База знаний

Химическое разложение. Что происходит со стальным или железным гвоздем или консервной банкой (сделанной из стали), если их вынести из закрытого помещения и оставить на открытом воздухе во влажном климате? Хорошо известно, что через несколько дней на них появится ржавчина. Железнодорожные рельсы блестят потому, что по ним движутся колеса вагонов, но заброшенные рельсы сразу же начинают ржаветь. Желтовато-коричневая ржавчина – это минерал лимонит (в действительности это группа минералов), образованный химическим соединением атмосферного кислорода и воды с железом. Процесс его образования включает две химические реакции – окисление и гидролиз. И стальная консервная банка, и стальной гвоздь неустойчивы во влажном воздухе, и, когда они попадают в такие условия, они начинают разлагаться. При этом разложении образуется лимонит – материал, устойчивый в этих новых условиях. Сходные реакции происходят, когда железосодержащий минерал (как, например, биотит или роговая обманка) подвергается воздействию атмосферы. Порода, например гранит, в состав которой входит этот минерал, скоро начинает покрываться ржавыми пятнами, означающими образование лимонита. Путем окисления и гидролиза железо, содержащееся в биотите и роговой обманке, видоизменяется, приобретая более устойчивую форму, а порода начинает разлагаться. Эти и многие другие химические реакции в совокупности образуют процесс, называемый выветриванием, в результате которого горные породы (и осадки), подвергающиеся воздействию атмосферы, разрушаются и разлагаются. Выветривание происходит повсюду на поверхности Земли, а также и ниже ее поверхности, вплоть до глубины, на которую проникает вода и воздух. Поверхность раздела горных пород и атмосферы – это граничная поверхность, а мы уже отмечали, что границы способствуют активизации процессов.

В данном случае на поверхности раздела присутствует и гидросфера; дождевая вода, как и воздух, оказывает действие на породу.

Общий процесс выветривания включает и другую реакцию – растворение, результаты которого часто можно видеть на статуях и стенах зданий, построенных из известняка или мрамора. Эти два типа пород состоят почти целиком из минерала кальцита, растворимого в угольной кислоте. Эта кислота образуется при взаимодействии дождевой воды с углекислым газом; последний же в большом количестве образуется на поверхности земли и в почве при разложении растений в результате деятельности бактерий. Кальцит просто растворяется, и продукты растворения уносятся водой, медленно просачивающейся сквозь землю.

Другая реакция, относящаяся к процессу химического выветривания, тоже является результатом воздействия угольной кислоты. В этом случае кислота действует на полевые шпаты, в значительном количестве содержащиеся в большинстве магматических и многих метаморфических породах. Например, ионы водорода, выделившиеся из угольной кислоты, проникают в молекулу полевого шпата – ортоклаза, а вода соединяется с остальными компонентами и образует гидроалюмосиликат, принадлежащий к группе минералов, входящих в состав глины.

Химическое выветривание разрушает магматические породы всюду, где они подвергаются воздействиям атмосферы, и образует в огромных количествах глину. Глина в свою очередь постепенно смывается, частично в виде ила, несомого реками, и большей частью осаждается в конце концов на дне моря. Разрушение полевого шпата и других силикатов ослабляет связи между этими минералами и расположенными вплотную с ними кристаллами кварца. Таким образом, высвобождаются зерна кварца, устойчивые в условиях земной поверхности и потому противостоящие химическому выветриванию. Рано или поздно они смываются вниз по склону и переносятся реками в бассейны, в которых осаждаются, образуя слои кварцевых песков. Этот важный процесс сортировки, начинающийся с выветривания, успешно отделяет кварцевый песок от силикатов, преобразующихся в глину.

Если массив, сложенный коренными породами, долгое время (скажем, несколько миллионов лет) подвергается химическому выветриванию на территории, где эрозия протекает настолько медленно, что продукты выветривания могут скапливаться на месте, то в результате возникает зона, образованная рыхлым материалом, залегающим в виде чехла на поверхности Земли, а ниже постепенно переходящая в невыветрелые коренные породы. Это выветрелая зона (кора выветривания. – Ред.) может иметь толщину до 30 и более метров и не иметь резкой границы в основании. Первоначально резкая граница между горными породами и атмосферой затушевывается при образовании глин – продуктов выветривания, устойчивых при данных условиях. Поэтому глина остается на поверхности, а под ней продолжается активное химическое выветривание коренных пород.

