Выветривание почвы: Химическое и биологическое выветривания — урок. География, 5 класс.

Выветривание горных пород — виды, силы и причины процессов

Выветривание – это совокупность процессов физического, химического, биологического разрушения, разложения магматических, метаморфических, древних осадочных пород на поверхности земной коры или вблизи нее, формирующих исходный материал для образования осадков, осадочных пород и остаточные образования, слагающие коры выветривания.

Содержание

Что такое выветривание пород?

Выветривание отражает взаимодействие двух ведущих противоположных начал – дифференциации исходных пород и интеграции полученных компонентов, составляющих основу комплекса явлений литогенеза в зоне господства низких давлений, температур при обилии воды и кислорода, в условиях поверхностной части литосферы.

В ходе выветривания происходит дезинтеграция породы, разделение ее на составные части под действием различных факторов и сил. Но выветривание это не только дробление (кластогенез), фракционирование, дифференциация исходных пород, подготовка материала к последующему осадко- и породообразованию, перевод его в состояние и формы, способные к перемещению различными способами с последующим концентрированием в бассейнах седиментации различного типа. Это и способ созидания новых геологических тел, таких как наземные и подводные коры выветривания, почвы, способ образования пород и полезных ископаемых. При этом выветривание, как способ создания новых геологических тел, включает преобразования, процессы, характерные для формирования типично осадочных пород.

Продукты выветривания

Согласно традиционным представлениям остаточные, остающиеся на месте продукты выветривания, называются элювием. Этот термин использовался для обозначения рыхлых обломочных накоплений разного механического состава от глыб до глин, твердых продуктов – метасоматитов, инсоляционных образований (панцири, кирасы, калькреты, корки, горизонты). Последняя группа новообразований, порожденных выветриванием, сочетанием процессов разложения, выщелачивания (элювиирование – вымывание) и синтеза, по В. Т. Фролову называется хемоэлювием. К этой группе относятся и остаточные твердые продукты выветривания, слагающие шляпы соляных структур, железные шляпы зон окисления сульфидных месторождений. Общей характерной особенностью подобных геологических тел, сформированных в результате выветривания, является переход к породам неизменным и сохранение в той или иной степени структурных особенностей коренной породы (структурный элювий по Л. Б. Рухину).

Образование продуктов выветривания происходит на фоне естественноисторической эволюции земной коры, ее структур, форм рельефа, климата, тектонического режима. Непосредственным элементом выветривания является удаление его продуктов с места разложения пород с образованием переотложенных скоплений, разнотипных по способу переноса, механизму отложения и обстановкам седиментации. Удаление продуктов выветривания с места их образования под действием сил гравитации,  ветра, водных потоков, движущихся ледников называется эрозией. Содержание этого понятия разными школами литологов понимается по разному.

Иногда вместо термина «эрозия» употребляется термин «денудация», означающий выветривание и снос. Денудация объединяет совокупность процессов, обуславливающих понижение и сглаживание земной поверхности в результате выветривания, эрозии, выноса и транспортировки материала, а также совместное разрушающее действие этих процессов. Вынос продуктов дезинтеграции пород, в том числе растворимых (элювиирование), является ее важным элементом, иначе из-за скопления разрушенного материала дальнейший процесс выветривания прекратится. Экзогенные геологические процессы способствуют мобилизации продуктов выветривания с последующим отложением. В этом плане выветривание – один из главных ландшафтнообразующих факторов, действие которого приводит к нивелировке (пенепленизации) земной поверхности. Самостоятельным геологическим образованием, порожденным процессом выветривания, являются почвы – верхний плодородный породный слой, формирующийся при существенном участии биоса  в процессах выветривания, содержащий горизонт обогащения продуктами разложения, в основном, растительной биомассы.

Выветривание имеет два аспекта. С одной стороны это раздробление материнских пород, или физическое выветривание. Но процесс разрушения породы может состоять из химического разложения с участием реакций обмена, растворения, выщелачивания, окисления, гидратации, составляющих содержание выветривания химического. Обычно эти два основных типа выветривания сочетаются в разных пропорциях, причем физическое выветривание подготавливает горные породы к химическому выветриванию.

Виды выветривания

Физическое выветривание

Физическое выветривание – это дробление материнских пород, их дезинтеграция без существенного изменения состава минеральных зерен. Такое выветривание характерно для Арктики, Антарктики, горных районов, областей аридных зон – пустынь, полупустынь со скудным содержанием влаги в почве, весьма малым годовым количеством осадков при сильном солнечном нагреве, со значительным колебанием суточных и сезонных температур.

Физическое выветривание происходит, в основном, под действием изменения температуры, замерзания-оттаивания воды, действия сверлящих (роющих) животных, животных, корневой системы растений, кристаллизации содержащихся в капиллярной воде солей. Существенных изменений состава обломков при этом не происходит.

Рис. 1. Мансийские болваны, образовавшиеся в результате физического выветривания. © Aleksandr Chazov

Среди факторов выветривания отмечается, в первую очередь, изменение температуры – суточные, сезонные.

Горные породы являются агрегатом зерен различного состава, которые по разному реагируют на изменение температуры. Они обладают отличающимися коэффициентами объемного и линейного расширения, т.е. при нагревании на 1⁰С увеличивают свой объем или длину на разную величину. Например, у кристаллов кальцита по направлениям, параллельным оси симметрии третьего порядка и перпендикулярным к этой же оси, коэффициенты различаются существенно, составляя 25,6·10^-6 и 5,5·10^-6 соответственно. Не менее значительны различия этих коэффициентов у разных минеральных индивидов. Так у кварца он составляет 3,1·10^-4, у ортоклаза – 1,7·10^-3. При нагревании гранитной породы до 50⁰С размер каждого зерна кварца увеличивается на 15%. Поскольку температура в течение чуток меняется, то различия в коэффициентах объемного и линейного расширения приводят к ослаблению связей между зернами. Порода растрескивается и делится на обломки.

При физическом выветривании действуют и силы кристаллизации. Вода при замерзании, превращаясь в лед, увеличивает свой объем на 9%. При этом порода как бы расклинивается по трещинам и разрушается. Отмечается также влияние тектонических напряжений. Под их воздействием пласты пород изгибаются, сминаются с образованием разрывов, трещинноватости, т.е. происходит нарушение целостности породы. Ударное действие волны, абразия, и ветра, корразия – важные факторы физического выветривания. Волны морского прибоя и течения приводят к механическому разрушению коренных пород. Ударная волна, несущая камни, песчинки, действует на породы берега, вызывая их обрушение и растворение. Подводная абразия действует на дне озер, морей, океанов, на глубинах до нескольких десятков метров в озерах, морях и до 100 и более метров в океанах. Явление абразии и корразии – механическое разрушение, шлифование, истирание поверхности породы при трении и столкновении с твердыми частицами пород, происходят не только за счет переноса частиц движением воды, но и при переносе ветром, льдом, при перемещении под действием силы тяжести. Эрозионная деятельность льда проявляется в Арктике, в Антарктике, в хонах высоких широт, в высокогорьях. Льды, сползая, истирают и дробят породы.

Составной частью физического выветривания, эрозии и денудации является действие гравитационных факторов, определяющих начальную дифференциацию обломочного материала. Более крупные обломки накапливаются на склонах, у подножий, в понижениях рельефа. Более мелкие уносятся водой, ветром иногда на сотни километров от разрушающего массива.

В зависимости от ведущего фактора, определяющего процессы разрушения пород, выделяется несколько разновидностей физического выветривания – морозное, снежное, инсоляционное (в пустынях), биологическое, ледовое. При механическом выветривании действует комплекс процессов, характерный и для химического разложения, но при резком преобладании физического разрушения горных пород. Не перемещенные продукты, в виде разновеликих обломков, остаются на месте разрушения с постепенным переходом в неизменную породу, образуя физический элювий. В. Т. Фролов называет такой элювий каменистыми развалами или каменными руинами. Мощность слоя физического элювия различна и может достигать 30-40 м.

К числу остаточных образований относятся остающиеся на месте грубообломочные продукты механического дробления пород – перлювий после вымывания или выдувания тонких частиц, мелкозема. Образование перлювия происходит при участии течений, волнений, деятельности ветра, грунтовых вод. При этом могут образоваться скопления конкреций, фаунистических остатков, тяжелых минералов. В. Т. Фролов считает их горизонтами конденсации по механизму накопления компонентов, сходному с повышением концентрации элементов при выпаривании.

