Процесс выветривания разделяют на три вида выветривания – физическое, химическое и биологическое. В основу выделения каждого выветривания положены, какие-либо одни факторы выветривания, которые являются определяющими. Несмотря на это все три вида выветривания всегда действуют совместно и одновременно.

1. Физическое выветривание выражается преимущественно в механическом дроблении минеральных тел (горных пород, строительных материалов и т.д.) без существенного изменения их минерального состава. Большую роль в этом «дробящем» разрушении играют колебания температуры. Так, например, в пустынях суточные колебания температур весьма значительны, в дневное время до +80 о С, а ночью всего +20 о С. Разрушение пород и строительных конструкций усиливается, когда в микротрещины проникает вода. При замерзании вода увеличивается в объёме на 9-11%, развивается большое боковое давление и порода разрушается. Это явление обычно называют «морозным выветриванием». Многие породы, особенно глинистые, распадаются на куски при переменном намокании и высушивании. Физическое выветривание преобладает в районах пустынь и в районах с холодным климатом (арктические, высокогорные районы и т.п.).

2. Химическое выветривание выражается в разрушении горных пород, строительных материалов и строительных конструкций вплоть до полного распада, т.е. до уровня анионов и катионов, с одновременным образованием новых минеральных образований. Основными факторами этого выветривания являются вода, кислород, углекислота, органические кислоты и др. С этими факторами связаны сложные химические процессы – растворение, окисление, гидратация, карбонитизация, гидролиз.

Интенсивность химического выветривания зависит от площади воздействия воды, её температуры, длительности процессов. Наиболее подвержены этому выветриванию карбонаты, сульфаты и др. Наибольшую разрушительную силу химическое выветривание имеет в условиях теплого и влажного климата.

3. Биологическое выветривание иногда называют органическим. Оно проявляется в виде механического и химического воздействия живых и растительных организмов на земную поверхность.

Механическое разрушение производят растения корневой системой. Корни деревьев способны разрушать даже прочные скальные породы и бетонные плиты. Кроме механической силы разрушения корни растений обладают способностью разрушать горные породы и строительные материалы органическими кислотами, которые они выделяют как в период своего роста, так и после отмирания при процессах разложения. Существенно нарушают целостность горных пород различные землерои.

Биологическое выветривание проявляет себя практически повсеместно, особенно, в районах с влажным климатом, который способствует росту и развитию растений.

В определённой степени к биологическому виду выветривания следует отнести техногенную деятельность человека, в частности, строительство зданий и сооружений. Хотя следует отметить, что эта деятельность разрушает поверхность земной коры по всем видам процесса выветривания.

Выветривание - процесс разрушения и изменения горных пород и минералов в приповерхностных условиях под воздействием физико-химических факторов атмосферы, гидросферы и биосферы.

Таким образом, факторами выветривания являются:

Колебание температур (суточное, сезонное);

Химические агенты - O2, H2O, CO2;

Органические кислоты: ульминовая и гуминовая;

Жизнедеятельность организмов.

Физическое выветривание

Физическое выветривание пород происходит без изменения их химического состава. Порода просто дробится на обломки с постепенным уменьшением их размера вплоть до песка. Примером такого физического разрушения может служить температурное выветривание.

Температурное выветривание . Температурное выветривание происходит в результате резких колебаний температур, вызывающих неравномерное изменение объема горных пород и слагающих их минералов. Периодическое нагревание и охлаждение пород при суточных и сезонных колебаниях температур приводит к образованию трещин и к распадению их на глыбы, которые в свою очередь подвергаются дальнейшему измельчению. Чем резче колебания температур, тем интенсивнее проявляется физическое выветривание и, наоборот, в условиях «мягкого» климата механическое разрушение пород происходит крайне замедленно. Наиболее активно температурное выветривание проявляется в пустынях, полупустынях и высокогорных областях, где горные породы очень сильно нагреваются и расширяются днем, охлаждаются и сжимаются ночью. Интенсивность и результаты выветривания определяются также составом, структурой и цветом породы: полиминеральные породы будут разрушаться быстрее, чем мономинеральные. Этому значительно способствует анизотропия и неодинаковые коэффициенты расширения главнейших породообразующих минералов.

