Выветривание горных пород

Выветривание горных пород — это совокупность процессов физического, химического и биогенного разрушения горных пород и минералов на поверхности Земли (или вблизи неё) под воздействием атмосферы, гидросферы и биосферы. Выветривание является одним из важнейших экзогенных (внешних) геологических процессов, приводящих к образованию рыхлых отложений, кор выветривания и почв. Оно подготавливает материал для денудации (сноса) и последующего осадконакопления. Скорость и характер выветривания зависят от климата, состава пород, рельефа и деятельности организмов.

Типы выветривания

В зависимости от преобладающего фактора разрушения выделяют три основных типа выветривания: физическое, химическое и биогенное (биологическое). В природе они, как правило, действуют совместно, образуя единый процесс.

Физическое выветривание

Физическое выветривание — это механическое разрушение горных пород на обломки без изменения их химического состава. Основные механизмы:

• Температурное (инсоляционное) выветривание: связано с суточными и сезонными колебаниями температуры. Разные минералы в породе имеют различный коэффициент теплового расширения, что приводит к возникновению внутренних напряжений, микротрещин и последующему растрескиванию. Особенно интенсивно в пустынях и высокогорьях, где амплитуда температур велика.
• Морозное выветривание (криогенное): происходит при замерзании воды в трещинах и порах породы. При замерзании вода увеличивается в объёме примерно на 9%, создавая давление до 200 МПа, что расклинивает и разрушает породу. Характерно для полярных и горных регионов с частыми переходами температуры через 0°C.
• Солевое выветривание: кристаллизация солей из водных растворов в порах и трещинах породы. Рост кристаллов также создаёт давление, разрушающее породу. Типично для засушливых и прибрежных зон.

Результатом физического выветривания являются обломки различного размера — от глыб до щебня и песка, а также образование каменных «мостовых», курумов и осыпей.

Химическое выветривание

Химическое выветривание — это разрушение пород с изменением их химического и минерального состава под действием воды, кислорода, углекислого газа и органических кислот. Основные реакции:

• Растворение: переход минералов в раствор. Наиболее легко растворяются хлориды (каменная соль), сульфаты (гипс) и карбонаты (известняк, доломит). Растворение карбонатов (CaCO₃) в воде, насыщенной углекислым газом, приводит к образованию растворимого гидрокарбоната кальция и формированию карстовых форм рельефа.
• Гидратация: присоединение воды к минералу. Например, переход ангидрита (CaSO₄) в гипс (CaSO₄·2H₂O), сопровождающийся увеличением объёма и растрескиванием.
• Гидролиз: разложение минералов под действием воды, особенно активное в присутствии кислот. Ключевой процесс для силикатов и алюмосиликатов (полевых шпатов, слюд). Например, гидролиз ортоклаза (калиевого полевого шпата) приводит к образованию глинистого минерала каолинита, растворимых солей калия и кремнезёма.
• Окисление: взаимодействие минералов с кислородом. Наиболее характерно для минералов, содержащих железо (например, пирит FeS₂ окисляется до лимонита Fe₂O₃·nH₂O и серной кислоты). Окисление часто сопровождается изменением цвета пород (появление ржавых, бурых оттенков).

Химическое выветривание наиболее интенсивно во влажном тёплом климате (тропики, субтропики) и приводит к образованию мощных кор выветривания, богатых глинистыми минералами, гидроксидами железа и алюминия (латериты, бокситы).

Биогенное выветривание

Биогенное выветривание — это разрушение горных пород в результате жизнедеятельности организмов. Оно может быть как физическим, так и химическим:

• Физическое воздействие: корни растений, проникающие в трещины, расширяют их и раскалывают породу (корневое давление может достигать 1–1,5 МПа). Норы животных (грызунов, червей, насекомых) разрыхляют и перемешивают породу.
• Химическое воздействие: микроорганизмы (бактерии, грибы, лишайники) выделяют органические кислоты, которые растворяют минералы. Лишайники, поселяясь на голых скалах, активно разрушают их поверхность, подготавливая субстрат для других растений. Продукты разложения органических веществ (гумусовые кислоты) также усиливают химическое выветривание.