Химическое выветривание

Это сложные процессы химического разложения горных пород, включающие значительную группу химических реакций, биогенных и биохимических процессов.

Рис. 2. Преимущественно химически выветренные породы на берегу моря

Основные факторы данного типа выветривания – вода, углекислота, сильные (серная, азотная), органические кислоты, кислород, сероводород, метан, аммиак, биологическая деятельность.  Ведущими процессами являются растворение, выщелачивание, окисление, гидратация, вторичная карбонатизация, гидролиз и пр. происходит вынос из зоны выветривания катионов металлов, щелочей и др. элементов, оксидов, гидроксидов в форме истинных и коллоидных растворов, в виде взвесей тончайших частиц.

Биогенный фактор – важнейший агент влияние на совокупность процессов выветривания, протекающих в обстановке взаимодействия атмосферных, гидросферных и литосферных составляющих. Биомасса оказывает каталитическое воздействие, влияет на явления деградации и синтеза как источник энергии и вещества, создает благоприятную среду для деятельности бактериального микробиоса.

Большую роль при процессах химических разложения играет структура воды, определяющая ее свойства как слабого электролита, диссоциирующего на ионы Н⁺ и ОН^—. Установлено, что при температуре 20⁰С ионное произведение воды таково: К_В = [H⁺] [OH^—] = 1·10^-14, где К_В – ионное произведение воды в г/ион на литрах. Степень диссоциации воды возрастает с увеличением температуры, что способствует активизации процессов разложения пород. Поскольку вода является электролитом, она растворяет почти все известные минералы.

Существенное значение при процессах химического выветривания играет величина кислотности-щелочности pH, которая показывает концентрацию водородных ионов. Величина pH – обратная логарифму концентрации водородных ионов, меняется в пределах 1-14 и фиксирует реакцию среды: от кислой,  pH = 1-6, через нейтральную pH = 7 до щелочной pH = 8-14. Минимальные значения pH характерны для сильнокислых сред, максимальные – для высокощелочных.

От величины pH существенно зависит растворимость таких компонентов как SiO₂, Al₂O₃, Fe(OH)₃, Al(OH)₃ и др. , образующихся, в частности, при химическом выветривании. Гидрат окиси железа растворим, а следовательно может переноситься водными растворами только в кислой среде при pH = 1-4. Нейтрализация растворов вызывает его осаждение. Гидрат окиси алюминия Al(OH)₃ растворим как в кислой, так ив щелочной среде, выпадая в осадок при pH = 6-8. Кремнезем SiO₂ растворим в резко щелочной среде, будучи малоподвижным в интервале pH от 3 до 8.

Растворимость определяет возможность переноса многих компонентов и условия их осаждения.

Для реакций, происходящих при выветривании и определяющих вынос соединений с места разложения, важен такой показатель как ионный потенциал и его связь с растворимостью. Ионный потенциал определяется отношением заряда катиона к его ионному радиусу. В соответствии с этим все ионы (по В. М. Гольдшмиту) делятся на 3 группы:

• растворимые – Na⁺, Ca²⁺, Mg²⁺. Их ионный потенциал равен трем. Не подвергаются гидратации, но диполи воды притягиваются к поверхности этих катионов, образуя сольватные слои. В эту группу также входят катионы калия и цезия;
• катионы-гидролизаты – трехвалентные алюминий и железо, четырехвалентный марганец. Их ионный потенциал больше 3-х. гидратируются по схеме Al³⁺ + 3H₂O = Al(OH)^{3 +} 3H⁺;
• оксианионы [CO₃]^2-, [PO₄]^3- и др., имеющие ионный потенциал 9,5 и более, и возникающие путем диссоциации в воде оснований. Мигрируют обычно в форме гидрокарбонат-иона [HCO₃]^— и гидрофосфат иона [H₂PO₄]^—.

Кроме показателя кислотности-щелочности важным параметром физико-химических условий среды растворения и миграции является окислительно-восстановительный потенциал Eh. Считается, что равный нулю окислительно-восстановительный потенциал (ОКВ) соответствует реакции диссоциации водорода: Н₂ = 2Н⁺ + 2е. значение ОКВ, при котором существует двухвалентное железо, соответствует 0,44 в. Для двухвалентной меди 0,35 в. поэтому реакция сернокислой меди с самородным железом сопровождается образованием самородной меди с одновременным превращением атома железа в катион: CuSO₄ + Fe = FeSO₄ +Cu.

Особую роль в процессах химического играют продукты разрушения органического вещества, прежде всего растительных остатков. В результате образуются гуминовые кислоты. Они создают кислую реакцию среды и участвуют в химическом разложении силикатов. С катионами ряда металлов гуминовые кислоты образуют комплексные анионы – гуматы, что способствует выносу этих элементов из продуктов выветривания в форме коллоидных растворов. Кроме того, присутствие органического вещества создает восстановительную среду, а растворимость многих закисных соединений выше, чем окисных. Микроорганизмы определяют также протекание таких реакций как сульфат-редукция, продуцируют водород, переводят окисное железо в нерастворимое состояние и др.

Большое значение для химического выветривания и выноса его продуктов с места разложения материнских пород принадлежит углекислоте, образующей с некоторыми металлами хорошо растворимые комплексы. Карбонаты металлов при взаимодействии с CO₂ превращаются в бикарбонаты, что значительно повышает их растворимость.

Подводное выветривание

Процессы выветривания происходят не только на суше, но и на дне морей и океанов. Здесь под воздействием минерализованной морской воды, ее температур, давления и газового режима идет разложение горных пород, минералов и создаются элювиальные новообразования, химические, метасоматические и биологические продукты. Данная совокупность химических, биохимических процессов, приводящих к изменению состава минеральных тел, находящихся в море как во взвешенном состоянии, так и на его дне, имеет специальное название – гальмиролиз. Гальмиролизу подвергаются не только минеральные компоненты, поступающие на морское дно с суши, но и продукты вулканических извержений.

Главные факторы подводного разложения – вода, биос, газовый режим, соленость, давление, температура, а слой придонной воды содержит взвешенные частицы и микроорганизмы. Средняя температура зоны подводного разложения более низкая, по сравнению со средней температурой континентальных областей химического выветривания. Давление возрастает по мере увеличения глубины донного осадка от 20 атмосфер на глубине 200 м, до 1000 атмосфер на глубине 10170 м, что влечет за собой рост растворимости твердых веществ и газов, а также активизацию различных химических процессов, влияет на их скорость, направление и эффективность. Заметнее всего изменения давления проявляется в реакциях с участием газов, в частности кислорода и углекислого газа, количество которых в результате понижения температуры и давления на больших глубинах увеличивается, способствуя более энергичному протеканию процессов окисления и карбонатизации. Эффективность гальмиролиза зависит также от скорости накопления осадков и жизнедеятельности организмов, прежде всего бактерий.

Быстрое накопление осадков не способствует развитию процессов подводного выветривания, так как только что осажденный материал лишается длительного контакта с придонной водой изза перекрытия его новым слоем осадочных частиц. Морская вода не успевает оказать на осадок заметного химического воздействия. Известно, что в водоемах, морских, океанических, уменьшение скорости осадконакопления отмечается по мере удаления от береговой линии. Поэтому максимально явления гальмиролиза проявлены в более глубоководных частях бассейна. В литературе (Фролов, 1984, 1995) указывается на образование при гальмиролизе подводных панцирей различного состава – известняковых, доломитовых, железо-марганцевых, фосфатных, пиритных. Мощности их по сравнению с подобными наземными образованиями несколько меньше и составляют, обычно не более 1м. условия образования, по видимому, сходны с таковыми для коры выветривания на суше.

Не исключается вертикальная миграция растворенного вещества и цементация частиц. В результате гидролиза, гидратации, окисления, восстановления, миграции, осаждения при гальмиролизе синтезируются новые минералы – глинистые, цеолиты, карбонаты, гидроксиды железа и марганца, глауконит, шамозит, фосфориты, происходит образование пород, например, фосфатных. Что касается бактериальной микрофлоры и ее роли в подводном выветривании, то признается участие бактерий в процесах гальмиролиза в качестве катализаторов, ускоряющих химические процессы, но не меняющие их общей направленности и продуцирующие собственные продукты.

Таким образом, физико-химические условия среды определяют возникновение и ход подводного выветривания, достигающего максимального развития в условиях малых и нулевых скоростей осадконакопления в глубоководных областях и на подводных хребтах.

