральные горные породы, такие, как граниты, габбро, гнейсы и др.
Различные минералы, из которых состоят такие породы, обладаютнеодинаковым коэффициентом объемного расширения, поэтому при изменениитемпературы они испытывают деформации в различной степени. К тому жекоэффициент линейного расширения даже у одного и того же минераламеняется в зависимости от направления в кристалле (проявлениеанизотропии).
В результате длительного воздействия колебаний температуры и различныхкоэффициентов расширения минералов взаимное сцепление отдельныхминеральных зерен в горной породе нарушается, она растрескивается ираспадается на отдельные обломки. На интенсивность температурноговыветривания влияют также окраска горной породы и размеры слагающих ееминеральных зерен.
Температурное выветривание наиболее интенсивно протекает в областях,характеризующихся резкими контрастами температур, особенно суточных,сухостью воздуха и отсутствием или слабым развитием растительногопокрова, смягчающего температурное воздействие на почвы и горные породы.
Особенно интенсивно температурное выветривание в пустынях, гдеколичество выпадающих атмосферных осадков не превышает 200250 мм/год,малая облачность, суточные колебания температуры нередко достигают 4050?С, громадный дефицит влажности.
Относительная влажность летом можетснижаться до 10%, а иногда и ниже. В этих условиях горные породы поддействием солнечных лучей сильно нагреваются до температур, значительнопревышающих температуру воздуха (особенно темноцветные минералы), ночьюже сильно охлаждаются.
Температурное выветривание интенсивно протекает также на вершинах исклонах гор, не покрытых снегом и льдом, где воздух прозрачнее иинсоляция значительно сильнее, чем в прилежащих низменностях. В рядеслучаев температура воздуха днем здесь может достигать 20 30 °С, аночью падает почти до точки замерзания.
Механическое выветривание происходит под механическим воздействиемпосторонних агентов. Особенно большое разрушительное действие оказываетзамерзание воды. Когда вода попадает в трещины и поры горных пород, апотом замерзает, она увеличивается в объеме на 910%, производя при этомогромное давление.
Такая сила преодолевает сопротивление горных пород наразрыв, и они раскалываются на отдельные обломки. Наиболее интенсивноерасклинивающее действие производит замерзающая вода в трещинах горныхпород. Но под влиянием замерзающей воды легко дробятся и породы свысокой пористостью, в которых поровое пространство занимает около 1030%объема (песчаники и другие осадочные породы).
Процессы, связанные своздействием периодически замерзающей воды, часто называют морознымвыветриванием. Оно наблюдается в высоких полярных и субполярных широтах,а также в горных районах выше снеговой линии, где в ряде случаевпроявляется и температурное выветривание.
Такое же механическое воздействие на горные породы оказывают корневаясистема деревьев и роющие животные. По мере разрастания деревьевувеличиваются в размерах их корни. Они давят с большой силой на стенкитрещин и раздвигают их как клинья и тем самым вызывают раскалываниепороды на отдельные глыбы и обломки.
Дезинтеграцию пород вызывает также рост кристаллов в капиллярныхтрещинах и порах. Это хорошо проявляется в условиях сухого климата, гдеднем при сильном нагревании капиллярная вода подтягивается к поверхностии испаряется, а соли, содержащиеся в ней, кристаллизуются.
ХИМИЧЕСКОЕ ВЫВЕТРИВАНИЕ
Разрушению горных пород под влиянием физического выветривания всегда втой или иной степени сопутствует химическое выветривание, а в рядеслучаев последнее играет решающую роль. Это отражает тесную взаимосвязьразличных форм единого процесса выветривания.
Физическая дезинтеграциярезко увеличивает реакционную поверхность выветривающихся пород.Главными факторами химического выветривания являются вода, кислород,углекислота и органические кислоты, под влиянием которых существенноизменяются структура и состав минералов и образуются новые минералы,соответствующие определенным физико-химическим условиям.
Важнейшийфактор химического выветривания вода, которая в той или иной степенидиссоциирована на положительно заряженные водородные ионы (Н ) иотрицательно заряженные гидроксильные ионы (ОН-). Это определяет еевозможность вступать в реакцию с кристаллическим веществом. Высокаяконцентрация водородных ионов в растворах способствует ускорениюпроцессов выветривания.
Особенно возрастает интенсивность химического выветривания, когда вводном растворе присутствуют кислород, углекислота и органическиекислоты, которые обладают большой активностью и во много раз повышаютдиссоциацию воды. В зависимости от реакции среды в процессе выветриваниявозникают те или иные характерные ассоциации минералов.
