Выветривание пород

Неорганическая часть  почв является результатом распада  горных пород, содержащих соли кремниевой кислоты - силикатов (алюмосиликатов - полевых шпатов и железомагнезиальных силикатов - оливинов, пироксенов и биотитов) и окислов кремния (80% и 20 % неорганической части почвы соответственно). К ним нужно прибавить растворимый углекислый кальций (известняковый шпат), имеющий органическое происхождение. В зависимости от конкретных климатических условий минеральная часть почв подвергается выщелачиванию. Поэтому растворимая часть почв отражает зональные условия, а нерастворимая - азональна и одинакова во всех природных зонах.

Интенсивность химического  выветривания минеральной части  почв зависит от длительности теплых (с температурой более 00С) и холодных периодов, от длительности сухих и влажных периодов и общего количества поступающих осадков, ибо при равных температурах разные соединения требуют разного количества воды (разных объемных соотношений). Например, для растворения единицы объема карбоната кальция при температуре 00С требуется 104 частей воды, водного сернокислого кальция (гипса) - 103 частей воды, а хлористого натрия (поваренной соли) - 3 части. Так как поступающее количество воды (осадков) зонально, зональны и процессы растворения, определяющие химических состав почвенных горизонтов. При малых количествах осадков (аридная зона) растворяются легкорастворимые хлориды (NaCl), при увеличении количества осадков - растворяются среднерастворимые соединения, например гипс (зона умеренного и достаточного увлажнения), а при систематическом увлажнении начнется вымывание труднорастворимых соединений, например углекислого кальция (зоны достаточного и избыточного увлажнения). Поэтому в гумидных зонах из верхних почвенных горизонтов вынесены все растворимые соединения, в том числе и CaCO3, и в коллоидных соединениях лесных почв преобладает водородный ион (из диссоциированной воды) и отсутствует кальций. Образующиеся при разложении растительных остатков органические кислоты придают почвенным растворам кислый характер. Агрессивные кислые почвенные воды интенсивно разрушают как минеральную часть почв, в том числе и силикаты, так и органическую.

Глава 3. Коры выветривания

Почвообразование — сложный природный процесс образования почв, их развития, функционирования и эволюции под воздействием комплекса факторов почвообразования. На первых стадиях процесса с поселением живых организмов на поверхности горных пород или продуктах их выветривания и переотложением первичный почвообразовательный процесс по существу совпадает с выветриванием, и формирующаяся почва физически совмещена с корой выветривания. Затем выветривание и почвообразование разделяются в пространстве и времени, а почва формируется лишь в самой верхней зоне коры выветривания горных пород, часто после ее образования и переотложения. [22]

Необходимо иметь в  виду, что в далекий абиотический период развития Земли выветривание происходило без почвообразования, т.е. на земной поверхности существовали коры выветривания, но не было почв. Отсутствовал один из важнейших факторов почвообразования — биогенный.  Для разделения понятий «кора выветривания» и «почва» определим суть различий и сходства между ними.

Таких главных качественных различий три: 

1. Любой почве свойственны химические реакции взаимодействия органических кислот с минеральной составляющей литосферы, нередко приобретающие характер полного растворения.
2. Лишь часть химических элементов, которая перешла в раствор, не подвергается влиянию корневой системы растений, причем большая часть из них захватывается корнями растений и входит в зольный состав их тканей. Затем они снова поступают в почву. Почва, таким образом, та часть коры выветривания, которая активно вовлечена в биогеохимический круговорот вещества и энергии.
3. Биологический и биохимический характер процессов, свойственных почве, ограничен глубиной проникновения продуцирующихся в верхней части почвенного профиля гумусовых веществ. Гумусообразование и биохимические реакции органических кислот с минералами материнских субстратов обладают качественным своеобразием лишь в пределах первых десятков сантиметров. Ниже границы полной минерализации продуктов органического распада и синтеза — на глубине 2—5 м от дневной поверхности выветривание не зависит от воздействия продуктов жизнедеятельности и контролируется главным образом гидротермическим режимом ландшафта.

 

Таким образом, почва и  подстилающие ее горизонты коры выветривания — взаимосвязанные образования. В то же время содержание процессов формирования почвенных и подпочвенных горизонтов различается, что позволяет рассматривать их как две основные генетические зоны (Б. Б. Полынов, 1934; И. П. Герасимов, 1964; В.А.Ковда, 1973; Е.В.Шанцер, 1966; А. Г.Черняховский, 1991, 1994). В дальнейшем будем называть их почвенной (или собственно почвой) и сапролитовой зонами, а основные горизонты сапролитовой зоны сверху вниз —литомаржем и сапролитом.

В результате единого сложного взаимосвязанного физического, химического и химобиогенного процесса разрушения горных пород образуются различные продукты выветривания. Продукты выветривания, оставшиеся на месте разрушения материнских (коренных) горных пород, называют элювием.