Своеобразным видом выветривания является гидротермальная и фумарольная переработка вулканитов и осадочных образований в областях вулканизма. Насыщенность сульфат-ионом, обводненность пирокластических, пепловых осадков, высокая температура и кислая среда, обеспечивающая подвижность глинозема, обуславливает формирование пестроцветного и белоцветного элювия (фумарольно-сольфатарная кора выветривания по А. С. Калугину).

Коры выветривания

Комплекс горных пород, возникших в верхней части земной коры под влиянием различных факторов выветривания, называется корой выветривания. Кора выветривания (КВ) формируется в основном в зоне аэрации и просачивания. По характеру и степени изменения исходных горных пород выделяется несколько геохимических типов кор выветривания, рассмотренных ниже.

Латеритная кора выветривания

Латеритное выветривание сопровождается образованием простых окислов при полном гидролизе силикатов. Такой тип выветривания характерен для влажного климата (тропики, субтропики) при глубоко зашедшем химическом разложении исходной породы. Профиль латеритной коры выветривания по гранитам (описание снизу вверх) включает такие зоны:

• невыветрелый гранит;
• измененный гранит, мощность 3 м;
• горизонт структурных глин, мощность  3 м;
• горизонт плотных, часто шлаковидных масс кирпично-красного темно-бурого до почти черного цвета. Это продукт полного гидролиза силикатов и выноса всех подвижных катионов, обогащения окислами и гидроокислами железа, алюминия. Эта зона является типоморфной для коры данного типа; слагающее ее образование называется латеритом;
• современная коричневато-серая почва, обогащенная каолинитом с большим количеством гумуса. В основании почвенного слоя – кремнисто-железистые конкреции.

В странах тропической Африки и на о. Мадагаскар мощность таких КВ 100-150 м.

В составе зоны латерита могут присутствовать горизонты, называемые кирасы. Мощность кирасы около 4 м. они соответствуют зонам цементации латеритной коры выветривания, но наблюдаются не всегда. Кирасы со временем, теряя железо, но одновременно обогащаясь алюминием, превращаются в бокситы, руду на алюминий.

Глинистая кора выветривания

В условиях умеренного влажного климата по гранитам образуется кора выветривания глинистого профиля. Профиль коры, развитой по гранитам, включает зоны:

• невыветрелый гранит;
• раздробленный частично измененный гранит;
• горизонт каолинитовых или монмориллонит-каолинитовых элювиальных глин.

По основным, ультраосновным породам и вулканитам состав глинистого горизонта коры меняется на монтмориллонит-нонтронитово-охристый.

В области умеренного влажного климата (таежно-подзолистая зона) формируется относительно маломощная (0,5-1,2 м) кора выветривания, отождествляемая с почвенным покровом (Страхов, 1963). Для него характерен небольшой мощности (1-3 см) гумусовый слой, обогащенный органическим веществом, составляющий здесь верхнюю часть профиля выветривания. Ниже располагается горизонт, сложенный преимущественно тонкодисперсным кремнеземом мощностью 15-20 см, иногда больше (элювиальный по Н. М. Страхову, 1963). В основании залегает слой с железистыми стяжениями, возникшими за счет поступления железа из вышележащих горизонтов. Это подзолистые почвы, подразделяемые на типы от дерновых до подзолов, для которых характерно максимальной развитие элювиального горизонта.

Значительное влияние климата на масштабы корообразования, на минеральный состав геохимического профиля КВ наряду с температурой определяется различиями в количестве влаги и биомассы, участвующих в выветривании.

Обломочная кора выветривания

В областях аридного климата с дефицитом влаги, а также в полярных и высокогорных, заметного разложения материала материнских пород не наблюдается, так как вода – это ен только среда, но и активный компонент химических реакций при выветривании. Преобладает механическое разрушение пород – кластогенез и формируются обломочные КВ.

Различия геохимического профиля кор выветривания в существенной мере связаны с климатическим фактором, климатической зоной, и зависят от состава исходной породы. Кроме климата формирование профиля коры выветривания и ее сохранение зависят от интенсивности и характера тектонических движений. Оптимальный условия для развития кор выветривания существуют в пределах устойчивых, малоподвижных фрагментов земной коры с ослабленной тектонической активностью, со сглаженными формами рельефа (пенепленизированный рельеф). Данным условиям отвечают платформы, плиты с ландшафтами равнин, холмогорий. В горно-складчатых зонах тектонически активных областей химическое выветривание проявляется, но из-за эрозии КВ могут сохраниться лишь локально, в пределах зон разломов, проседания.

Площадная и линейная кора выветривания

Различия в геолого-структурных особенностях исходного образования, подвергаемого выветриванию (субстрата), обуславливает формирование КВ двух морфогенетических типов – площадного и линейного (сапожников, Витовская, 1981). Площадные КВ образуют сплошной покров на площади до сотен и тысяч квадратных километров, мощностью от нескольких до 100 м. линейные КВ, развиваясь по тектонически ослабленным зонам, развиты более локально, в соответствие с простиранием зоны, проникая на глубины до 1000 м.

Подъем территории отдельных участков влечет за собой расчленение рельефа, что затрудняет формирование КВ. Воздымание может превышать скорость корообразрования и КВ подвергнется денудации, не успев сформироваться. Огромные массы грубодисперсного материала выносятся при этом в конечные водоемы стока. Например, р. Обь ежегодно выносит в океан 394 км³ осадочного материала. Река Меконг, имеющая истоки в Гималаях, впадая в Южно-Китайское море, выносит 1 млрд. тонн. Общая масса продуктов выветривания, выносимая всеми реками в моря и океаны в виде взвесей, обломков, называется твердым стоком и составляет 18, 5 млрд. тонн/год.

Величина твердого стока зависит от скорости течения водных потоков. Для горных рек скорость течения может составлять 700 см/с, в равнинных реках от нескольких сантиметров до 100 см/с.

Глава 5. Выветривание | BookOnLime

5.1. Механическое, химическое и биологическое выветривание

5.2. Процессы гипергенеза и коры выветривания

5.3. Образование почв и их свойства

Большинство геологических процессов на поверхности Земли обусловлены действием солнечной энергии и силы тяжести. Такие процессы называются экзогенными. Все горные породы под воздействием целого ряда факторов постепенно разрушаются — выветриваются. Образовавшиеся мелкие обломки — дресва, песок, глина — смываются дождем, водными потоками, т. е. перемещаются. Этот процесс называется денудацией. В дальнейшем весь рыхлый материал где-то накапливается — происходит его аккумуляция. Процесс разрушения первоначально монолитных горных пород — выветривание — является очень важным в ряду выветривания, денудации и аккумуляции. Приходя в контакт с атмосферой, гидросферой и биосферой, горные породы, ранее находившиеся на глубине, подвергаются изменению своего состояния, нарушению сплошности и, наконец, дезинтеграции, разрушению на мелкие частицы.

Какие же процессы приводят к выветриванию горных пород? Прежде всего это физическое, механическое разрушение, а также химическое и биохимическое разложение минералов и горных пород. Воздействие этих факторов усиливается тем, что как в магматических, так и в осадочных породах всегда присутствуют первичные трещины или трещины отдельности, возникшие при сокращении объема породы, после ее остывания или образования. Следовательно, увеличивается площадь соприкосновения породы с воздухом и водой, в трещины легко проникают корни растений (рис. 5.1). Механическое разрушение породы связано как с особенностями состава и строения самой породы, так и с внешними воздействиями. Первичные трещины в породах по мере эрозии залегающих выше толщ высвобождают усилия давления и расширяются, разрушая материнские породы (рис. 5.1 а, б, в).

Рис. 5.1. Увеличение поверхности выветривания породы по мере ее растрескивания

Рис. 5.1 а. Выветривание песчаников альбского возраста.
Горный Крым (фото В. А. Зайцева)

Рис. 5.1 б. Выветривание конкреций диаметром до 30 см в верхнемеловых
песчано-глинистых отложениях. Провинция Альберта, Канада (фото Gordon C. Hurlburt)

Рис. 5.1 в. Бастионные формы выветривания в верхнеюрских конгломератах
г. Демерджи, южный берег Крыма

Однако наиболее существенным физическим фактором, вызывающим дезинтеграцию пород, являются температурные колебания, как суточные, так и сезонные. Темная поверхность горной породы летом может нагреваться до +60 °С, а в пустынях и выше. В то же время внутренняя часть породы гораздо холоднее. Ночью температура падает, а днем снова возрастает. Так происходит температурное «раскачивание» не только разных частей породы, но и ее минеральных составляющих, особенно в полиминеральных породах, таких как граниты, гнейсы, лавы с крупными кристалликами-вкрапленниками. Разные минералы обладают различными коэффициентами объемного расширения, причем даже в одном минерале этот коэффициент меняется в зависимости от направления. Расширяясь и сжимаясь в разной степени, минералы провоцируют микронапряжения в горной породе, которые расшатывают ее «скелет», и она рассыпается на мелкие обломки — дресву.