Факторы, влияющие на выветривание

Скорость и характер выветривания определяются комплексом факторов:

• Климат: является главным фактором. В холодном и сухом климате преобладает физическое (морозное) выветривание. Во влажном и тёплом — химическое. В аридном (сухом) — физическое (температурное и солевое).
• Состав и строение пород: разные минералы имеют разную устойчивость к выветриванию. Наименее устойчивы карбонаты и сульфаты, наиболее устойчивы — кварц, циркон, рутил. Трещиноватые, пористые породы разрушаются быстрее.
• Рельеф: на крутых склонах продукты выветривания быстро удаляются (денудируются), обнажая свежие породы, что ускоряет процесс. На равнинах и пологих склонах накапливается мощная кора выветривания.
• Время: чем дольше порода подвергается воздействию, тем глубже и интенсивнее она разрушена. Древние поверхности выравнивания (пенеплены) часто имеют мощные коры выветривания.
• Деятельность человека: техногенное воздействие (взрывные работы, строительство, добыча полезных ископаемых, кислотные дожди) может значительно ускорять выветривание.

Продукты выветривания

Продукты выветривания подразделяются на:

• Элювий: рыхлые отложения, остающиеся на месте разрушения материнской породы. Характеризуются неотсортированностью, угловатостью обломков, постепенным переходом в коренную породу.
• Кора выветривания: совокупность элювиальных образований, залегающих на поверхности и в приповерхностной части земной коры. Мощность коры выветривания может достигать десятков и даже сотен метров (особенно в тропиках). В коре выветривания часто формируются месторождения полезных ископаемых: бокситы (алюминиевые руды), никелевые, кобальтовые, железные руды, каолины, россыпи золота и алмазов.
• Почва: верхний, наиболее плодородный слой коры выветривания, обогащённый органическим веществом (гумусом) и населённый живыми организмами. Почвообразование — это биогенное выветривание, осложнённое процессами накопления и разложения органики.

Геологическое значение выветривания

Выветривание играет фундаментальную роль в геологических циклах:

1. Подготовка осадочного материала: выветривание поставляет обломочный и растворённый материал для формирования осадочных горных пород (песчаников, глин, известняков).
2. Формирование рельефа: выветривание, наряду с денудацией, создаёт многие формы рельефа — скалы-останцы, «каменные столбы», карстовые воронки и пещеры, «каменные реки» (курумы).
3. Образование почв: является основой почвообразования, обеспечивая плодородие земель.
4. Круговорот химических элементов: выветривание высвобождает химические элементы из горных пород и вовлекает их в биогеохимические циклы (углерода, кальция, кремния, фосфора).
5. Образование месторождений: формирует коры выветривания, содержащие ценные полезные ископаемые.

Примеры форм рельефа, связанных с выветриванием

• Карстовые формы: воронки, пещеры, колодцы, подземные реки — результат химического выветривания (растворения) известняков, доломитов, гипсов.
• «Каменные столбы» и «каменные грибы»: образуются при неравномерном физическом и химическом выветривании, когда более устойчивые породы (например, песчаник с кварцевым цементом) сохраняются в виде столбов, а менее устойчивые (глины, мергели) разрушаются быстрее.
• Глыбовые россыпи (курумы): скопления крупных обломков на склонах гор, образующиеся в результате морозного выветривания.
• Такыры и солончаки: образуются в аридных зонах в результате солевого выветривания и испарительной концентрации солей.

Источники

1. Геологический словарь. В 3 томах. — М.: ВСЕГЕИ, 2010.
2. Щукин И. С. Общая геоморфология. — М.: Изд-во МГУ, 1964.
3. Оллиер К. Выветривание. — М.: Мир, 1987.
4. Якушова А. Ф., Хаин В. Е., Славин В. И. Общая геология. — М.: Изд-во МГУ, 1988.
5. Добровольский В. В. Геология и минералогия. — М.: Владос, 2001.