Выветривание — это разрушение горных пород , почв и минералов (а также древесины и искусственных материалов) в результате контакта с водой, атмосферными газами , солнечным светом и биологическими организмами. Выветривание происходит на месте (на месте, с небольшим движением или без него), и поэтому отличается от эрозии , которая включает в себя перенос горных пород и минералов такими агентами, как вода , лед , снег , ветер , волны и сила тяжести .
Процессы выветривания делятся на физическое и химическое выветривание . Физическое выветривание включает разрушение горных пород и почвы в результате механического воздействия тепла, воды, льда или других агентов. Химическое выветривание включает в себя химическую реакцию воды, атмосферных газов и биологических химикатов с горными породами и почвами. Вода является основным фактором как физического, так и химического выветривания [1] , хотя атмосферный кислород и углекислый газ, а также деятельность биологических организмов также важны. [2] Химическое выветривание биологическим действием также известно как биологическое выветривание. [3]
Материалы, оставшиеся после разрушения породы, соединяются с органическими материалами, образуя почву . Многие формы рельефа и ландшафты Земли являются результатом процессов выветривания в сочетании с эрозией и повторным отложением. Выветривание является важнейшей частью цикла горных пород , а осадочные породы , образовавшиеся из продуктов выветривания более старых пород, покрывают 66% континентов Земли и большую часть дна океана . [4]
Физическое выветривание , также называемое механическим выветриванием или дезагрегацией , представляет собой класс процессов, вызывающих распад горных пород без химических изменений. Физическое выветривание включает в себя распад горных пород на более мелкие фрагменты посредством таких процессов, как расширение и сжатие, главным образом из-за изменений температуры. Двумя типами физического разрушения являются выветривание при замораживании-оттаивании и термическое разрушение. Сброс давления также может вызвать выветривание без изменения температуры. Обычно оно гораздо менее важно, чем химическое выветривание, но может быть значительным в субарктических или альпийских условиях. [5] Кроме того, химическое и физическое выветривание часто идут рука об руку. Например, трещины, образовавшиеся в результате физического выветривания, увеличивают площадь поверхности, подвергающейся химическому воздействию, тем самым увеличивая скорость распада. [6]
Морозное выветривание — важнейшая форма физического выветривания. Следующим по важности является заклинивание корнями растений, которые иногда проникают в трещины в камнях и разрывают их. Закапывание червей или других животных также может способствовать разрушению камня, как и «выщипывание» лишайников. [7]
Морозное выветривание — собирательное название тех форм физического выветривания, которые вызваны образованием льда в обнажениях горных пород. Долгое время считалось, что наиболее важным из них является морозное заклинивание , возникающее в результате расширения поровой воды при ее замерзании. Однако растущее количество теоретических и экспериментальных работ предполагает, что более важным механизмом является сегрегация льда , при которой переохлажденная вода мигрирует к линзам льда, образующегося внутри породы. [8] [9]
При замерзании воды ее объем увеличивается на 9,2%. Это расширение теоретически может создавать давление, превышающее 200 мегапаскалей (29 000 фунтов на квадратный дюйм), хотя более реалистичный верхний предел составляет 14 мегапаскалей (2000 фунтов на квадратный дюйм). Это все же намного превышает предел прочности гранита, который составляет около 4 мегапаскалей (580 фунтов на квадратный дюйм). Это делает морозное расклинивание, при котором поровая вода замерзает и ее объемное расширение разрушает вмещающую породу, представляется вероятным механизмом морозного выветривания. Однако лед просто расширится из прямой открытой трещины, прежде чем сможет создать значительное давление. Таким образом, морозное расклинивание может произойти только в небольших извилистых трещинах. [5] Порода также должна быть почти полностью насыщена водой, иначе лед просто расширится в воздушные пространства ненасыщенной породы, не создавая большого давления. Эти условия настолько необычны, что морозное расклинивание вряд ли будет доминирующим процессом морозного выветривания. [10] Расклинивание мороза наиболее эффективно там, где существуют ежедневные циклы таяния и замерзания водонасыщенных пород, поэтому оно вряд ли будет значительным в тропиках, в полярных регионах или в засушливом климате. [5]