Когда поверхность горных пород в каком-либо обнажении нагревается сильнее внутренних частей и, соответственно расширяется больше, то наблюдается отслаивание, шелушение породы параллельно поверхности обнажения. Такой процесс называется десквамацией.

5.1. Механическое, химическое и биологическое выветривание

Морозное, или механическое, выветривание связано с увеличением объема воды, попавшей в трещины, при замерзании. Вода, замерзая, превращается в лед, объем которого на 10 % больше, и при этом создается давление на стенки, например, трещины, до 200 МПа, что значительно больше прочности большинства горных пород (рис. 5.2).

Рис. 5.2. Морозное выветривание. 1 — дождь заполняет водой трещины в горной породе;
2 — при замерзании воды лед (черное) увеличивается в объеме на 10 % и распирает породу,
отдельные куски которой отваливаются от общей массы

Такое же расклинивающее действие на породы оказывают кристаллы соли при их росте из раствора. Механическое расклинивающее воздействие на горные породы оказывают корни деревьев и кустарников, которые, увеличиваясь в объеме, создают большое добавочное напряжение на стенки трещины. Хорошо известно, как раньше раскалывали гранитные блоки. В них забивали дубовые клинья, поливали их водой, и разбухший клин разрывал породу на блоки. Даже мелкие грызуны, а также черви, муравьи и термиты оказывают механическое воздействие на горную породу, роя ходы до 1,5 м глубиной. Земляные черви способны переработать до 5 т почвы на 1 га за 1 год. При этом поверхностные слои почвы обогащаются гумусом. Улитки высверливают глубокие ходы в карбонатных породах, а муравьи роют неглубокие, но многочисленные ходы, разрыхляя почву и способствуя проникновению в нее воздуха. Разрушение горных пород происходит по трещинам (рис. 5.3). Особенно эффектно выветривание выглядит в гранитных скалах (рис. 5.4).

Рис. 5.3. Идеализированная схема формирования концентрическо-скорлуповатой
отдельности при выветривании по трещинам

Рис. 5.4. Матрацевидная форма выветривания в палеозойских гранитах.
Центральный Казахстан

Очевидно, что температурное выветривание шире всего проявляется в условиях жаркого климата, особенно в пустынях, где перепады дневных и ночных температур достигают 50 °С. Морозное выветривание свойственно полярным и субполярным областям, а также высокогорьям, для которых характерны развалы обломков горных пород.

Химическим выветриванием называется разрушение горных пород под воздействием воды, кислорода, углекислоты и органических кислот, содержащихся в воздухе и воде и воздействующих на поверхность пород, растворяя их (рис. 5.5).

Химические выветривание представлено несколькими основными процессами: растворением, окислением, гидратацией, восстановлением, карбонатизацией, гидролизом.

Рис. 5.5. Схема взаимодействия воды с поверхностью минерала.
Молекулы воды способны отрывать ионы от минерала.
1 — минерал; 2 — раствор; 3 — поверхность минерала;
4 — катион; 5 — анион; 6 — молекула воды

Растворение играет наиболее важную роль, т. к. связано с воздействием воды, в которой растворены ионы Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Cl–, SO2-, HCO3– и др. Особенно существенны ионы водорода (Н+), гидроксильный ион (ОН-) и содержание О2, СО2 и органических кислот. Как известно, концентрации ионов Н+ оценивают в виде рН-логарифма концентрации ионов. При рН = 6 растворимость железа в 100 тыс. раз (!) больше, чем при рН = 8,5. Глинозем — Al2O3, практически нерастворимый при рН от 5 до 9, при рН < 4 прекрасно растворяется. Кремнезем — SiO2 — значительно увеличивает свою растворимость при переходе от кислых растворов с рН < 7 к щелочным рН > 7. Отсюда ясно, какую важную роль играет водородный ион в ускорении процессов химического выветривания, в частности растворения.

Хорошо растворяются соли хлористо-водородной и соляной кислот. Так, на 100 частей воды по весу NaCl приходится 36 частей, RCl — 32, MgCl — 56, CaCl — 67. Карбонаты и сульфаты растворяются хуже, например на 10 тыс. частей воды всего 20 частей CaSO4 или 25 частей CaSO4 ⋅ ⋅ 2h3O. Еще хуже растворяются карбонатные породы, известняки, мергели, доломиты. Однако если растворение продолжается длительное время, то возникает большое разнообразие карстовых форм рельефа, включая глубокие, многокилометровые пещеры (см. гл. 8).

Окисление представляет собой взаимодействие горных пород с кислородом и образование оксидов или гидрооксидов, если присутствует вода. Сильнее всего окисляются закисные соединения железа, марганца, никеля, серы, ванадия и других элементов, которые легко соединяются с кислородом. Легко окисляется такой распространенный минерал, как пирит:

FeS2 + nO2 + mh3O → FeSO4 → Fe2 (SO4) → Fe2O3 ⋅ nh3O.

Таким образом, на «выходе» после окисления получается такой распространенный минерал, как лимонит, или бурый железняк. На многих месторождениях сульфидных руд встречается «шляпа», или «покрышка», из бурого железняка — результат одновременных окисления и гидратации. Для нижних частей почвы характерны отрзанды, корки лимонита, цементирующего песка.

Следы окисления в виде пород, окрашенных в бурый, охристый цвет, наблюдаются везде, где в породах содержатся железистые минералы или их включения. Во влажном и жарком климате при испарении воды образуются бедные водой минералы группы гематита Fe2O3, обладающие красной окраской. Вот почему в тропических областях коры выветривания превращаются в твердую красную породу — латерит.

Восстановление происходит в отсутствие химически связанного кислорода, когда сильным восстановителем является органическое вещество, сформировавшееся в результате отмирания болотной растительности. При этом необходимы анаэробные условия в неподвижной, застойной воде, например в болотах. Восстановительные процессы превращают породы с оксидом железа, окрашенные в бурые, желтые и красноватые цвета, в серые и зеленые. Под торфом иногда возникает серо-зеленая глинистая масса, называемая глеем.

Гидролиз — это довольно сложный процесс, особенно затрагивающий минералы из группы силикатов и алюмосиликатов. Происходит он при взаимодействии ионов Н+ и ОН– с ионами минералов, следовательно, для гидролиза всегда необходима вода. Гидролиз приводит к нарушению первичной кристаллической структуры минерала и возникновению новой структуры уже другого минерала. Наиболее распространенный пример — это гидролиз ортоклаза, одного из полевых шпатов, часто встречающегося в горных породах, особенно в гранитах. Гидролиз в присутствии СО2 приводит к образованию нерастворимого минерала каолинита и выносу бикарбоната калия и кремнезема:

K2Al2Si6O10 + 2h3O + CO2 (Ортоклаз) →
h3Al2Si2O18 ⋅ h3O + K2CO3 + 4SiO2. (Каолинит)

Каолиновая глина, покрывая панцирем выветривающуюся породу, препятствует ее дальнейшему разрушению. Будучи довольно устойчивым минералом, каолинит при определенных условиях способен к дальнейшему разложению с образованием еще более устойчивых минералов, например гиббсита — AlO(OH)3, входящего в состав боксита, основной руды для получения алюминия.

Карбонатизация представляет собой реакцию ионов карбоната и бикарбоната с минералами, которая ведет к образованию карбонатов кальция, железа, магния и др. Большая часть известных нам карбонатов хорошо растворяется в воде и выносится из зоны выветривания. Именно поэтому грунтовые воды в таких местах обладают высокой жесткостью.

Гидратация — это процесс присоединения воды к минералам и образования новых минералов. Самый простой пример — переход ангидрита в гипс:

CaSO4 + 2 h3O ⇔ CaSO4 ⋅ 2h3O

или гематита в гидроокислы железа:

Fe2O3 + nh3O ⇔ Fe2O3 ⋅ nh3O.

Объем породы при гидратации увеличивается, что может привести к деформациям отложений.

Биологическое выветривание. Живое вещество, с точки зрения В. И. Вернадского, создает химические соединения, которые могут производить большую геологическую работу.