Под корой выветривания понимают континентальные образования, возникающие  на земной поверхности в результате выветривания горных пород. Процессы выветривания горных пород (механического разрушения и химического преобразования) определяются такими факторами как колебания температуры, химическое и механическое воздействие атмосферы, воды и живых организмов. Эти факторы в значительной степени подчиняются закону географической зональности и поэтому процессы выветривания также зональны. Зонален и результат этих процессов - кора выветривания. В зависимости от климатических условий меняется механический ихимический состав кор выветривания, подвижность химических элементов, высвобождающихся при разрушении минералов горных пород. Каждая природная зона характеризуется определенным набором химических элементов, называемых типоморфными, определяющих химические особенности кор выветривания и формирующихся на них почв.

Таким образом, кора выветривания – это совокупность различных элювиальных образований. Такая остаточная кора выветривания называется автоморфной.

Кора выветривания — часть поверхностного покрова суши, в котором ее скелетом являются топографически не смещенные продукты гипергенного изменения вещества материнских пород. В предложенном определении кора выветривания противопоставляется всему комплексу осадочных отложений как образований, возникающих за счет материала, топографически смещенного относительно источников сноса (по Е. В. Шанцеру). Характерные признаки коры выветривания — наследование структурно-текстурных признаков материнской породы, а также ее профильное строение. Горные породы, слагающие геологическое тело коры Основанием для этого служат качественные различия процессов, обусловливающих их развитие.

 

В истории геологического развития земной коры неоднократно возникали благоприятные условия для образования мощных автоморфных кор выветривании. К их числу относятся: высокая температура и влажность, относительно выровненный рельеф, обилие растительности и продолжительность периода выветривания.

При длительном выветривании и соответствующих условиях образуются хорошо выраженные зоны коры выветривания, имеющие свои текстурно-структурные особенности и минеральный состав.

Значительная мощность и  наиболее полный профиль коры выветривания формировался в тропической лесной области, где выделяются следующие зоны:

1. Дезинтегрированния;

2. Гидрослюдисто-монтмориллонит-бейделитовая;

3. Каолинитовая;

4. Гиббсит-гематит-гетитовая.

 

Рис.3.1. Схема полного профиля коры выветривания в

 тропической лесной  области:

1 – неизмененная порода, зоны:

2 – дезинтегрированная,

3 – гидрослюдисто-

 монтмориллонитово-бейделитовая,

4 – каолинитовая,

5 – гиббсит-геманит-гетитовая

Благодаря присутствию окислов и гидроокислов Al и Fe, элювий верхней части коры выветривания в сухом состоянии напоминает обожженный кирпич, часто образующий панцири и окрашенный в красный цвет. Поэтому такие коры выветривания называются латеритными (латинское –латер -кирпич).

Приведенная зональность  представляет собой идеализированную схему, иллюстрирующую общую направленность процесса выветривания. Конкретные климатические условия и состав материнских пород на отдельных участках земной поверхности в различные промежутки геологического времени могли ускорять или задерживать процесс выветривания, в результате чего формировались сокращенные или неполные профили вплоть до образования однозонального профиля коры выветривания. Например, в пустынях и полупустынях элювий состоит преимущественно из различных обломков, щебня, дресвы, образующихся при физическом выветривании. Сокращенные и неполные профили известны в районах с высокими температурами и интенсивного водообмена, где некоторые зоны выпадают вплоть до образования однозонального профиля, состоящего из свободных окислов и гидроокислов Fe и Al, располагающегося на неизмененных породах.

 

Рис. 3.2. Полный профиль выветривания на серпентинитах Урала

 

 

 

 

Среди кор выветривания выделено два основных морфогенетических типа: площадной и линейный.

Площадные коры выветривания развиваются в виде покрова или плаща, занимают обширные площади до десятков и сотен квадратных километров на сравнительно выровненных поверхностях рельефа.

Линейные коры выветривания имеют линейные (вытянутые) очертания  в плане и приурочены к зонам  повышенной трещиноватости, к разломам и контактам различных по составу пород. В этих условиях происходит более свободное проникновение воды и содержащихся в них активных компонентов, что вызывает интенсивный процесс химического выветривания.

Процесс формирования кор выветривания представляет собой несколько последовательных и 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.

С корами выветривания различного возраста связано много ценных месторождений полезных ископаемых – бокситов, железных руд, марганца, никеля, кобальта и др.