Например, коэффициент объемного расширения кварца в два раза больше, чем у ортоклаза.

Глубина температурного выветривания при суточных колебаниях температур составляет не более 50 см, а при сезонных колебаниях – несколько метров.

Частными случаями температурного выветривания являются процессы десквамации (шелушения), сфероидального выветривания и дезинтеграции зерен.

Десквамация – это отделение от гладкой поверхности скал чешуек или толстых пластин параллельно поверхности породы при ее нагревании и охлаждении независимо от текстуры, структуры и состава породы.

При сфероидальном выветривании первоначально угловатые, разбитые трещинами блоки пород в результате выветривания приобретают округлую форму.

Дезинтеграция зерен – ослабление и отделение зерен в грубозернистых породах, в результате чего порода рассыпается, при этом образуется дресва или песок, состоящий из несвязанных между собой зерен различных минералов. Дезинтеграция зерен происходит всюду, где обнажаются крупнозернистые породы.

Другим видом физического выветривания является морозное выветривание, при котором породы разрушаются под действием замерзающей воды, проникающей в поры и трещины. При замерзании воды объем льда увеличивается на 9%, что создает значительное давление в горных породах. Таким образом, легко дробятся породы с высокой пористостью, например, песчаники, а также сильно трещиноватые породы, в которых трещины распираются ледяными клиньями. Наиболее интенсивно морозное выветривание протекает в зонах, где среднегодовая температура близка к нулю. Это зона тундры, а также в горных районах на уровне снеговой линии.

Химическое выветривание

При химическом выветривании разрушение горных пород происходит с изменением их химического состава главным образом под воздействием кислорода, углекислого газа и воды, а также активных органических веществ содержащихся в атмосфере и гидросфере.

Главными реакциями, обуславливающими химическое выветривание, являются окисление, гидратация, растворение и гидролиз.

Окисление – это переход элементов с низкой валентностью в высоковалентное за счет присоединения кислорода. Особенно быстро окислению подвергаются сульфиды, некоторые слюды и другие темноцветные минералы.

Например: лимонит – это самая устойчивая форма существования железа в поверхностных условиях. Все ржавые пленки и ржаво-бурая окраска пород обусловлена присутствием гидроокислов железа. Так как железо постоянно входит в химический состав многих породообразующих минералов – значит при химическом выветривании этих минералов Fe++ перейдет в Fe+++, т.е. лимонит.

Гидратация – это химическое присоединение воды к минералам горных пород с образованием новых минералов (гидросиликатов и гидроокислов) с другими свойствами.

Fe 2 O 3 + nH 2 O → Fe 2 O 3 ´ nH 2 O

гематит лимонит

CaSO 4 + 2H 2 O → CaSO 4 ´ 2H 2 O

ангидрит гипс

превращение ангидрита в гипс всегда сопровождается значительным увеличением объема породы, что приводит к механическому разрушению всей гипс-ангидритовой толщи.

Растворение – способность молекул одного вещества распространяться вследствие диффузии в другом веществе. Оно происходит с различной скоростью для разных пород и минералов. Наибольшей растворимостью обладают хлориды (галит NaCl, сильвин KCl и др.). Сульфаты и карбонаты растворяются хуже.

Гидролиз – наиболее важный процесс химического выветривания, т.к. путем гидролиза разрушаются силикаты и алюмосиликаты, которые слагают половину объема внешней части континентальной коры.

Органическое выветривание

Воздействие органического мира на горные породы сводится или к физическому (механическому) разрушению их, или к химическому разложению. Важным результатом органического выветривания (в совокупности с физическим и химическим) является образование почвы, отличительным свойством которой является ее плодородие.

Магматические и метаморфические породы при выходе на поверхность подвергаются разрушению. Они измельчаются, превращаются в рыхлые породы, изменяется их химический состав.