Горные породы на своих поверхностях содержат огромное количество микроорганизмов. На 1 г выветрелой породы может приходиться до 1 млн бактерий. Как только порода начинает выветриваться, на ней сразу же поселяются бактерии и сине-зеленые водоросли, затем лишайники и мхи, которые растворяют и разрушают поверхностный слой породы, и после их отмирания на ней образуются углубления, ямки, борозды, заполненные сухой биомассой отмерших организмов. Изучение под микроскопом поверхности камней, слагающих древние храмы, дворцы, церкви, жилые здания и т. п., показывает, что на них находится множество разнообразных организмов — бактерии (цианобактерии, актиномицесты), водоросли, грибы, протисты, членистоногие, лишайники и др. Наиболее распространены грибные гифы (ветвящиеся тяжи) и микроколонии из округлых клеток. Грибы, как правило, интенсивно окрашены различными пигментами — меланином, каротиноидами, микроспоринами, которые вызывают потемнение трещин и придают поверхности мрамора, например, красновато-бурый, бурый — почти черный — цвет. Еле заметные трещинки на поверхности камней обладают другими экологическими обстановками, нежели обстановки на гладкой поверхности породы. Там больше влаги и меньше света. Поэтому в субаэральных пленках на поверхности камней преобладают микроскопические грибы, гифы которых активно растут, удлиняются и в конце концов покрывают всю поверхность камня.

Таким образом, на поверхности горных пород формируются сообщества микроорганизмов, играющие важную роль в процессах выветривания.

Биота, поселившаяся на поверхности горных пород, извлекает из нее необходимые для жизни химические элементы — Р, S, K, Ca, Mg, Na, B, Sr, Fe, Si, Al и др., что подтверждается их большим содержанием в золе растений, выросших на горных породах. Даже Si извлекается из кристаллических решеток алюмосиликатов. Следовательно, организмы участвуют в разложении минералов. Однако они и возвращают новые химические элементы в геологическую среду. Тем самым происходит круговорот веществ, обусловленный активностью биоты.

Следует отметить, что в процессах химического выветривания организмы участвуют и косвенным путем, выделяя, например, кислород при фотосинтезе, образуя СО2 при отмирании растений, провоцируя образование весьма агрессивных органических кислот, которые резко усиливают растворение и гидролиз минералов. Такое воздействие наиболее интенсивно происходит во влажном тропическом климате, в густых болотистых лесах, в которых опад (отмершие растения, листья и др.) составляет почти 260 ц/га. Вода в подобных джунглях обладает кислой реакцией и активно растворяет горные породы, нарушая связи в кристаллической решетке минералов.

5.2. Процессы гипергенеза и коры выветривания

Под зоной гипергенеза понимается поверхностная часть земной коры, непрерывно подвергаемая воздействию различных экзогенных факторов и в которой горные породы стремятся войти в равновесие с непрерывно изменяющейся окружающей геологической средой. Термин «гипергенез», введенный А. Е. Ферсманом, знаменитым российским минералогом, по существу является синонимом термину «выветривание». Гипергенные процессы проникают далеко вглубь поверхностной части земной коры и видоизменяют ее в сильно расчлененном горном рельефе на сотни метров и даже несколько километров.

Типы гипергенеза, установленные Б. М. Михайловым, включают в себя следующие обстановки. Поверхностный (континентальный) гипергенез происходит на поверхности суши и проникает вглубь с помощью нисходящей воды. К наиболее важным образованиям поверхностного гипергенеза относятся следующие:

1. Элювий, или кора выветривания, представляет собой геологиче­ское тело, развитое на определенной площади или вдоль какой-либо зоны в горных породах, сложенное продуктами переработки поверхностных горных пород процессами физического, химического и биохимического выветривания. Элювий не перемещается, он остается на месте разрушенных пород. Естественно, что процессы формирования элювия развиваются на слабо расчлененном, выровненном рельефе, достигшем стадии зрелости. Именно в таких условиях и формируются коры выветривания, представляя собой остаточные продукты разрушения пород. Кора выветривания, как и ее мощность, зависит от ряда факторов. Наиболее благоприятные условия создаются при высокой температуре, высокой влажности и выровненном рельефе. В таких условиях жаркого гумидного климата образуются латеритные красные коры выветривания, состоящие из минералов гидрооксидов и оксидов алюминия, железа и титана с примесью каолинита (рис. 5.6). В связи с тем что верхняя часть коры выветривания обладает наибольшей степенью разложения первичного материала, в ней присутствуют глинозем (Al2O3) и гидроокислы железа, которые придают элювию в сухом состоянии высокую прочность, напоминая красный кирпич. Эта твердая самая верхняя часть латеритной коры выветривания называется панцирем, или кирасой. Нижняя часть латеритной коры выветривания имеет неровную границу с глубокими карманами над более раздробленными участками пород, где залегает дресва — мелкие обломки этих же коренных горных пород.

В областях с гумидным климатом распространен глинистый элювий — слой или толща глин, в которых сохраняется реликтовая структура коренных пород.

Над рудными залежами сульфидных руд иногда образуются рудные «шляпы», специфические коры выветривания, прочные корки из разложившихся сульфидных минералов.

2. Иллювий, или инфильтрационная кора выветривания, — еще один из типов гипергенеза, в котором вещество, замещающее коренные породы, привнесено извне. Иллювиальные коры выветривания имеют различный состав и мощность в зависимости от химического состава инфильтрующего раствора, физико-химических и климатических обстановок. Встречаются сульфатные, карбонатные, кремнистые и соляные (солончаки и солонцы) иллювиальные коры выветривания.

Выделяется также подводный гипергенез, или гальмиролиз. Этот процесс связан с воздействием морской воды на отложения океанского или морского дна. Магматические породы в этом случае разлагаются с образованием глин, а вулканические пеплы превращается в особую глинистую массу.

Рис. 5.6. Кора выветривания в тропической лесной зоне (по Н. М. Страхову).
1 — граниты, 2 — слабо измененная химически зона дресвы,
3 — гидрослюдисто-монморилонитово-бейделитовая зона,
4 — коалинитовая зона, 5 — охры Al2O3,
6 — панцирь Fe2O3+ Al2O3

Современные коры выветривания обладают небольшой мощностью и они, как правило, еще не сформировались, т. к. времени было недостаточно. В далекие геологические времена, когда большие пространства континентов обладали слабо расчлененным, выровненным рельефом, в условиях благоприятного климата формировались мощные, до 100 м и более, коры выветривания, обладающие характерным вертикальным профилем. В их основании располагалась дресва коренных пород, сменяемая выше зоной с гидрослюдами, и в верхней части разреза находилась толща каолиновых глин. Подобный стиль разреза древней мезозойской коры выветривания характерен для гранитных пород Урала, а для других коренных пород зональная последовательность в коре выветривания может быть иной. С древними корами выветривания связаны разнообразные полезные ископаемые, такие как бокситы — основное сырье для получения алюминия; гидроокислы и окислы железа, марганца; гидросиликаты никеля, развитые по ультраосновным породам и многие другие.

В настоящее время мы наблюдаем лишь сохранившиеся остатки древних кор выветривания, уцелевших от эрозии в западинах и карманах рельефа. А раньше они были площадными, занимали большие пространства или, наоборот, имели линейный характер, будучи приуроченными к раздробленным зонам крупных разломов.

Чаще всего перечисленные выше типы выветривания действуют одновременно. Однако под воздействием климата, водного режима, смены суточной и сезонной температур решающим становится какой-нибудь один тип, подчиняющийся климатической зональности. Так, во влажной тропической зоне химическое выветривание благодаря высокой температуре протекает интенсивно, с максимумом выщелачивания. Несколько менее энергично такое же выветривание происходит в таежно-подзолистой зоне. В пустынях, полупустынях и тундре преобладает физическое выветривание, тогда как химическое сходит на нет.

Выветривание происходит всегда и везде. Даже на пирамиде Хеопса в Гизе, в предместье Каира, за последние 1000 лет потеря материала поверхности известняковых блоков составила 0,2 мм за 1 тыс. лет, а гранитных облицовочных плит — 0,002 мм/год. Современное загрязнение воздушной среды способствует быстрому выветриванию древних каменных скульптур, храмов и памятников.

5.3. Образование почв и их свойства

Практически вся поверхность суши покрыта тонким слоем почвы, энергетически и геохимически весьма активным, в котором проявляется взаимодействие между живыми организмами, атмосферой, гидросферой и горными породами.