Сегрегация льда — менее изученный механизм физического выветривания. [8] Это происходит потому, что у зерен льда всегда есть поверхностный слой, часто толщиной всего в несколько молекул, который больше напоминает жидкую воду, чем твердый лед, даже при температурах значительно ниже точки замерзания. Этот предварительно расплавленный жидкий слой обладает необычными свойствами, в том числе сильной тенденцией к втягиванию воды за счет капиллярного действия из более теплых частей породы. Это приводит к росту ледяных зерен, которые оказывают значительное давление на окружающую породу, [11] до десяти раз большее, чем это вероятно при морозном расклинивании. Этот механизм наиболее эффективен в горных породах, средняя температура которых чуть ниже точки замерзания, от -4 до -15 ° C (от 25 до 5 ° F). Сегрегация льда приводит к росту ледяных игл и ледяных линз внутри трещин в скале и параллельно ее поверхности, которые постепенно разрывают породу. [9]
Термическое стрессовое выветривание возникает в результате расширения и сжатия горных пород из-за изменений температуры. Термическое стрессовое выветривание наиболее эффективно, когда нагретая часть породы подпирается окружающей породой и может расширяться только в одном направлении. [12]
Термическое стрессовое выветривание включает два основных типа: термический удар и термическую усталость . Термический удар имеет место, когда напряжения настолько велики, что порода немедленно трескается, но это случается редко. Более типичным является термическая усталость, при которой напряжения недостаточно велики, чтобы вызвать немедленное разрушение породы, но повторяющиеся циклы напряжения и отпуска постепенно ослабляют породу. [12]
Термическое стрессовое выветривание является важным механизмом в пустынях , где существует большой диапазон суточных температур: жарко днем и холодно ночью. [13] В результате термическое стрессовое выветривание иногда называют инсоляционным выветриванием , но это вводит в заблуждение. Тепловое стрессовое выветривание может быть вызвано любым большим изменением температуры, а не только интенсивным солнечным нагревом. Вероятно, это так же важно как в холодном климате, так и в жарком и засушливом климате. [12] Лесные пожары также могут быть серьезной причиной быстрого термического стресса. [14]
Важность термического выветривания долгое время недооценивалась геологами [5] [9] на основании экспериментов начала 20-го века, которые, казалось, показали, что его последствия не имели значения. С тех пор эти эксперименты подверглись критике как нереалистичные, поскольку образцы горных пород были небольшими, отполированными (что уменьшает зарождение трещин) и не имели подпорок. Таким образом, эти небольшие образцы могли свободно расширяться во всех направлениях при нагревании в экспериментальных печах, которые не могли вызвать напряжения, вероятные в естественных условиях. Эксперименты также оказались более чувствительными к тепловому удару, чем к термической усталости, но термическая усталость, вероятно, является более важным механизмом в природе. Геоморфологи начали вновь подчеркивать важность термического стрессового выветривания, особенно в холодном климате. [12]
Сброс давления или разгрузка — это форма физического выветривания, наблюдаемая при эксгумации глубоко зарытой породы . Интрузивные магматические породы, такие как гранит , образуются глубоко под поверхностью Земли. Они находятся под огромным давлением из-за вышележащего горного материала. Когда эрозия удаляет вышележащий горный материал, эти интрузивные породы обнажаются, и давление на них снимается. Внешние части скал затем имеют тенденцию к расширению. Расширение создает напряжения, которые вызывают образование трещин, параллельных поверхности породы. Со временем пласты породы отрываются от обнаженных пород вдоль трещин, этот процесс известен как отслаивание . Отшелушивание из-за сброса давления также известно как шелушение . [15]
Как и в случае термического выветривания, сброс давления наиболее эффективен в подкрепленных породах. Здесь дифференциальное напряжение, направленное к неподкрепленной поверхности, может достигать 35 мегапаскалей (5100 фунтов на квадратный дюйм), что достаточно легко, чтобы разрушить горную породу. Этот механизм также отвечает за растрескивание в шахтах и карьерах, а также за образование трещин в обнажениях горных пород. [16]