Наиболееблагоприятные условия для химического выветривания существуют в гумидныхобластях и особенно в тропических и субтропических зонах, где имеетместо сочетание большой влажности, высокой температуры, пышнойрастительности и огромного ежегодного отпада органической массы (втропических лесах), в результате чего значительно возрастаетконцентрация углекислоты и органических кислот, а следовательно,возрастает и концентрация водородных ионов.
Химическое воздействие нагорные породы оказывают находящиеся в воде растворенные ионы, такие, какНСО3. SO-4, С1-, Са , Mg , Na , К . Эти ионы также могут замещать.заряженные атомы в кристаллах или взаимодействовать с ними,. что можетприводить к нарушению первичной кристаллической структуры минералов.
Окисление. Процессы окисления наиболее интенсивно протекают в минералах,содержащих закисные соединения железа, марганца и других элементов. Так,сульфиды в кислой среде становятся неустойчивыми и постепенно замещаютсясульфатами, окислами и гидроокислами. Направленность этого процессаможно схематически изобразить следующим образом:
FeS2 nO2 mH2ОFeSO4Fe2(SO4)3 Fe2O3nH2O.
пирит сульфат сульфат бурый железняк
закиси окиси (лимонит)
железа железа
На первой стадии получаются сульфат закиси железа и серная кислота(1^2804). Наличие серной кислоты значительно усиливает интенсивностьвыветривания, способствует дальнейшему разложению минералов. На второйстадии сульфат закиси железа переходит в сульфат окиси железа.
Последнийв свою очередь оказывается неустойчивым и под действием кислорода и воды-переходит в водную окись железа бурый железняк. Бурый железнякфактически представляет собой сложный минеральный агрегат близких посоставу минералов гётита (FeO·OH) и гидрогётита (FeO·OH·nH2O).
Наповерхности ряда месторождений сульфидных руд и других железосодержащихминералов наблюдается бурожелезняковая шляпа, возникшая в результатеодновременных окисления и гидратации. Местами при недостаточномколичестве влаги образуются бедная водой окись железа, гидрогематит(Fe2O3·H2O).
В результате процессов окисления магнетит переходит вгематит, как это имеет место в районе КМА. Гематит образуется и приокислении таких минералов, как оливин, пироксены, амфиболы, поддействием воды, кислорода и углекислоты. Направленность реакцииследующая:
(Mg, Fe)2[SiO4]Fe2O3 nMg(HCO3)2 mH4SiO4.
оливин гематитрастворимый растворимая
бикарбонат кремнекислота
магния
Дальнейший процесс окисления и гидратации может привести к образованиюгидроокислов железа (Fе2O3nН2O).
Гидратация это процесс, заключающийся в присоединении воды к первичнымминералам горных пород и образовании новых минералов. Можно привестиследующие примеры гидратации: 1. Переход ангидрита в гипс по реакцииСаSO4 2H2OCaSO4-2H2O (реакция обратима при изменении условий). 2.
Растворение. Под влиянием воды, содержащей углекислоту, происходитрастворение горных пород. Растворение особенно интенсивно проявляется восадочных горных породах хлоридных, сульфатных и карбонатных.Наибольшей растворимостью отличаются хлориды: соли натрия, калия и др.
За хлоридами по степени растворимости стоят сульфаты, в частности гипс,за которыми следуют карбонатные породы: известняки, доломиты, мергели. Врезультате растворяющей деятельности поверхностных и подземных вод наповерхности растворимых пород образуются карстовые формы рельефа.
Гидролиз. Сложный процесс гидролиза особенно большое значение имеет привыветривании силикатов и алюмосиликатов. Он заключается в разложенииминералов, выносе отдельных элементов, а также в присоединениигидроксильных ионов и гидратации. В ходе гидролиза первичнаякристаллическая структура минерала нарушается и перестраивается и можетоказаться полностью разрушенной и заменена новой, существенно отличнойот первоначальной и соответствующей вновь образованным гипергеннымминералам.
В ряде случаев гипергенное преобразование силикатов иалюмосиликатов под влиянием воды, углекислоты и органических кислотпротекает стадийно с образованием различных глинистых минералов. Вкачестве примера можно привести схему разложения полевых шпатов (полевойшпатпромежуточный минералкаолинит):
K[AlSi3O8](К, Н20) А12 (ОН)2[A1Si4O10]·nH20A14 (ОН)8[A1Si4O10]
ортоклаз гидрослюда каолинит.
каолинит
При образовании из полевых шпатов каолинита происходит несколькопревращений и реакций: 1. Все катионы К, Na, Са при взаимодействии суглекислотой образуют истинные растворы карбонатов (СаСО3, Na2CО3,К2СОз) и бикарбонатов. В условиях влажного и теплого климата карбонатывыносятся за пределы; места их образования.