Более 100 лет назад великий русский ученый В. В. Докучаев показал, что почва представляет собой самостоятельное, очень тонкое природное тело, созданное из почвообразующих пород, растительности, животного мира, климата и рельефа. Коренные горные породы, на которых формируется почва, играют решающую роль в химическом и минеральном составе почвы, а живые организмы обусловливают формирование органического вещества в почве — гумуса. Академик
В. И. Вернадский когда-то назвал почву биокосным телом, подразумевая под этим взаимодействие как живых организмов, так и коренных (косных) горных пород.

Почвы относятся к наиболее сложным природным телам, и в настоящее время на мировой почвенной карте их выделено 133 типа, разделяемые еще более дробно. Почвы различных типов характеризуются набором горизонтальных слоев, называемых генетическими горизонтами:

• А — гумусово-аккумулятивный поверхностный горизонт, в котором скапливаются органические вещества и элементы питания для растительности;

• Е — элювиальный, или горизонт вымывания. Назван так потому, что нисходящий поток воды вымывает из него Fe, Mn, Ca, Mg;

•В — иллювиальный, или горизонт вмывания, т. к. в нем накапливаются вещества, вымытые из горизонта Е;

• ВСа — горизонт скопления карбонатов кальция;

• G — глеевый горизонт с восстановительной обстановкой, в которой Fe3+ восстанавливается до Fe2+;

• C и D — почвообразующие и подстилающие горные породы.

Эти генетические горизонты в разных почвах различаются между собой, и их сочетания отличаются большим разнообразием, но, что важно, наличие одного горизонта обусловлено существованием другого, например иллювиальный горизонт В, в котором накапливаются вещества, не может существовать без горизонта Е, из которого эти вещества вымываются (см. также рис. 5.7).

Рис. 5.7. Нормальный почвенный профиль.
Горизонты: А0 — неразложившиеся или слабо разложившиеся органические остатки,
А1 — гумусовый, А2 — элювиальный, или почвенного выветривания,
В — иллювиальный, или горизонт вмывания, С — коренные породы

Во всех типах почв: в черноземах, подзолистых, тундровых, каштановых, тропических и субтропических, торфянистых, солончаковых, пойменных и др. — содержатся все известные химические элементы. Первое место занимает кислород, затем кремний, алюминий и железо. Все остальные элементы в сумме не превышают 5–6 %, однако в торфянистых почвах много углерода. В каждом типе почв много органических веществ, но не тех, которые содержатся в растительных и живых организмах, а вновь образовавшихся. Это прежде всего гуминовые кислоты и фульвокислоты, являющиеся характернейшей особенностью почв. Гуминовые кислоты — темные органические соединения с 50–60 % углерода и еще многих веществ. Темная окраска обусловлена длинной цепью сопряженных двойных связей – С = С – С = С –. Именно они придают черноземным почвам черный цвет. Гуминовые кислоты растворимы только в водных растворах щелочей, а фульвокислоты — и в воде.

Второй важнейшей составляющей любых почв является фракция, частицы которой размером 0,002–0,001 мм состоят преимущественно из глинистых минералов, например каолинита и монтмориллонита. Присутствуют также частицы кварца, полевых шпатов, слюд, а в засоленных почвах — минералы соли NaCl, KCl, MgCl2, CaCl2, которые в период дождей растворяются, а в сухое время кристаллизуются.

Хорошие черноземные почвы важны для существования человека. Деградация почв — это катастрофа для всего живого. Она происходит из-за эрозионных и дефляционных процессов, засолений, техногенных воздействий. Почвенный гумус аккумулирует в себе колоссальные запасы углерода и биогенных элементов, а следовательно, он является и аккумулятором солнечной энергии. Почвенный покров Земли обеспечивает существование биоценозов и является необходимым условием существования жизни на Земле. В почве непрерывно протекают сложные обменные процессы, в результате которых свойства почв меняются и может происходить саморазвитие почв. Почвенный покров создается тысячелетиями, но неразумная техногенная и сельскохозяйственная деятельность может разрушить его в считаные годы, несмотря на то что почвы, даже черноземы, способны к самовосстановлению — гомеостазу. Основные геосферные функции почвы обусловлены ее положением на стыке живой и неживой природы. Почва — это основное средство сельскохозяйственного производства, относящееся к невозобновляемым природным ресурсам.

Следует отметить, что во многих разрезах четвертичных отложений наблюдаются горизонты погребенных почв, т. е. таких, которые уже не входят в сферу биологического круговорота, они не могут продуцировать гумус и являются мертвыми почвами.

Почвенное выветривание и почвообразование | Почвы. Часть 1: Происхождение и развитие почвы (Как почва обрела жизнь и имя)

Формирование и развитие почвы — это динамический, а не статический процесс. Почвы существовали, когда доисторические животные бродили по Земле, и, подобно этим животным, некоторые из них больше не существуют или сохранились только в виде окаменелых почв, погребенных глубоко под нашей нынешней почвой.

Выветривание описывает средства, с помощью которых почва, горные породы и минералы в результате физических и химических процессов превращаются в другие компоненты почвы. Выветривание является неотъемлемой частью развития почвы. В зависимости от факторов почвообразования в районе выветривание может происходить быстро в течение десятилетия или медленно в течение миллионов лет.

Развитие почвы отражает процесс выветривания, связанный с динамической средой, в которой она сформировалась. Выявлено пять почвообразующих факторов, влияющих на развитие конкретной почвы. Везде, где эти пять факторов были одинаковыми в ландшафте, почва будет такой же. Однако если один или несколько факторов различаются, то и почвы будут другими. Факторы есть?

1. Исходный материал

2. Климат

3. Живые организмы

4. Топография

5. Время

Исходный материал

Исходный материал состоит из горных пород и минералов. Когда другие четыре почвообразующих фактора воздействуют на исходный материал, он выветривается на более мелкие частицы, образующие почву.

Существует много типов исходного материала с различным содержанием минералов. Считается, что Земле около трех миллиардов лет. Горы были созданы и разрушены эрозией, а затем созданы снова. Моря покрыли землю и отступили, оставив слои грязи, песка и известкового карбоната толщиной в тысячи футов. Вулканы извергались. Ледники образовались в течение длительных периодов холодной погоды и таяли в течение длительных периодов теплой погоды.

Исходным материалом может быть горная порода, образовавшаяся на месте, или остатки горной породы, сдвинутые ветром, водой, льдом или даже силой тяжести. В Небраске можно найти разнообразный исходный материал, от песка в районе Сандхилл до глины в Миссури и на дне других рек.

На Великих равнинах, особенно на юге, исходные материалы в основном связаны с древними морями. Эти моря приходили в регион и несколько раз отступали, оставляя после себя отложения, которые со временем превратились в коренные породы из песчаника, известняка и сланца. Коренные грунтовые образования классифицируются как остаточные исходные материалы и могут подвергаться воздействию и разрушаться с образованием почвы.

Рисунок 1.1.  Поперечное сечение слоистых исходных материалов для юго-востока Небраски, Ассоциация почв Шарпсбург-Маршалл (Старший, 1969 г.).

В Небраске большая часть остаточных пород (например, известняковые, песчаниковые и сланцевые коренные породы) покрыта более поздними геологическими материалами, такими как ледниковые отложения, принесенные ветром минералы или материалы, перемещаемые водой ( рис. 1.1 ). Один или несколько вышележащих исходных материалов могли откладываться в какой-либо области на протяжении времени.

Рисунок 1.2. Площадь, покрытая ледяными щитами.

Ледниковые отложения образовались из больших ледяных щитов, которые перемещались по территории Канады и центрально-северной части США ( рис. 1.2 ). Считается, что ледники вторглись только в восточную часть Небраски, где они заполнили долины и сровняли холмы. Песок и гравий откладывались вместе с валунами, глиной и другими отложениями по мере таяния и отступления ледников. Реки, которые ранее были полны воды, были заблокированы, а большое количество песка и гравия, смытых со Скалистых гор, осело в центральной части Небраски. Эти скопления песка и гравия теперь являются водоносными горизонтами, которые обеспечивают наш обильный запас подземных вод.

Многие почвы на юго-востоке штата Небраска были сформированы из исходных материалов, отложенных ледниками, обычно называемых ледниковым наносом, ледниковым тилем или ледниковым стоком.

