Тема 1.2 Экзогенные процессы.

Экзогенные процессы в отличие от эндогенных протекают в приповерхностных частях земной коры на границе ее с внешними геосферами Земли — атмо-, гидро- и биосферой. Они обеспечиваются энергией, главным образом, за счет внешних источников — лучистой энергии Солнца и за счет сил гравитации. Протекают экзогенные процессы при нормальных значениях температуры и давления по эндотермической схеме, т.е. с поглощением тепла.

В процессе экзогенных геологических процессов происходит изменение минерального и химического состава земной коры. Основными же результатами экзогенных геологических процессов следует считать создание форм рельефа земной поверхности и формирование осадочных горных пород, многие из которых являются полезными ископаемыми и не могут образовываться иным путем.

Характерная особенность экзогенных геологических процессов состоит в том, что, в отличие от большинства эндогенных процессов, они могут подвергаться непосредственному изучению, так как протекают с достаточно высокой скоростью, измеряемой по человеческой, а не по геологической шкале времени. Данная особенность экзогенных геологических процессов чрезвычайно важна, ибо изучение их позволяет понять механизмы их протекания в прошлые геологические эпохи. Это необходимо для историко-геологических реконструкций, которые дают возможность вести поиски и оценивать месторождения полезных ископаемых экзогенного генезиса, значение которых для обеспечения человеческих потребностей трудно переоценить. В качестве примера можно упомянуть твердые горючие ископаемые, минеральные соли, бокситовые руды, россыпи драгоценных металлов и многое другое, необыкновенно важное для человека.

Экзогенные геологические процессы с определенной долей условности делят на четыре большие группы: выветривание, денудация, аккумуляция и диагенез.

Не следует забывать, что именно современные экзогенные геологические процессы, благодаря высокой скорости их протекания, могут наносить значительный ущерб человечеству, ибо обвалы, оползни, селевые потоки, снежные лавины, рост оврагов, размыв берегов рек, озер и морей, заболачивание территорий и многое другое — это зримые результаты современной экзогенной геологической деятельности.

Выветривание

Выветривание горных пород — сложный процесс, в котором принято выделять несколько форм его проявления. Это — физический и химический типы выветривания, которые часто тесно взаимосвязаны и происходят, главным образом, на суше, но могут протекать и на дне водных бассейнов. В понятие   выветривание не входят процессы разрушения горных пород под действием ветра, ибо этот термин происходит от немецкого слова «веттер», что означает погода.

Физическое выветривание

     Процессы физического выветривания приводят к механическому разрушению горных пород — превращению их в разного размера фрагменты, распад на минеральные зерна и их фрагменты под воздействием, главным образом, физических процессов. Следует подчеркнуть, что в процессе физического выветривания химический состав разрушаемых субстанций существенно не изменяется, а происходит измельчение и превращение скальных массивов в глыбы, щебень, дресву, песок и более мелкие по размеру частицы. При этом состав конечных продуктов разрушения целиком зависит от минерального состава, структурных и текстурных особенностей и генезиса горной породы, подвергшейся разрушению.

Основными факторами, приводящими к механическому разрушению горных пород в зоне действия физического выветривания, являются колебание температуры, связанное с изменением режима солнечной активности, расклинивающее воздействие замерзающей в трещинах и порах горных пород воды, а также механическое воздействие кристаллизующихся из нее солей. Кроме того, следует упомянуть разрушительное воздействие на горные породы корневой системы растений и жизнедеятельности разного рода роющих макро- и микроорганизмов. В этой связи, с определенной долей условности, выделяют температурное, морозное и биологическое выветривание, которые неодинаково проявлены в различных регионах Земли.

Одним из важнейших видов физического выветривания является температурное выветривание (инсоляция), связанное с неравномерным нагревом поверхности горных пород солнечными лучами.

Образование трещин в горных породах в значительной мере зависит от их текстурных особенностей — слоистости, сланцеватости и наличия спайности у породообразующих минералов. Следует отметить, что на скорость физического выветривания влияет наличие в породах петрогенетических трещин, иногда именуемых также трещинами первичной отдельности. Эти трещины образуются в результате уменьшения объема магмы при остывании магматических тел и характерны для определенных видов магматических пород. Также отмечаются они и в некоторых видах осадочных пород, возникая в процессе диагенеза при обезвоживании осадков. Как правило, в не затронутых выветриванием скальных массивах трещины отдельности могут быть практически не видимы невооруженным глазом. Однако, при выветривании породы эти трещины легко расширяются, увеличиваются в размерах и способствуют разрушению скального массива, создавая весьма экзотические по форме обломки в виде столбов, шаров, подушек и т.д. Примером может служить столбчатая отдельность базальтов, матрацевидная отдельность гранитов, шаровая отдельность песчаников и др. (рис. 6—7).