 

Кроме того, существует представление, развиваемое В. Н. Разумовой, что в формировании линейных кор выветривания участвуют глубинные гидротермально-вадозные растворы, с которыми связаны миграция химических элементов и, возможно, метасоматическое замещение одних минералов другими. Такой процесс может быть приурочен к разломам и зонам повышенной трещиноватости, где наблюдается и наибольшая мощность коры в виде глубоко уходящих карманов. Менее обоснованно влияние гидротермальных растворов на формирование широко распространенных площадных кор выветривания на поверхностях выравнивания.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3.3. Схема строения древней коры выветривания на гранитах Урала (по В.П. Петрову)

 

Древние коры выветривания формировались в различные этапы  геологической истории, совпадающие с крупными перерывами в осадконакоплении, они изучены и изучаются в отложениях разного возраста, начиная с докембрия. Самые древние протерозойские коры выветривания отмечены в Карелии и на Украинском кристаллическом щите Русской платформы. Под Москвой глубокими скважинами встречена допалеозойская кора выветривания, представленная преимущественно дресвянистой, гидрослюдистой, иногда каолинитизированной зоной суммарной мощностью около 30 м. Богатые железные руды Курской магнитной аномалии представляют собой древнюю кору выветривания (дораннекаменноугольную), развивавшуюся на метаморфических протерозойских магнетитсодержащих кварцитах (рис. 4.4, б). Как видно из рисунка, на дислоцированных неизмененных магнетитсодержащих кварцитах располагаются мартитизированные кварциты, выше которых - богатые железные гематитовые руды по железистым кварцитам. На том же рисунке хорошо выражен латеритный профиль выветривания на кварц-хлорит-серицитовых сланцах. [9]

Особенно широко развиты древние коры выветривания мезозойского и мезозойско-кайнозойского времени в Казахстане, на Алтае, в ряде районов Сибири, на Урале и в других местах. Классическим развитием этих кор является Южный и Средний Урал, где они характеризуются большой мощностью и хорошо изучены многими исследователями (И.И. Гинзбургом, В.П. Петровым, Н.П. Херасковым, В. Н. Разумовой и др.). Полный профиль выветривания на серпентинитах Урала (рис. 3.2, а) отмечается определенной зональностью. В нем неизмененные серпентиниты сменяются выщелоченными, далее монтмориллонитизированными и нонтронитизированными и, наконец, охрами по серпентинитам. В пределах развития габбро и долеритов также намечается полный профиль коры выветривания - от дезинтегрированных пород через промежуточные минералы к латеритным бокситам и охрам. По данным В.П. Петрова (рис. 3.3), строение площадной древней коры выветривания на гранитах Урала отличается достаточно четко выраженной зональностью: дресвянистая зона  гидрослюдистая каолинитовая, суммарной мощностью около 100 м. Здесь же выражена линейная кора выветривания, соответствующая контакту гранита со сланцами и характеризующаяся мощностью около 200 м и отсутствием дресвянистой зоны.

По данным С.Л. Шварцева, зона окисленных руд в Гвинее образуется на хорошо дренируемых возвышенных участках и не всегда сопровождается образованием глинистых минералов. Латеризацию пород он объясняет не только конечными стадиями выветривания (когда образуются окислы и гидроокислы), но и привносом в верхние горизонты коры Fe и А1 путем выщелачивания и миграции их из покрывающих почв.

Своеобразный тип линейной коры выветривания описан В. П. Егоровым и В. М. Новиковым в пределах Ново-Бурановского рудного месторождения Кемпирсайского массива Урала. Здесь в Контактной зоне основных пород - габбро и ультраосновных - серпентинитов выражен полный профиль коры выветривания с латеритным бокситом. В профиле выветривания габброидов выделяются четыре минерало-геохимические зоны (снизу вверх): 1) механической дезинтеграции; 2) выщелачивания (гидрохлорит-монтмориллонитовая); 3) каолинито-охристая и 4) гиббсит-каолинито-охристая с латеритным бокситом. Залежи бокситов имеют гнездообразную форму. В центральной части габброидного тела завершает кору выветривания каолинито-охристая зона. Здесь же в профиле коры выветривания серпентинитов выделяются следующие зоны: 1) дезинтегрированных серпентинитов; 2) керолитовых; 3) никельсодержащих нонтронитов; 4) охр. Местами же непосредственно на серпентинитах располагаются никельсодержащие нонтрониты, переходящие в охры.

В работах Н.А. Лисицыной  приведены интересные данные о современно-четвертичных корах выветривания южного полушария. Особенностью всех описанных ею типов кор является отсутствие дезинтегрированной зоны и непосредственный переход базальтов в различные глинистые образования и даже в охристую латеритную зону. Так, например, в Индонезийском типе на базальтах располагаются сильно выветрелые гиббсит-каолинитовые образования мощностью до 20 м, выше которых гиббсит-гематит-гётитовые образования конкреционной структуры мощностью 0,3-5,5 м. Наиболее интенсивное разложение базальтов отмечено в Гвинейском типе, где кора состоит из маломощного (0,5 м) гиббсит-каолинитового горизонта, а выше из гиббсит-гематит-гётитовых образований мощностью около 12 м. Близкие данные получены С.П. Прокофьевым по Западной Гвинее в пределах Фута-Мандингского свода. При этом указывается на возможность проявления во времени двух циклов гипергенеза: 1) позднемеловой - миоценовый и 2) плиоцен-четвертичный.