С поверхностью земли совпадает только кровля выветрелой зоны. Остальная часть ее расположена ниже. Это указывает на тот факт, что воздух и дождевая вода проникают в грунт местами до большой глубины. В невыветрелые горные породы вода и воздух проникать не могут, но они могут перемещаться вниз по трещинам, разбивающим всю толщу пород, и вызывать химические изменения вдоль поверхностей трещин. Кроме того, возможно медленное проникновение воды и воздуха в мельчайшие щели между соседними зернами или кристаллами. В каждой точке вдоль путей движения воды и воздуха химические процессы разрушают породу и увеличивают количество пустот. Чем больше поверхность, вдоль которой вода и воздух проникают в породу, тем быстрее происходит выветривание. Если мы представим себе всю массу породы, разделенной на кубы равной величины, мы поймем, что каждый раз, когда куб делится на 8 меньших кубов, общая площадь поверхностей куба удваивается. Поскольку химические изменения при выветривании происходят на поверхностях (являющихся поверхностями раздела), постольку при этом возрастает возможность таких изменений. При делении 1 см³ на частицы размером с мельчайшие частицы глинистых минералов общая площадь поверхности первичного куба возрастает до 0,4 га! Таким образом, при растрескивании породы подготавливается путь для химического выветривания.

Фото 5. Гранитный массив а горах Сьерра-Невада, Калифорния, подвергшийся растрескиванию в виде «чешуек», параллельных поверхности. Для масштаба в центре снимка помещен человек.

Глина и другие продукты выветривания удаляются эрозией, особенно в горах и вообще на крутых склонах. В результате этого на поверхность выходит невыветрелая порода, подвергающаяся активному химическому воздействию. В главе второй рассказано о том, как гранит, образовавшийся при затвердевании магмы на большой глубине, постепенно выводится на поверхность. Веками происходящее удаление мощного чехла пород, первоначально покрывавших крупный гранитный массив, имеет важные последствия. По мере уничтожения этого чехла постепенно меняются условия, в которых находится гранит. Постепенно понижаются давление и температура. Наконец, когда кровля гранита полностью эродирована, он появляется на поверхности Земли и попадает в совершенно новые условия, характеризующиеся наличием воздуха, воды и кислорода. С исчезновением вышележащих пород объем гранита увеличивается, он трескается и даже подвергается разрывам; он не распадается на отдельные зерна, но в нем возникают трещины, параллельные поверхности (фото 5). Большая часть минералов, из которых состоит гранит, образована глубоко в толще коры и имеет строение, соответствующее высокому давлению и температуре, плохо приспособлена к более «легким» условиям на поверхности и чувствительна к воздействиям атмосферы и гидросферы. Подобно жестяным банкам, вынесенным из помещения на открытый воздух, эти минералы становятся «жертвой» изменившихся условий. Они химически разлагаются на составные элементы, которые дают начало новым веществам, приспособленным к существованию в условиях земной поверхности. Как показано в одной из последующих глав, подобные вещи происходят и в биосфере.

Эти химические преобразования минералов на поверхности Земли оставляют следы, по которым наличие таких преобразований может быть установлено много лет спустя после того, как произошли сами изменения. Те или иные участки земной коры постоянно прогибаются, образуя широкие, но неглубокие желоба или впадины; некоторые из них затопляются морем. Если на поверхности погруженного участка имеется зона выветрелых пород, она постепенно покрывается слоем донных морских осадков. Позднее, когда эта часть коры снова испытает поднятие, эрозия снова выведет на поверхность зону выветрелых пород из-под слоя морских отложений.

Механическое разрушение. Хотя большая часть процессов выветривания относится к химическим, существуют и механические процессы. Коренные породы и частицы рыхлого грунта расщепляются большими и малыми корнями растений. Черви, муравьи, термиты, закапываясь в рыхлый грунт, выносят огромное количество мелких частиц породы на поверхность (по одной из оценок 10 тонн на 0,4 га в год), в буквальном смысле выворачивая грунт наизнанку. Наконец, на вершинах высоких гор и в холодных высоких широтах агентом механического разрушения пород является лед. При замерзании воды и образовании льда объем ее увеличивается на 9%. Давление замерзающей в трещинах воды раздвигает стенки трещин. Там, где при суточных колебаниях температура ниже точки замерзания, как это бывает в высоких широтах или в горах, огромные площади покрыты обломками пород, совершенно скрывающими находящиеся ниже коренные породы. Эти продукты механического разрушения, в отличие от химически измененного материала, почти не отличаются от исходных пород.

Процессы растрескивания (фото 5), которым подвергаются выведенные на поверхность в результате длительной эрозии грубозернистые магматические породы, мы лишь условно относим к процессам выветривания. Трещины возникают не потому, что на породы воздействует атмосфера и гидросфера, а потому, что по мере приближения массива пород к поверхности огромное давление, под которым формировались породы, снижается почти до нуля.