Отступление вышележащего ледника также может привести к отслоению из-за сброса давления. Это может быть усилено другими механизмами физического износа. [17]
Кристаллизация соли (также известная как соляное выветривание , соляное заклинивание или галокластия ) вызывает распад горных пород, когда соляные растворы просачиваются в трещины и швы в горных породах и испаряются, оставляя после себя кристаллы соли . Как и в случае сегрегации льда, поверхности зерен соли втягивают дополнительные растворенные соли за счет капиллярного действия, вызывая рост соляных линз, которые оказывают высокое давление на окружающую породу. Соли натрия и магния наиболее эффективны при солевом выветривании. Соляное выветривание также может происходить, когда пирит в осадочных породах химически выветривается до сульфата железа (II) и гипса , которые затем кристаллизуются в виде соляных линз. [9]
Кристаллизация солей может происходить везде, где соли концентрируются путем испарения. Таким образом, это наиболее распространено в засушливом климате, где сильное нагревание вызывает сильное испарение, а также вдоль побережья. [9] Соляное выветривание, вероятно, играет важную роль в формировании тафони , класса кавернозных структур выветривания горных пород. [18]
Живые организмы могут способствовать механическому, а также химическому выветриванию (см. § Биологическое выветривание ниже). Лишайники и мхи растут на практически голых поверхностях скал и создают более влажную химическую микросреду. Прикрепление этих организмов к поверхности породы усиливает физическое и химическое разрушение поверхностного микрослоя породы. Было замечено, что лишайники вырывают минеральные зерна из голого сланца своими гифами (корнеподобными структурами прикрепления), процесс, называемый выщипыванием [15] , и втягивают фрагменты в свое тело, где фрагменты затем подвергаются процессу химического выветривания, а не в отличие от пищеварения. [19] В более широком масштабе саженцы, прорастающие в расщелине, и корни растений оказывают физическое давление, а также обеспечивают путь для проникновения воды и химических веществ. [7]
Большинство горных пород формируется при повышенной температуре и давлении, а минералы, составляющие породу, часто химически нестабильны в относительно прохладных, влажных и окислительных условиях, типичных для поверхности Земли. Химическое выветривание происходит, когда вода, кислород, углекислый газ и другие химические вещества вступают в реакцию с породой, изменяя ее состав. Эти реакции превращают некоторые из первоначальных первичных минералов в породе во вторичные минералы, удаляют другие вещества в виде растворенных веществ и оставляют наиболее стабильные минералы в виде химически неизмененного резистата . По сути, химическое выветривание изменяет первоначальный набор минералов в породе на новый набор минералов, который находится в более близком равновесии с поверхностными условиями. Однако истинное равновесие достигается редко, поскольку выветривание — это медленный процесс, а выщелачивание уносит растворенные вещества, образующиеся в результате реакций выветривания, прежде чем они смогут накопиться до равновесного уровня. Это особенно актуально в тропических условиях. [20]
Вода является основным агентом химического выветривания, превращая многие первичные минералы в глинистые минералы или гидратированные оксиды посредством реакций, которые в совокупности называются гидролизом . Кислород также важен, поскольку он окисляет многие минералы, как и углекислый газ, реакции выветривания которого описываются как карбонизация . [21]
Процесс поднятия горных блоков важен для того, чтобы новые пласты горных пород подвергались воздействию атмосферы и влаги, что позволяет произойти важному химическому выветриванию; происходит значительный выброс Ca 2+ и других ионов в поверхностные воды. [22]
Растворение (также называемое простым раствором или конгруэнтным растворением ) — это процесс, при котором минерал полностью растворяется без образования нового твердого вещества. [23] Дождевая вода легко растворяет растворимые минералы, такие как галит или гипс , но также может растворять высокостойкие минералы, такие как кварц , при наличии достаточного времени. [24] Вода разрывает связи между атомами в кристалле: [25]
Общая реакция растворения кварца:
Растворенный кварц принимает форму кремниевой кислоты .