Метаморфические породы слоистой и сланцеватой текстур под влиянием температурного выветривания распадаются по плоскостям на плитки, и, в конечном итоге, происходит их расслаивание и разлистовывание. Слоистые толщи обломочных осадочных и пирокластических пород, имеющих различную степень цементации, подвергаются выветриванию неравномерно.

Одни слои в них легко разрушаются, превращаясь в щебень и песок, а другие долго сохраняют свою монолитность.

Легкоразрушающиеся участки скальных массивов этих пород быстро осыпаются, продукты выветривания выносятся агентами денудации – ветром, текучей водой, а поверхность выхода приобретает неровную причудливую форму. Такие скульптурные поверхности выходов горных пород получили

название форм выветривания. Среди них– различные столбы, останцы грибовидной формы, выступы и карнизы, очень часто развитые в районах интенсивного проявления процессов физического выветривания.

 

 

Рис.6 Столбчатая отдельность базальтов, возникшая при физическом выветривании. Курильские острова.

Рис.7 Матрацевидная отдельность в гранитах, проявившаяся в результате физического выветривания. Южный Урал.

Породы массивной текстуры, прогреваясь и остывая за день на относительно небольшую глубину, растрескиваются и отслаиваются по плоскостям, параллельным поверхности выхода породы на дневную поверхность. В результате от скального массива отделяются чешуеподобные фрагменты. Этот процесс получил название десквамации, или шелушения (рис. 8).

Рис. 8 Десквамационное (концентрически-скорлуповатое) выветривание траппов. Восточная Сибирь.

Интенсивность температурного выветривания зависит не только от температурного режима и текстурно-структурных характеристик пород, но и от их минерального состава.

Наиболее интенсивно температурное выветривание протекает в регионах, где происходят частые и контрастные смены температур, как суточных, так и сезонных. Такими областями являются области пустынь, в которых суточная амплитуда колебания температур достигает 50—60 °С, а сезонная может при­ближаться к 100 °С.

Морозное выветривание происходит под действием циклического замерзания и оттаивания воды, находящейся в трещинах и поровых пространствах горных пород при колебаниях температуры около точки замерзания воды, т.е. 0 °С. Увеличение объема воды при ее замерзании — факт, известный любому человеку. В горных породах вода, замерзая и увеличиваясь на 1/11 часть своего объема оказывает давление на стенки трещин с силой до 900 кг/см², разрывая даже весьма прочные, твердые породы. Интенсивность морозного выветривания, с одной стороны зависит, от наличия в горных породах воды, а с другой стороны — от особенностей климата — частого колебания температуры около 0°С.

Наиболее подвержены морозному выветриванию влагоемкие горные породы, обладающие значительным поровым пространством. Это — песчаники, глины, глинисто-терригенные, карбонатно-глинистые породы, а также интенсивно трещиноватые горные породы. Невлагоемкие, массивные, слаботрещиноватые горные породы незначительно подвержены морозному выветриванию. Способность горных пород во влажном состоянии выдерживать многократное замораживание и оттаивание без существенного изменения механической прочности именуется морозостойкостью и является одним из важных показателей качества естественных каменных строительных и      облицовочных материалов.

Как правило, морозоустойчивость магматических и метаморфических пород выше, чем аналогичный показатель осадочных горных пород.

Аналогично раскалывающему воздействию замерзающей воды горные породы могут разрушаться вследствие воздействия растущих кристаллов минералов, кристаллизующихся из минерализованных растворов, содержащихся в горных породах. Следует не забывать, что большинство природных вод являются раствором различных минеральных веществ в воде. Кристаллизуясь из растворов, выполняющих трещины, капилляры, пустоты и поры в горных породах, кристаллы минералов (галит, гипс, кальцит и др.) оказывают давление на стенки этих полостей и разрушают горную породу. Процессы разрушения горных пород в результате кристаллизационного выветривания наиболее характерны для регионов с аридным климатом, т.е. для сухих и жарких областей планеты.