Большая часть исходного материала, отложившегося в древние времена, была покрыта переносимым ветром материалом. Переносимый ветром илистый материал называется лёссом. Он покрывает большую часть Небраски на разной глубине, за исключением Сандхиллов и западных частей Панхандла. Этот желто-коричневый лесс в основном встречается в зоне недр и может иметь глубину 700 футов и более в северо-восточных и центральных районах штата и всего несколько футов в западной и юго-восточной Небраске. Лессовые почвы, как правило, очень плодородны. Некоторые из них являются одними из самых продуктивных почв в мире.

Переносимый ветром песчаный материал называется эоловым песком. Он преимущественно покрывает остатки в Сандхиллз и западных частях Панхандла. Этот грубый текстурированный исходный материал обычно имеет глубину в несколько футов и встречается как в поверхностных, так и в подпочвенных зонах. Эоловые почвы не очень продуктивны, потому что они имеют очень низкую водоудерживающую способность, мало органических веществ и бедны питательными веществами по сравнению с лёссовыми почвами. Большинство из них используются для производства травы или естественной среды обитания.

Геологические материалы, перемещенные из исходного материала водой, известны как аллювий. Аллювиальные отложения встречаются в поймах рек, таких как река Платт и долины других ручьев. Поскольку русла рек постоянно меняются с течением времени, аллювиальные материнские материалы сильно различаются, как и почвы, которые их образуют.

Физические и химические процессы выветривания, которые превращают исходный материал в почву, включают:

• Изменения температуры — замерзание и оттаивание.

• Эрозия водой, ветром, льдом и силой тяжести.

• Корни растений, роющие животные, насекомые и микроорганизмы.

• Водные отношения — смачивание и высыхание.

• Изменения химического состава и объема.

Физические процессы в первую очередь приводят к распаду горных пород на все более мелкие частицы. По мере того, как частицы становятся меньше, большое влияние на почвообразование начинают оказывать различные живые организмы, поскольку они вносят свой вклад в органическое вещество. Кроме того, более мелкие частицы ускоряют химические процессы, в результате которых образуются новые химические соединения. На все эти процессы сильно влияет климат, особенно температура и осадки.

Климат

Климат штата Небраска весьма изменчив и влияет на развитие почвы. В частности, количество осадков колеблется в среднем от 33 дюймов в год на юго-востоке Небраски до 15 дюймов в год в западной Небраске ( рис. 1.3 ).

Количество воды, поступающей в почву, влияет на движение кальция и других химических соединений в почве. В конечном счете, если будет удалено больше химикатов, почвы станут более глубокими и развитыми. Осадки влияют на растительность и, следовательно, во многом определяют содержание органического вещества в почвах. Из-за большего количества осадков в восточной Небраске местная растительность включала пышные заросли высокотравных прерий. В западной Небраске, где количество осадков вдвое меньше, чем на востоке, растения низкотравных прерий произрастают гораздо менее обильно. Таким образом, содержание органического вещества в почве больше на востоке, чем на западе.

Более высокие температуры могут ускорить разложение органических веществ. Температура обычно выше в южной части штата, чем в северной части ( рис. 1.3 ). В связи с этой тенденцией содержание органического вещества уменьшается с севера на юг. Однако изменение содержания органического вещества с севера на юг из-за температуры незначительно по сравнению с изменением с востока на запад из-за осадков.

Почвы в восточной Небраске обычно содержат 3 процента органического вещества по сравнению с примерно 1-2 процентами на западе.

Живые организмы

Самым многочисленным живым организмом в почве является растительность. Растительность влияет на тип разрабатываемой почвы, потому что растения различаются по своей корневой системе, размеру, надземному вегетативному объему, содержанию питательных веществ и жизненному циклу. Почвы, сформировавшиеся под деревьями, сильно отличаются от почв, сформировавшихся под травой, хотя другие почвообразующие факторы аналогичны. Деревья и травы значительно различаются по своему поиску пищи и воды, а также по количеству различных химических веществ, поглощаемых корнями и оседающих в почве или на ее поверхности, когда листья деревьев и травинки отмирают.

Почвы, сформированные под травой, содержат намного больше органических веществ, чем почвы, сформированные под лесами, из-за их массивной волокнистой корневой структуры и ежегодного старения надземной растительности. Почвы пастбищ, как правило, темнее, особенно на больших глубинах, и имеют более стабильную структуру, чем лесные почвы. Почвы, развитые под травой, как правило, более плодородны и лучше всего подходят для выращивания сельскохозяйственных культур. Почвы Небраски из любого исходного материала почти все сформированы под травой и при достаточном количестве воды могут быть очень продуктивными.

Тип выращивания растений влияет на состав остатков. Например, продукты распада хвои хвойных деревьев отличаются от продуктов распада листьев лиственных пород. Эти продукты распада по-разному влияют на почвообразование и развитие, когда вода перемещает их через почву.

Тип растительности и климат также влияют на вид и количество других организмов, живущих в почве, таких как насекомые, мелкие животные и микроорганизмы. Организмы жуют, рвут и переваривают растительный и животный материал, заставляя его подвергаться дальнейшему биохимическому воздействию по мере разложения. Некоторые организмы могут потреблять неразложившийся растительный и животный материал, в то время как другие питаются экскрементами организмов.

В почве живет множество организмов. К ним относятся клещи, улитки, жуки, многоножки, ногохвостки, черви, суслики, суслики, личинки, нематоды и микроорганизмы (например, бактерии, грибы, актиномицеты и водоросли). Микроорганизмы являются наиболее распространенными организмами в почве.

Активность почвенных организмов сильно зависит от температуры почвы, кислотности и соотношения почвы и воды. Их основной вклад в почву заключается в улучшении структуры почвы, преобразовании питательных веществ и плодородии, аэрации и повышении продуктивности.

Под лесами почвенные микроорганизмы более разнообразны, чем под лугами; однако микроорганизмы под лугами более активны и имеют большую массу, чем в лесных условиях. В целом на возделываемых полях меньше организмов, чем на нетронутых землях. Обобщенное соотношение массы организмов под травой/лугом:дубовым лесом:еловым составляет 13:5:1.

Среди почвенных организмов наиболее распространены бактерии, за которыми следуют актиномицеты (палочковидные микроорганизмы) и дождевые черви. До 4000 фунтов бактерий может присутствовать на одном акровом участке борозды (участок борозды = глубина почвы 6 дюймов). Это более чем в четыре раза превышает массу дождевых червей, которые могут присутствовать.

Из-за большого количества организмов, присутствующих в почве, и их способности ускорять разложение органического материала они играют важную роль в почвообразовании.

Топография

Изменения топографии влияют на соотношение влажности и температуры. Хотя считается, что Небраска находится на Великих равнинах, топография в пределах ее границ сильно различается. С широкой точки зрения штат можно разделить на регионы, включающие долины, песчаные холмы, равнины, холмы, расчлененные равнины, обрывы и откосы, а также склоны склонов долины  (см. Приложение 1: Топографические районы штата Небраска).  Каждый из этих топографических регионов имеет некоторые общие черты, влияющие на почвообразование.

В локальном масштабе мы можем сравнить почти ровное поле с холмистым. Чем круче склон, тем больше влияние топографии на развитие почвы на холмах и крутых склонах. На склонах сток ускоряется, поэтому в почву проникает меньше воды. Таким образом, у растений, как правило, более мелкая корневая система; и производится меньше органических веществ по сравнению с почти ровной землей. Крутые склоны также подвержены большей эрозии, которая удаляет почву так же быстро или даже быстрее, чем она образуется. На почти ровной земле вода имеет тенденцию скапливаться на поверхности почвы. Здесь рост растений может быть обильным, что приводит к производству большого количества органического вещества.

Склоны южной экспозиции теплее и суше, чем склоны северной экспозиции. Фактически, топография влияет на микросреду для почвообразования так же, как климат влияет на макросреду для почвообразования.

Время

В зависимости от степени выветривания почвы делятся на молодые, зрелые и старые. Зрелая почва находится в равновесии с окружающей средой и показывает полное развитие слоев или горизонтов в своем профиле (рис. 1.4).  

Почвы, вероятно, никогда не достигают равновесия, но они стареют и постоянно выветриваются. Однако скорость выветривания значительно замедляется по мере того, как почва приближается к равновесию с окружающей средой. Чем дольше исходный материал подвергается воздействию, тем больше степень выветривания и тем более развита почва. Почвы на юго-востоке Канзаса, например, сильно выветрены. Исходные материалы на юго-востоке Канзаса были обнажены около 200 миллионов лет назад. Это сопоставимо с лёссовыми почвами в Небраске, возраст которых составляет всего от 10 до 50 тысяч лет.