Особенно важной формой растворения является растворение карбонатов, при котором атмосферный углекислый газ усиливает выветривание раствора. Растворение карбонатов влияет на породы, содержащие карбонат кальция , такие как известняк и мел . Это происходит, когда дождевая вода соединяется с углекислым газом, образуя угольную кислоту , слабую кислоту , которая растворяет карбонат кальция (известняк) и образует растворимый бикарбонат кальция . Несмотря на более медленную кинетику реакции , этот процесс термодинамически предпочтителен при низкой температуре, поскольку более холодная вода удерживает больше растворенного углекислого газа (из-за ретроградной растворимости газов). Таким образом, растворение карбонатов является важной особенностью ледникового выветривания. [26]
Растворение карбоната включает следующие этапы:
Растворение карбонатов на поверхности хорошо расслоенного известняка приводит к образованию расчлененной известняковой мостовой . Этот процесс наиболее эффективен вдоль суставов, расширяя и углубляя их. [27]
В незагрязненной среде pH дождевой воды из-за растворенного углекислого газа составляет около 5,6. Кислотные дожди возникают, когда в атмосфере присутствуют такие газы, как диоксид серы и оксиды азота. Эти оксиды реагируют с дождевой водой с образованием более сильных кислот и могут снизить pH до 4,5 или даже 3,0. Диоксид серы SO 2 образуется в результате извержений вулканов или из ископаемого топлива и может превращаться в серную кислоту в дождевой воде, что может вызвать выветривание раствора на камнях, на которые он падает. [28]
Гидролиз (также называемый инконгруэнтным растворением ) — это форма химического выветривания, при которой в раствор переходит только часть минерала. Остальная часть минерала преобразуется в новый твердый материал, например глинистый минерал . [29] Например, форстерит (магниевый оливин ) гидролизуется до твердого брусита и растворенной кремниевой кислоты:
Большая часть гидролиза при выветривании минералов представляет собой кислотный гидролиз , при котором протоны (ионы водорода), присутствующие в кислой воде, атакуют химические связи в минеральных кристаллах. [30] Связи между различными катионами и ионами кислорода в минералах различаются по прочности, и в первую очередь подвергаются атаке самые слабые. В результате минералы в магматических породах выветриваются примерно в том же порядке, в котором они первоначально образовались ( Ряд реакций Боуэна ). [31] Относительная прочность соединения показана в следующей таблице: [25]
Эта таблица является лишь приблизительным руководством по порядку выветривания. Некоторые минералы, такие как иллит , необычайно стабильны, тогда как кремнезем необычно нестабильен, учитывая силу связи кремний-кислород . [32]
Углекислый газ, который растворяется в воде с образованием угольной кислоты, является наиболее важным источником протонов, но органические кислоты также являются важными природными источниками кислотности. [33] Кислотный гидролиз растворенного диоксида углерода иногда называют карбонизацией и может привести к выветриванию первичных минералов во вторичные карбонатные минералы. [34] Например, выветривание форстерита может привести к образованию магнезита вместо брусита по реакции:
Угольная кислота потребляется в результате выветривания силиката , в результате чего растворы становятся более щелочными из-за бикарбоната . Это важная реакция в контроле количества CO 2 в атмосфере, которая может повлиять на климат. [35]
Алюмосиликаты , содержащие хорошо растворимые катионы, такие как ионы натрия или калия, выделяют катионы в виде растворенных бикарбонатов во время кислотного гидролиза:
В среде выветривания происходит химическое окисление различных металлов. Наиболее часто наблюдается окисление Fe 2+ ( железа ) кислородом и водой с образованием оксидов и гидроксидов Fe 3+ , таких как гетит , лимонит и гематит . Это придает пораженным камням красновато-коричневую окраску поверхности, которая легко крошится и ослабляет породу. Многие другие металлические руды и минералы окисляются и гидратируются с образованием цветных отложений, как и сера во время выветривания сульфидных минералов, таких как халькопириты или CuFeS 2 , окисляющихся до гидроксида меди и оксидов железа . [36]