Выветриванием называют процесс механического разрушения и химического изменения горных пород и составляющих их минералов. На горную породу совместно воздействуют живые организмы, вода, газы и колебания температур. Все эти факторы оказывают на породу разрушающее действие одновременно. В зависимости от преобладающего фактора различают три формы выветривания: физическое, химическое и биологическое. Вместе с тем следует иметь в виду, что всякое изменение химического состава породы приводит к изменению ее физических свойств.

Физическое выветривание - это механическое разрушение горных пород без изменения химического состава. Главный фактор физического выветривания - колебание суточных и сезонных температур. При нагревании происходит расширение минералов, входящих в горную породу. Поскольку различные минералы имеют разные коэффициенты объемного и линейного расширения, возникает местное давление, разрушающее породу. Этот процесс происходит в местах контакта различных минералов и пород. При чередовании нагревания и охлаждения между кристаллами образуются трещины. Проникая в мелкие трещины, вода создает такое капиллярное давление, при котором даже самые твердые породы разрушаются. При замерзании воды эти трещины увеличиваются. В условиях жаркого климата в трещины попадает вода вместе с растворенными солями, кристаллы которых также разрушающе действуют на породу. Таким образом, в течение длительного времени образуется множество трещин, приводящих к полному механическому разрушению горной породы. Разрушенные породы приобретают способность пропускать и удерживать воду. В результате раздробления массивных пород сильно увеличивается общая поверхность, с которой соприкасаются вода и газы, что обусловливает протекание химических процессов.

Химическое выветривание приводит к образованию новых соединений и минералов, отличающихся по химическому составу от первичных минералов. Оно осуществляется под воздействием воды с растворенными в ней солями и диоксидом углерода, а также кислорода воздуха. Химическое выветривание включает следующие процессы: растворение, гидролиз, гидратацию, окисление. Растворяющее действие воды усиливается с повышением температуры. При повышении ее на каждые 10 °С скорость химических реакций увеличивается в 2,0...2,5 раза. Если в воде содержится диоксид углерода, то в кислой среде минералы разрушаются быстрее.

Так, растворимость известняка резко усиливается вследствие перехода СаСО 3 в более растворимый гидрокарбонат:

СаСO 3 + СO 2 + Н 2 O = Са(НСO 3) 2 .

Гидролиз - основная химическая реакция минералов магматических пород с водой. При этом катионы калия, натрия, кальция и магния в кристаллической решетке алюмосиликатов замещаются водородными катионами воды.

Гидратация - процесс присоединения молекул воды к минералам.

При гидратации происходит разрыхление поверхности минералов, благодаря чему усиливается воздействие на них водных растворов и газов.

Окисление - процесс, связанный с действием атмосферного кислорода на минералы, содержащие оксид железа (II) или другие элементы, способные к окислению, например:

4FeCO 3 + ЗН 2 O + O 2 = 2Fe 2 O 3 ЗН 2 O + 4СO 2 .

В результате выветривания магматических пород образуются оксиды, переотложенные осадки и растворимые соли.

Биологическое выветривание - это механическое разрушение и химическое изменение горных пород под воздействием живых организмов и продуктов их жизнедеятельности. Этот вид выветривания связан с почвообразованием. Если при физическом и химическом выветривании происходит только превращение магматических горных пород в осадочные, то при биологическом выветривании образуется почва, в ней накапливаются элементы питания растений и органическое вещество.

В почвообразовательном процессе участвуют бактерии, грибы, актиномицеты, зеленые растения, а также различные животные (дождевые черви, землеройные животные, насекомые и др.). Горные породы разлагают и многочисленные микроорганизмы. Так, нитрифицирующие бактерии образуют сильную азотную кислоту, а серобактерии - серную кислоту, которые энергично разлагают алюмосиликаты и другие минералы. Силикатные бактерии, выделяя органические кислоты и диоксид углерода, разрушают полевые шпаты, фосфориты и переводят калий и фосфор в форму, доступную для растений.

