Сущность процесса выветривания горных пород. Физическое выветривание
В приповерхностной части земной коры горные породы находятся в условиях тесного взаимодействия с атмосферой, гидросферой и биосферой и претерпевают разрушение и изменения в своем составе и состоянии. Большинство горных пород, слагающих земную кору, образовалось на некоторой, иногда значительной глубине. Оказываясь в наружной, приповерхностной части земной коры, они попадают в совершенно иные физико-химические условия и под влиянием различных факторов начинают разрушаться, подвергаться выветриванию — наиболее универсальному и важному процессу внешней геодинамики.
Выветриванию способствует различного происхождения тре-щиноватость горных пород. В осадочных горных породах это трещины напластования, отделяющие один слой от другого или возникающие в процессе превращения рыхлых осадков в горные породы. В магматических породах развиты контракционные трещины, образующиеся при сокращении объема в результате остывания магмы. Это трещины отдельности. Так, для базальтов характерна столбчатая отдельность, для гранитов — матрацевидная, или плитчатая, для некоторых диабазов — шаровая. Кроме того, в ряде областей широко развиты тектонические трещины, возникающие в результате движений земной коры. Чем гуще сеть-трещин, тем легче протекают процессы выветривания.
Выветривание — это совокупность сложных процессов физического разрушения, химического и биохимического разложения минералов и горных пород. Эти процессы вызываются рядом факторов: суточными и сезонными колебаниями температуры; механическим воздействием замерзающей воды, разрастающейся корневой системы растений и т. п.; химическим воздействием воды и газов — кислорода и углекислоты; биохимическим воздействием органических кислот и других продуктов, образующихся при жизни растений и животных, а также при их отмирании и разложении. В зависимости от воздействующих факторов в одних случаях происходит физическая дезинтеграция (распад) горных пород и образование обломков различной размерности, без изменения минералогического и химического состава, в других—под влиянием химических и биохимических факторов происходит коренное изменение состава минералов и замещение их новыми.
Термин «выветривание» не отражает всей сложности процесса, но широко распространен в геологической, географической, (почвенной литературе. В качестве синонима употребляется термин «гипергенез» (греч. «гипер» — над, сверху), введенный А. Е. Ферсманом. В едином и сложном процессе выветривания условно выделяются две 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 к механическому разрушению, или химическому разложению. Следовательно, органическое выветривание включается в условно выделенные две формы единого процесса.
1.ФИЗИЧЕСКОЕВЫВЕТРИВАНИЕ
Физическое выветривание вызывается разнообразными факторами. В зависимости от природы воздействующего фактора характер разрушения горных пород при физическом выветривании различен. В одних случаях процесс разрушения происходит внутри самой горной породы без участия внешнего механически действующего агента. Сюда относится изменение объема составных частей породы, вызываемое колебанием температуры. Такое явление может быть названо температурным выветриванием. В других случаях горные породы разрушаются под механическим воздействием посторонних агентов. Такой процесс может быть условно назван механическим выветриванием. Температурное выветривание происходит под воздействием суточных и сезонных колебаний температуры, вызывающих неравномерное нагревание и охлаждение горных пород. При этом минеральные зерна, слагающие горные породы, испытывают то расширение, при повышении температуры, то сжатие, при ее понижении. Таким образом, в горных породах попеременно возникают сжимающие и растягивающие усилия. Расширение и сжатие пород более интенсивно сказываются в самой приповерхностной части пород — от 20 см до первых метров. Наибольшему разрушению в результате температурного выветривания подвержены полиминеральные горные породы, такие, как граниты (рис. 5.1), габбро, гнейсы и др. Различные минералы, из которых состоят такие породы, обладают неодинаковым коэффициентом объемного расширения, поэтому при изменении температуры они испытывают деформации в различной степени. К тому же коэффициент линейного расширения даже у одного и того же минерала меняется в зависимости от направления в кристалле (проявление анизотропии). Так, коэффициент линейного