Гидратация минералов — это форма химического выветривания, которая включает жесткое присоединение молекул воды или ионов H+ и OH- к атомам и молекулам минерала. Никакого существенного растворения не происходит. Например, оксиды железа превращаются в гидроксиды железа , а при гидратации ангидрита образуется гипс . [37]
Объемная гидратация минералов имеет второстепенное значение по сравнению с растворением, гидролизом и окислением, [36] , но гидратация поверхности кристаллов является решающим первым шагом в гидролизе. Свежая поверхность минерального кристалла подвергается воздействию ионов, электрический заряд которых притягивает молекулы воды. Некоторые из этих молекул распадаются на H+, который связывается с открытыми анионами (обычно с кислородом), и OH-, который связывается с открытыми катионами. Это еще больше разрушает поверхность, делая ее восприимчивой к различным реакциям гидролиза. Дополнительные протоны заменяют катионы, находящиеся на поверхности, высвобождая катионы в виде растворенных веществ. По мере удаления катионов связи кремний-кислород и кремний-алюминий становятся более восприимчивыми к гидролизу, высвобождая кремниевую кислоту и гидроксиды алюминия для выщелачивания или образования глинистых минералов. [32] [38] Лабораторные эксперименты показывают, что выветривание кристаллов полевого шпата начинается с дислокаций или других дефектов на поверхности кристалла, и что слой выветривания имеет толщину всего несколько атомов. Диффузия внутри минерального зерна, по-видимому, незначительна. [39]
Выветривание минералов также может быть инициировано или ускорено почвенными микроорганизмами. Почвенные организмы составляют около 10 мг/см 3 типичных почв, а лабораторные эксперименты показали, что альбит и мусковит выветриваются в два раза быстрее в живой почве, чем в стерильной. Лишайники на камнях являются одними из наиболее эффективных биологических агентов химического выветривания. [33] Например, экспериментальное исследование роговообманкового гранита в Нью-Джерси, США, продемонстрировало 3-4-кратное увеличение скорости выветривания под поверхностями, покрытыми лишайником, по сравнению с недавно обнаженными голыми каменными поверхностями. [40]
Наиболее распространенные формы биологического выветривания возникают в результате выделения растениями хелатных соединений (таких как некоторые органические кислоты и сидерофоры ), а также углекислого газа и органических кислот. Корни могут повышать уровень углекислого газа до 30% от всех почвенных газов, чему способствует адсорбция CO 2 на глинистых минералах и очень медленная скорость диффузии CO 2 из почвы. [41] CO 2 и органические кислоты помогают расщеплять алюминий и железосодержащие соединения в почве под ними. Корни имеют отрицательный электрический заряд, уравновешиваемый протонами в почве рядом с корнями, и их можно обменять на необходимые питательные катионы, такие как калий. [42] Разлагающиеся остатки мертвых растений в почве могут образовывать органические кислоты, которые при растворении в воде вызывают химическое выветривание. [43] Хелатирующие соединения, в основном низкомолекулярные органические кислоты, способны удалять ионы металлов с голых поверхностей горных пород, причем особенно чувствительны к этому алюминий и кремний. [44] Способность разрушать голые породы позволяет лишайникам быть одними из первых колонизаторов суши. [45] Накопление хелатных соединений может легко повлиять на окружающие породы и почвы и может привести к оподзолению почв. [46] [47]
Симбиотические микоризные грибы , связанные с корневой системой деревьев, могут выделять неорганические питательные вещества из минералов, таких как апатит или биотит, и передавать эти питательные вещества деревьям, способствуя тем самым питанию деревьев. [48] Недавно также было доказано, что бактериальные сообщества могут влиять на стабильность минералов, что приводит к высвобождению неорганических питательных веществ. [49] Сообщается, что широкий спектр бактериальных штаммов или сообществ из различных родов способен колонизировать минеральные поверхности или выветривать минералы, а для некоторых из них был продемонстрирован эффект, стимулирующий рост растений. [50] Продемонстрированные или предполагаемые механизмы, используемые бактериями для выветривания минералов, включают несколько реакций оксидоредукции и растворения, а также производство агентов выветривания, таких как протоны, органические кислоты и хелатирующие молекулы.