2. Каркасная структура полевых шпатов превращается в слоевую,свойственную каолиниту и другим глинистым минералам.
3. Часть растворенного кремнезема выносится водой, что подтверждаетсяналичием в твердом стоке речных вод в среднею около 11% SiO2.Значительная часть выносимого кремнезема быстро переходит вколлоидальное состояние и выпадает в виде аморфного гидратированногоосадка SiO2·nН2O, который при высыхании и частичной потере водыпревращается в опал. Часть SiO2 остается прочно связанной в каолините.
4. Присоединение гидроксильных ионов в каолините. В результатевыветривания магматических и метаморфических горных .пород, богатыхалюмосиликатами (гранитов, гранодиоритов, гнейсов и др.), образуютсяместорождения каолина. Каолинит в условиях земной поверхности достаточноустойчивый минерал.
Но при благоприятных условиях высокой температуре,большом количестве атмосферных осадков и огромном растительномотпадепроисходит дальнейшее разложение и образуются наиболее устойчивыесоединения гидроокислы алюминия, такие, как гиббсит, или гидраргиллят,А10(ОН)зодин из рудоносных минералов основной алюминиевой руды боксита.Иногда гидроокислы алюминия распространены в виде пятен в каолинитах.
При выветривании полиминеральных горных пород наряду с гидроокисламиалюминия на конечных стадиях образуются гидроокислы железа, иногдамарганца, титана. Наибольшая интенсивность химического выветриванияпроявляется в железисто-магнезиальных минералах (оливин, пироксены,амфиболы) и основных плагиоклазах.
3. РОЛЬ ОРГАНИЧЕСКОГО МИРА В ПРОЦЕССАХ ХИМИЧЕСКОГО ВЫВЕТРИВАНИЯ
В сложных процессах химического разложения минералов и горных породвелика роль биосферы. Биогеохимическое воздействие на горные породыначинается уже с первых поселенцев на скальных поверхностях горных породразличных микроорганизмов, лишайников и мхов.
В результате такоговоздействия на скальной поверхности породы после их отмирания появляютсяуглубления, заполненные cyхим органическим веществом (биомасса микробныхи других тел). Все это подготавливает условия для последующего заселенияскал высшими растениями и сопутствующей им фауной.
Роль организмов вхимическом выветривании определяется тем, что они поглощают изразрушаемой породы химические элементы в соответствии со своимибиологическими потребностями (как питательные вещества). К числу такихэлементов относятся Р, S, С1, К, Са, Mg, Na, Sr, В, в меньшей степени Siи Al, Fe и др.
Анализ золы растений показывает, что содержание и соотношение элементовв ней вследствие различной интенсивности их биологического поглощениясущественно иные, чем в исходных породах, В золе содержится в десяткираз больше Р, S, в несколько раз больше К, Са, Mg, а такжемикроэлементов, меньше Si, Al и Fe.
Вместе с тем наличие в золе Si и Alсвидетельствует о том, что уже первичная камнелюбивая растительностьразрушает прочные связи между кремнеземом и глиноземом в кристаллическойрешетке алюмосиликатов. Следует отметить, что организмы участвуют нетолько в разложении первичных минералов и усвоении их элементов, но и впостроении из этих элементов, которые после отмирания и минерализацииорганического вещества сохраняются в виде особых биогенных соединений.
Таким образом, биологический круговорот веществ, свойственный верхнейчасти коры выветривания и особенно почвенного покрова, характеризуетсяопределенной цикличностью и направленностью развития от поглощенияживыми организмами элементов из разрушаемых пород до отмиранияорганизмов, минерализации органических веществ и возврата элементов вокружающую среду в новом качестве.
Таким образом, воздействие органического мира на горные породы сводитсяили к физическому разрушению их, или к химическому разложению. Следуетподчеркнуть условность подразделения процессов выветривания нафизические и химические. Это единые сложно взаимосвязанные процессы,действующие одновременно, особенно в верхнем слое почвы и материнскихпород.
Избирательный характер выветривания. В природных условиях отмечаетсянеравномерность выветривания горных пород. Это связано с различнойстепенью трещиноватости горных пород. По трещиноватым зонам легче всегопроникают вода и другие компоненты атмосферы и протекает интенсивныйпроцесс выветривания в глубину, в результате которого образуютсякрупные, иногда с вертикальными склонами отрицательные формы рельефа (вслучае выноса разрушенных частей).
Использованная литература
1. .Оллиер К. Выветривание: Пер. с англ. М. Недра, 1987.
2. Соловов А. П. Геохимические методы поисков месторождений полезныхископаемых: М. Недра, 1988 г.
3. Якушова А.Ф., Хаин В.Е., Славин В.И. Общая геология: М. МГУ, 1988 г.