расширения у кристаллов кварца и кальцита в направлении, перпендикулярном тройной оси, почти в 2 раза превышает тот же! коэффициент в направлении, параллельном ей. Вследствие этого при колебаниях температуры создаются местные напряжения и в мономинеральных породах, таких, как известняки, кварцевые песчаники и др. В результате длительного воздействия колебаний температуры» и различных коэффициентов расширения минералов взаимное сцепление отдельных минеральных зерен в горной породе нарушается, она растрескивается и распадается на отдельные обломки.. На интенсивность температурного выветривания влияют также окраска горной породы и размеры слагающих ее минеральных зерен. Известно, что под влиянием солнечных лучей (инсоляции); значительно сильней нагреваются темноцветные минералы. Вследствие этого быстрее разрушаются темноокрашенные, а также крупнозернистые горные породы. Температурное выветривание наиболее интенсивно протекает в областях, характеризующихся резкими контрастами температур, особенно суточных, сухостью воздуха и отсутствием или слабым развитием растительного покрова, смягчающего температурное воздействие на почвы и горные породы. Особенно интенсивно температурное выветривание в пустынях, где количество выпадающих атмосферных осадков не превышает 200—250 мм/год, малая облачность, суточные колебания температуры нередко достигают 40—50° С, громадный дефицит влажности. Относительная влажность летом может снижаться до 10%, а иногда и ниже. В этих условиях горные породы под действием солнечных лучей сильно нагреваются до температур, значительно превышающих температуру воздуха (особенно темноцветные минералы), ночью же сильно охлаждаются. Именно в пустынях особенно ярко выражен процесс шелушения, или дееквамации, при котором от поверхности горных пород отслаиваются чешуи или толстые пластины, параллельные поверхности породы. Возможно, это связано с тем, что сжатие гор-иых пород, вызванное ночным охлаждением, распространяясь от поверхности в глубину, встречается с остаточным расширением ях от дневного нагревания, в результате чего возникают трещины, параллельные поверхности пород, и отслаивание по ним ••чешуи.
Температурное выветривание интенсивно протекает также на вершинах и склонах гор, не покрытых снегом и льдом, где воздух прозрачнее и инсоляция значительно сильнее, чем в прилежащих низменностях. В ряде случаев температура воздуха днем
здесь может достигать +20--[-30° С, а ночью падает почти до
точки замерзания. Механическое выветривание происходит под механическим воздействием посторонних агентов. Особенно большое разрушительное действие оказывает замерзание воды. Когда вода попадает в трещины и поры горных пород, а потом замерзает, она увеличивается в объеме на 9—10%, производя при этом огромное давление. Такая сила преодолевает сопротивление горных пород на разрыв, и они раскалываются на отдельные обломки. Наиболее интенсивное расклинивающее действие производит замерзающая вода в трещинах горных пород. Но под влиянием замерзающей воды легко дробятся и породы с высокой пористостью, в которых норовое пространство занимает около 10—30% объема (песчаники и другие осадочные породы). Процессы, связанные с воздействием периодически замерзающей воды, часто называют морозным выветриванием. Оно наблюдается в высоких полярных и субполярных широтах, а также в горных районах выше снеговой линии, где в ряде случаев проявляется и температурное выветривание. Здесь нередко встречаются огромные пространства, сплошь покрытые обломками горных пород, представляющие собой глыбовые и щебнистые развалы.
Такое же механическое воздействие на горные породы оказывают корневая система деревьев и роющие животные. По мере разрастания деревьев увеличиваются в размерах их корни. Они давят с большой силой на стенки трещин и раздвигают их как клинья и тем самым вызывают раскалывание породы на отдельные глыбы и обломки. Часть таких глыб выталкивается вверх. Механическое воздействие оказывают и различные роющие животные, такие, как земляные черви, муравьи, грызуны и др. Дезинтеграцию пород вызывает также рост кристаллов в капиллярных трещинах и порах. Это хорошо проявляется в условиях сухого климата, где днем при сильном нагревании капиллярная вода подтягивается к поверхности и испаряется, а соли, содержащиеся в ней, кристаллизуются. Под давлением растущих
кристаллов капиллярные трещины расширяются, что и приводит к нарушению монолитности горной породы и ее разрушению.