Выветривание базальтовой океанической коры во многом отличается от выветривания в атмосфере. Выветривание происходит относительно медленно: базальт становится менее плотным, со скоростью около 15% за 100 миллионов лет. Базальт гидратируется, обогащается общим и трехвалентным железом, магнием и натрием за счет кремнезема, титана, алюминия, двухвалентного железа и кальция. [51]
Здания из любого камня, кирпича или бетона подвержены тем же воздействиям атмосферных воздействий, что и любая открытая каменная поверхность. Статуи , памятники и декоративная каменная кладка также могут быть серьезно повреждены естественными процессами выветривания. Этот процесс ускоряется в районах, сильно пострадавших от кислотных дождей . [52]
Ускоренное выветривание здания может представлять угрозу для окружающей среды и безопасности жильцов. Стратегии проектирования могут смягчить воздействие воздействия на окружающую среду, например, использование дождевой защиты, регулируемой давлением, гарантируя, что система HVAC способна эффективно контролировать накопление влаги и выбор бетонных смесей с пониженным содержанием воды, чтобы минимизировать влияние циклов замораживания-оттаивания. [53]
Гранитная порода, которая является наиболее распространенной кристаллической породой, обнаженной на поверхности Земли, начинает выветриваться с разрушения роговой обманки . Затем биотит выветривается до вермикулита и, наконец, разрушаются олигоклаз и микроклин . Все они превращаются в смесь глинистых минералов и оксидов железа. [31] Полученная почва обеднена кальцием, натрием и двухвалентным железом по сравнению с коренной породой, а содержание магния снижается на 40%, а кремния - на 15%. При этом почва обогащается алюминием и калием не менее чем на 50 %; титаном, содержание которого утрояется; и трехвалентного железа, содержание которого увеличивается на порядок по сравнению с коренными породами. [54]
Базальтовая порода легче выветривается, чем гранитная порода, из-за ее образования при более высоких температурах и в более сухих условиях. Мелкий размер зерен и наличие вулканического стекла также ускоряют выветривание. В тропических условиях он быстро разлагается до глинистых минералов, гидроксидов алюминия и оксидов железа, обогащенных титаном. Поскольку большая часть базальта относительно бедна калием, базальт превращается непосредственно в бедный калием монтмориллонит , а затем в каолинит . Там, где выщелачивание происходит непрерывно и интенсивно, как, например, в тропических лесах, конечным продуктом выветривания является боксит , основная алюминиевая руда. Там, где осадки интенсивны, но сезонны, как, например, в муссонном климате, конечным продуктом выветривания является латерит, богатый железом и титаном . [55] Превращение каолинита в боксит происходит только при интенсивном выщелачивании, так как обычная речная вода находится в равновесии с каолинитом. [56]
Для формирования почвы требуется от 100 до 1000 лет — очень короткий интервал геологического времени. В результате в некоторых формациях обнаруживаются многочисленные пласты палеопочвы (ископаемой почвы). Например, формация Уиллвуд в Вайоминге содержит более 1000 слоев палеопочвы на участке длиной 770 метров (2530 футов), что соответствует 3,5 миллионам лет геологического времени. Палеопочвы были обнаружены в формациях, возраст которых достигает архея (возрастом более 2,5 миллиардов лет). Однако палеопочвы трудно распознать в геологической летописи. [57] Признаки того, что осадочный слой является палеопочвой, включают постепенную нижнюю границу и резкую верхнюю границу, наличие большого количества глины, плохую сортировку с небольшим количеством осадочных структур, разрывные обломки в вышележащих слоях и трещины высыхания, содержащие материал из более высоких слоев. . [58]
Степень выветривания почвы можно выразить как химический индекс изменения , определяемый как 100 Al 2 O 3 /(Al 2 O 3 + CaO + Na 2 O + K 2 O) . Оно варьируется от 47 для невыветрелых пород верхней коры до 100 для полностью выветрелого материала. [59]
Древесина может подвергаться физическому и химическому выветриванию в результате гидролиза и других процессов, связанных с минералами, но, кроме того, древесина очень восприимчива к выветриванию, вызванному ультрафиолетовым излучением солнечного света. Это вызывает фотохимические реакции, которые разрушают поверхность древесины. [60] Фотохимические реакции также играют важную роль при выветривании красок [61] и пластмасс. [62]