     В заключение отметим, что механическое разрушение горных пород может протекать и под воздействием органической жизни на Земле, в результате чего возникает органогенное вы ветривание. Разного рода растения, сначала низшие (мох, лишайники и т.п.), а потом и высшие (кустарники, деревья), в    процессе своей жизнедеятельности активно разрушают горные породы. Особенно значительна в этом плане роль корневых систем древесной растительности, развивающейся на подготовленной простейшими растениями поверхности горных пород. Расклинивающее действие корней кустарников и деревьев может приводить к разрушению даже очень плотных пород. По сути своей, корни деревьев, увеличиваясь в объеме в процессе роста, действуют как замерзающая вода, оказывают на горные породы значительное давление, что приводит к нарушению сплошности последних.

Химическое выветривание

Под химическим выветриванием понимают процесс глубокого преобразования минералов, слагающих горные породы, под воздействием природных химических реакций. Интенсивность протекания процессов химического выветривания зависит от ряда причин — минерального и химического состава преобразуемых горных пород, их текстурно-структурных особенностей (т.е. особенностей внутреннего строения), климатических условий (главным образом, температуры и влажности), рельефа местности и характера растительности.

Основными факторами выветривания являются кислород воздуха, а также вода с растворенными в ней газами (СО₂, О и т.п.), солями, природными органическими и минеральными кислотами.

В процессе химического выветривания происходит разложение первичных минералов, сопровождающееся серьезным изменением химического состава горных пород в результате протекания обменных реакций, которые приводят к снижению в породах концентраций Са, Na, К, Mn, Si и росту содержания А1 и Fe.

Скорости протекания химического выветривания и степень сохранности его продуктов сильно зависят от климатических условий и рельефа местности.

Среди пород различных генетических типов, слагающих земную кору, наиболее подвержены химическому выветриванию магматические горные породы. Наиболее устойчивы, как правило, осадочные горные породы. Метаморфические горные породы занимают промежуточное положение.

Чем больше органической массы накапливается в зоне выветривания, тем интенсивнее протекают процессы химического преобразования горных пород. Однако весьма велика и роль микроорганизмов — многочисленных бактерий, водорослей, грибов и других его представителей, относящихся по способу питания к «литотрофам» —        «камнеедам», т.е. к организмам, извлекающим пищу из горных пород. Подобного рода представители биосферы в процессе своей жизнедеятельности разлагают минералы горных пород, извлекают из них часть химических элементов (фосфор, кремний, кальций и т.д.), используют их в своем биологическом цикле, часто накапливая в своем теле.

     Химические реакции, приводящие к химическому преобразованию горных пород, протекают с выделением тепла, т.е. по экзотермической схеме и разделяются на несколько групп, важнейшими из которых являются: растворение, окисление, гидратация, гидролиз и восстановление.

     Растворение происходит под действием воды, стекающей по поверхности горных пород, выходящих на дневную поверхность, либо просачивающейся через ее трещины и поры. При этом вода избирательно растворяет некоторые минералы и выносит из породы ряд веществ.

На процессы растворения влияет и температурный режим. Например, скорость растворения карбонатов, в отличие от хлоридов и сульфатов, значительно возрастает с понижением температуры раствора.

  Окисление сопровождается переходом низковалентных (закисных) соединений в высоковалентные (оксидные), что сопровождается присоединением кислорода. Процессы окисления минералов и горных пород захватывают не только поверхностные части земной коры, но и проникают на определенные глубины. Глубина проникновения окислительных процессов зависит от вещественного состава и водопроницаемости горных пород, степени расчлененности рельефа, глубины залегания подземных вод и прочих условий. Основным фактором окисления является кислород атмосферы и особенно кислород, растворенный в воде. Способность атмосферного кислорода растворяться в воде сильно зависит от температурного режима. Растворимость кислорода в воде при О °С почти в два раза выше, чем его растворимость при 25—30 °С. В этой связи окисляющая способность холодных вод значительно выше теплых.

Окислению, в первую очередь, подвержены минералы, содержащие железо, серу, ванадий, марганец, никель, кобальт и другие элементы, легко соединяющиеся с кислородом. В присутствии влаги и при обилии кислорода закиси металлов, входящие в состав горных пород, легко переходят в оксиды.

     Процессы окисления горных пород макроскопически легко распознаются по изменению окраски. В результате окисления железа породы приобретают желто-бурую или красновато-бурую окраску.

В процессе окисления выветрелые породы значительно уменьшаются в объеме по сравнению с первичными, за счет выноса из них легкорастворимых компонентов и летучих новообразований

Очень большое значение процессы окисления могут играть при добыче и хранении углей и сульфидных руд. Как упоминалось ранее, интенсивность химического выветривания возрастает по мере увеличения степени дисперсности материала, причем реакции идут с выделением тепла, т.е. по экзотермической схеме. Поэтому определенные виды углей склонны к самовозгоранию (в результате весьма интенсивного развития процессов окисления) как при складировании, так и при транспортировке. Самовозгораться могут также недоизвлеченные угли в пластах, к которым происходит доступ кислорода по горным выработкам, что может привести к подземным пожарам.