Следующая страница

Выветривание и почва — геология В

Выветривание – это механическое
разрушение горных пород и связанное с ним химическое изменение минералов,
происходит на поверхности Земли.

Выветривание является частью процесса
разрушение породы и транспортировка полученных материалов. Это общее
процесс часто называют эрозией. Технически эрозия – это удаление
выветрившийся материал и является лишь частью общего процесса. Процесс
состоит из 4 этапов

Выветривание -> Эрозия ->
Транспорт -> Депонирование

Эрозия, перенос и отложение
осуществляются такими агентами, как ветер, лед и вода. Мы рассмотрим эти
подробно в следующих главах.

Выветривание состоит из двух аспектов:
механическое выветривание и химическое выветривание

1. Механическое выветривание  есть
   физическая фрагментация породы
2. Химическое выветривание  это
   химическое изменение минерала

Механическое и химическое выветривание
не только происходят одновременно, они помогают друг другу в общем выветривании
процесс.

• Механическое выветривание увеличивает открытую поверхность
  участок горной породы, на котором может происходить химическое выветривание.
• Химическое выветривание влияет на различные минералы на
  разные тарифы. Это ослабляет ткань породы, облегчая
  механическое выветривание.

Механический
Процессы выветривания

• Расклинивание мороза  –
  при ежедневном цикле замерзания-оттаивания на больших высотах вода просачивается в трещины,
  замерзает и расширяется, расширяя трещину, затем плавится и просачивается вглубь
  вновь удлиненная трещина, поскольку цикл повторяется.
• Термическое расширение  –
  даже в климате, где не бывает ежедневных циклов замерзания-оттаивания, ежедневно
  температурные циклы расширяют и сжимают породы, вызывая трещинообразование.
• Разгрузка  –
  многие горные породы, например глубинные магматические породы, образуются глубоко в земной коре.
  Когда они обнажаются на поверхность путем удаления вышележащих пород путем
  эрозии, давление на горную породу уменьшается, что приводит к ее расширению и
  трескаться. Такие камни, как гранит, часто трескаются концентрическими слоями (как луковица).
  в результате чего происходит процесс, известный как эксфолиация. Это приводит к тому, что гранитные купола
  такие как Half Dome в Йосемити, Enchanted Rock в Техасе и Stone Mountain.
  в Грузии.
• Органическая деятельность – корни растений, роющие животные и т. д.
• Истирание  –
  углы хрупкие вещи на камнях как на мебели. Как скалы
  при транспортировке они трутся друг о друга, снимая сначала углы, а затем
  края. Таким образом, по мере увеличения времени и расстояния транспортировки обломки горных пород
  становятся закругленными (не обязательно сферическими) по мере удаления углов и краев.

Кислоты

• Кислоты – это растворы, содержащие больше ионов Н+, чем чистые
  вода. Концентрация ионов H+ (выраженная отрицательным логарифмом) равна
  рН раствора. Если рН падает на 1, концентрация ионов Н+ падает.
  на 10,
• Так как атмосфера содержит CO2, а почва с высоким содержанием CO2, большая часть дождевой воды смешивается
  с CO2 до
  образуют слабую кислоту, известную как угольная кислота.

h3O
+ CO2 =
h3CO3 = H+  +   HCO3-

• Антропогенные загрязнители, такие как оксиды серы и
  оксиды азота вызывают кислотные дожди, включающие серную и азотную кислоты.

Химическая промышленность
Процессы выветривания

• Растворение (или растворение) — это растворение растворимых минералов в
  вода или слабые кислоты. Растворимые минералы обычно связаны ионными связями.
  минералы, такие как кальцит и галит. Силикатные минералы не подлежат
  решение. Для растворения требуется значительное количество воды.
  много материала. Таким образом, он наиболее эффективен во влажном климате. Решение
  очень эффективен на карбонатных породах.
• Окисление  —
  Эта реакция влияет на железосодержащие минералы, образуя оксиды железа. Железо
  оксиды являются сильными красителями и придают многим горным породам красноватый или желтовато-коричневый цвет.
  окраска.
• Гидролиз  –
  эта реакция является наиболее важной реакцией выветривания, поскольку она влияет
  силикатные минералы. Силикаты с ионно-связанными ионами металлов
  (все, кроме кварца) выветриваются в результате этой реакции. При гидролизе,
  ион H+ из воды или слабой кислоты проникает в минерал
  структура из-за его очень малого размера (это ядро ​​без электронов).
  Поскольку ион H+ настолько реактивен, он вытесняет другие ионы металлов и
  вызывает химическое разрушение кристаллической структуры. Самое важное
  побочным продуктом гидролиза являются глинистые минералы . Потому что силикаты
  являются наиболее распространенными минералами в земной коре, глинистые минералы являются наиболее
  обильный побочный продукт выветривания.

Побочные продукты выветривания

Побочные продукты выветривания, в
общий:

1.

детрит — твердый
осколки

2.

новый
полезные ископаемые — глины, оксиды железа и др.

3.

ионов
в растворе — уносится ручьями в озера или океаны

Некоторые специфические побочные продукты
выветривание

Скорость выветривания

В общем, чем влажнее климат,
тем быстрее происходит выветривание

Во влажном климате,
карбонаты (растворение) обычно выветриваются быстрее, чем силикаты (гидролиз)
поскольку для растворения требуется больше воды, чем для гидролиза. Обратное верно в
засушливый и полузасушливый климат, где карбонаты, такие как известняки, обычно выветриваются
медленнее, чем карбонаты. В центральном Техасе известняки выветриваются медленно,
таким образом, Аламо еще не распался!

Основные силикаты выветриваются быстрее
чем кислые силикаты. Таким образом, железомагнезиальные силикаты выдерживают
быстро превращается в глины и оксиды железа. Полевые шпаты выветриваются медленнее. Кварц
химически не выветривается.

Почва представляет собой сложную смесь
детрит, рыхлые обломки горных пород, называемые реголитом, вода, воздух и органические
материал.

Почвенные горизонты

Глины и положительные ионы обычно
вымывается из горизонта А (называемого зоной выщелачивания) в горизонт В
(так называемая зона аккумуляции).

Факторы почвообразования

• Климат —
  количество осадков наиболее важно, диапазон температур также важен
• Материнская порода  —
  контролирует минералы, доступные для почвы
• Угол наклона и экспозиция  — более крутые склоны обычно означают более тонкие почвы,
  Аспект контролирует рост растений и уровень влажности почвы.
• Время —
  если район периодически подвергается ураганам или наводнениям, толстая почва будет
  не терпеть
• Органический рост  —
  тип и густота роста растений

Основные типы почв

1.

Педальферы

Педальферы — это почвы, которые образуются в регионах с умеренно большим количеством осадков и прохладными или умеренными температурами. Эти почвы богаты Al и Fe, отсюда и название PedAlFer. Эти почвы, как правило, представляют собой богатые коричневые почвы и лежат в основе большей части востока и среднего запада США. Основным процессом формирования этой почвы является умеренное выщелачивание. Большинство растворимых ионов (Ca, Na) удаляются. Алюминий присутствует в глинах, преобладающих в слое Б (недра) наряду с оксидами железа.

2.

Педокал

Педокалы образуются в жарком сухом климате.
Здесь происходит незначительное выщелачивание. Растворимые ионы перемещаются из слоя А, но
накапливаются в слое B, а не удаляются из почвы. Слой B
часто содержит набухающие глины (смектитовые глины), которые могут быть проблематичными для
дороги и фундаменты домов (как здесь, в ЮАР!). Кальцит накапливается в B
слой. Если в слое В накапливается достаточное количество кальцита, твердые цементоподобные слои или
сгустки под названием  caliche  проявить. Педокалы обычно представляют собой тонкие почвы.
(из-за малого количества осадков) и не идеальны для выращивания.

3.

Латериты

Латериты – это мощные красные почвы,
развиваются в районах с повышенными осадками и температурой. Обширное выщелачивание
удалили все растворимые ионы, а также некоторые глины, оставив в основном
оксиды алюминия и оксиды железа. Латериты – бедные питательными веществами почвы. Факт
что они лежат под многими влажными тропическими лесами, свидетельствует о том, что
круговорот питательных веществ в тропических лесах в значительной степени обходит почву. Питательные вещества
быстро перерабатываются из разлагающегося органического материала обратно в живые растения.