Водоросли (диатомовые, сине-зеленые, зеленые и др.) также разрушают горные породы. Особенно велика роль диатомовых водорослей, которые для построения своего скелета извлекают из алюмосиликатов кремниевую кислоту.

Лишайники, поселившиеся на горных породах, разрушают их посредством выделения специфических лишайниковых кислот и диоксида углерода. Кроме того, гифы лишайника способны проникать в тончайшие поры горных пород, что приводит к их физическому разрушению. Под лишайниками происходит некоторое накопление фосфора, калия, серы и других элементов, наличие которых обусловливает поселение на их месте мхов, а затем и высших растений. Мхи задерживают много влаги, что еще усиливает разрушение пород.

Зеленые растения выделяют органические кислоты и другие биогенные вещества, которые взаимодействуют с минеральной частью, образуя сложные органо-минеральные соединения. Корневые системы избирательно усваивают зольные элементы. После отмирания растений в верхних почвенных горизонтах происходит накопление азота, фосфора, калия, кальция, серы и других биогенных элементов. Кроме того, корни растений, особенно древесных, проникая в глубь горных пород по трещинам, оказывают давление на породы и разрушают их механически.

Таким образом, под влиянием физического, химического и биологического выветривания горные породы, разрушаясь, обогащаются мелкоземом, глинистыми и коллоидными частицами, приобретают поглотительную способность, становятся влагоемкими, водо- и воздухопроницаемыми; в них накапливаются элементы питания растений и органическое вещество. Это приводит к возникновению существенного свойства почвы - плодородия, которого не имеют горные породы.

Выветривание минералов представляет собой сложный и длительный по времени процесс, в ходе которого разрушается их поверхность. На выветривание влияет множество факторов, и, в зависимости от этого, различают три его типа: механическое, органическое и химическое выветривание горных пород.

Виды выветривания

По сути, выветривание – это разрушение или полное изменение структуры минералов под влиянием углекислого газа, кислорода, воды, температурных колебаний, представителей флоры и фауны.

Исходя из того, какой из этих факторов оказывает большее влияние на тот или иной участок горной породы, различают три типа выветривания:

• физическое (механическое);
• химическое ;
• биологическое (органическое).

Все эти типы связаны друг с другом самым тесным образом, и зачастую действуют одновременно, а на преобладание какого-то конкретного вида выветривания влияют лишь природные условия.

Как правило, данные процессы происходят на суше, гораздо реже - на дне водоемов.

В областях, где преобладают аридные, полярные или высокогорные почвы, характеризующиеся скудным запасом воды, преобладает физическое выветривание. В то время как в субтропиках и трупиках - химический его тип.

Рис. 1. Аридные почвы

Особенности химического выветривания

Химическое выветривание - это разрушение минералов и принципиальное изменение их состава, что приводит к образованию совершенно новых соединений.

Данный процесс наиболее активно идет в карбонатных породах, для которых характерна раздробленность и повышенная водопроницаемость. Особенно большое влияние на протекание разрушительного процесса оказывает вода.

Рис. 2. Карбонатные горные породы

Скорость химического выветривания многократно увеличивается, если в водном растворе есть органические кислоты, углекислота и кислород. Эти вещества обладают высокой активностью, которую способны передавать и воде.

Выделяют 4 основные реакции химического выветривания:

• Окисление - присоединение молекул кислорода, за счет чего происходит образование новых соединений. К примерам химического выветривания горных пород под воздействием кислорода можно отнести переход сидерита и пирита в гематит.
• Гидратация - присоединение воды, то есть прикрепление молекул воды к поверхности кристаллической решетки минерала. Типичный пример гидратации - переход ангидрида в гипс.

Рис. 3. Гипс

• Растворение - растворение молекул одного вещества в другом веществе без качественного изменения его состава. Почти все минералы, так или иначе, растворяются, но больше всего этому процессу подвержены осадочные горные породы.
• Гидролиз - сложный, поэтапный химический процесс, при котором под воздействием воды и растворенных в ней ионов происходит полное изменение структуры минералов. Каолинит - пример горной породы, которая появляется за счет выветривания под влиянием гидролиза.