Таким образом, процессы окисления могут усложнять горнопромышленную деятельность человека. Изучение условий протекания природных процессов растворения и окисления минералов позволили создать ряд новых горно-технологических методов разработки месторождений полезных ископаемых,   получивших название «подземное выщелачивание». Оно с успехом использовалось для добычи урана из бедных и убогих руд, извлечение которых из недр и переработка по традиционным схемам были не рентабельны в связи с низкими концентрациями полезного компонента.

Гидратация — процесс преобразования внутреннего строения минерала в связи с присоединением к нему молекул воды. Гидратация вызвана воздействием на минералы материнской породы воды в жидком и газообразном состояниях. Например, ангидрит (CaS0₄) в процессе гидратации превращается в гипс (CaS0₄ • 2Н₂0), гематит (Fe₂0₃) — в гидрогематит (Fe₂0 • nН₂0). Непременным условием прохождения процессов гидратации является высокая влажность. Если в процессе гидратации не происходит выноса каких-либо легкорастворимых компонентов, то она сопровождается значительным увеличением объема. Так, в процессе гидратации ангидрита и превращения его в гипс объем новообразования почти на треть превышает объем преобразуемой породы. Возрастание объемов гидратируемых минералов приводит к возникновению внутренних напряжений в породе, которые могут нарушить условия первич­ного залегания горных пород (соляно-купольная тектоника).

Гидролиз — процесс разрушения и перестройки кристаллических решеток минералов под воздействием воды. При этом минерал распадается на отдельные комплексные ионы и радикалы и, с одной стороны, наблюдается вынос хорошо растворимых соединений сильных оснований (щелочных и щелочно­земельных элементов), а с другой — присоединение гидроксильных ионов, что приводит к образованию малорастворимых в новых условиях продуктов разложения первичных минералов. Именно с гидролизом связано химическое разложение и преобразование очень устойчивых минералов — силикатов и алюмосиликатов, являющихся наиболее распространенными минералами земной коры. Выветривание силикатов можно проиллюстрировать на примере полевых шпатов, которые являются главными породообразующими минералами кислых магматических горных пород, в частности, калиевого полевого шпата. Представив минерал в виде суммы оксидов слагающих его химических элементов, в присутствии углекислого газа и достаточного количества воды получим следующую реакцию:

К₂0 • А1₂0₃ • 6Si0₂ + С0₂ +ЗН₂0 =К₂С0₃ +Al₂0_3*2Si0₂ *2H₂0 + 4SiO_{2 *} nH₂0.

Таким образом, в условиях одного климата калиевый полевой шпат преобразуется в каолинит, в условиях другого — в боксит. Как известно, полевые шпаты являются главной составной частью многих магматических и метаморфических горных пород. Их количество составляет около 50 % всех минералов, участвующих в строении земной коры. Отсюда ясно колоссальное значение приведенных реакций гидролиза, в результате которых образуются высокоценное минеральное сырье — каолинит и наиболее ценная и технологичная алюминиевая руда — боксит. Степень интенсивности протекания реакции гидролиза зависит от многих причин, в том числе и от рельефа местности. В условиях расчлененного рельефа, как правило, формируются каолиновые коры выветривания, а в условиях равнинного рельефа — скопления бокситов.

Восстановление — процесс, обратный окислению, и заключается в потере веществом части или всего содержащегося в нем химически связанного кислорода. Понятно, что в условиях земной поверхности обилие кислорода в атмосфере и в водных растворах препятствует восстановлению.         Восстановление может проявляться только там, где по каким-либо причинам свободный кислород отсутствует. Подобного рода обстановки реализуются в условиях болот, в которых за счет отмирания растительности содержится большое количество органических веществ.

Они служат мощными восстановителями, так как легко соединяются с кислородом при своем разложении. При этом используется не только весь растворенный в воде кислород, но и часть кислорода, химически связанного в минералах, слагающих горные породы. В результате, например, трехвалентное железо переходит в двухвалентное, гидраты которого имеют зеленоватый цвет. Возникает серо-зеленая или сизая глинистая масса, называемая в почвоведении глеем и подстилающая обычно торфяные залежи.

         

 

12345678910Следующая ⇒

Поделиться: