АссистентНовый вопросИсторияОбласти знаний
Партнёрские проектыСпецпроектыСтать автором
Сменить язык
О РУВИКИ

Выветривание

Выве́тривание — совокупность процессов физического, химического и биологического преобразования горных пород и слагающих их минералов на месте их залегания под воздействием колебаний температуры, циклов замерзания-оттаивания, химического влияния воды, атмосферных газов, растворённых веществ и биотических агентов[1] [2].

Выветривание происходит за счёт совокупного воздействия на верхнюю оболочку литосферы факторов из гидросферы, атмосферы и биосферы. В результате образуются кора выветривания и продукты выветривания, которые служат источником терригенного материала для осадочных бассейнов и питательных элементов для экосистем[3]. Глубина проникновения процессов выветривания может достигать 500 метров в условиях интенсивного трещинообразования и циркуляции подземных вод[4]

Общие сведения
Выветривание

Типы выветривания

Различают несколько генетических типов выветривания, которые могут действовать совместно или преобладать в зависимости от климатических, литологических и биотических условий[3]

  1. физическое (механическое) выветривание;
  2. химическое выветривание;
  3. биологическое (органогенное) выветривание;
  4. радиационное выветривание.

Физическое (механическое) выветривание

«Гора смерти» около парка «Корниш» в Серово в Санкт-Петербурге — пример криогенного выветривания
«Арка» в штате Юта (США), сформированная в результате механического выветривания песчаников

Физическое выветривание представляет собой дезинтеграцию горных пород без существенного изменения их минералогического состава. Основные механизмы включают[5]

  • Термическое расширение и сжатие. В основе лежат суточные и сезонные колебания температуры вызывают дифференциальное расширение минеральных зёрен, что ведёт к образованию микротрещин. Эффект усиливается в аридных регионах с большими амплитудами температур
  • Криогенное (морозное) выветривание, при замерзании воды в порах и трещинах её объём увеличивается на ~9%, создавая давление до 200 МПа, достаточное для разрушения большинства горных пород
  • Гидрокластическое разрушение вызывается быстрым увлажнением и высыханием глинистых минералов вызывает их набухание и сжатие, способствуя дезинтеграции породы.
  • Солевое выветривание, кристаллизация солей в порах при испарении растворов создаёт распирающее давление, особенно эффективное в прибрежных и аридных зонах

Механическое измельчение увеличивает удельную поверхность породы, улучшая проницаемость для воды и газов и создавая благоприятные условия для последующего химического выветривания [6]

Химическое выветривание

undefined

Химическое выветривание — совокупность реакций, приводящих к изменению минералогического и химического состава пород с образованием новых, устойчивых в поверхностных условиях фаз[7]. Ключевые агенты: вода, углекислый газ, кислород, органические кислоты и окислительно-восстановительные пары.

Основные реакции

  • Гидролиз силикатов — доминирующий процесс выветривания континентальной коры. Например, гидролиз ортоклаза:
KAlSi3O8 + H2O + H+ → HAlSi3O8 + K+
HAlSi3O8 + H2O → Al2Si2O5(OH)4 + 4H4SiO4 (каолинит + кремниевая кислота)

Реакция потребляет протоны и атмосферный CO2, связывая его в виде бикарбонатов

  • Карбонизация - взаимодействие углекислого газа с водой образует угольную кислоту, усиливающую растворение карбонатов:
CO2 + H2O ⇌ H2CO3 ⇌ H+ + HCO3−
CaCO3 + H2CO3 → Ca2+ + 2HCO3−
  • Окисление особенно важно для сульфидов и железосодержащих минералов. Окисление пирита:
2FeS2 + 7O2 + 2H2O → 2Fe2+ + 4SO42− + 4H+
4Fe2+ + O2 + 4H+ → 4Fe3+ + 2H2O
Fe3+ + 3H2O → Fe(OH)3↓ + 3H+
  • Гидратация присоединение воды к минералам без изменения их химического состава, но с изменением структуры:
2Fe2O3 (гематит) + 3H2O → 2Fe2O3·3H2O (гётит)
  • Растворение прямое переведение минералов в ионную форму, характерное для галита, гипса, кальцита:
CaSO4·2H2O → Ca2+ + SO42− + 2H2O

Скорость химического выветривания контролируется температурой, доступностью воды, pH, редокс-потенциалом и биологической активностью [8]

Биологическое (органогенное) выветривание

Биологическое выветривание осуществляется живыми организмами через механические и биохимические механизмы[9][10].

  • Механическое воздействие рост корней растений в трещинах создаёт давление до 1.5 МПа; роющая деятельность животных перемешивает и аэрирует породный материал.
  • Биохимическое воздействие.
  • Выделение корнями и микроорганизмами органических кислот (щавелевой, лимонной, фульвокислот), хелатирующих катионы и ускоряющих растворение минералов[11].
  • Микробное окисление/восстановление элементов (Fe, Mn, S) изменяет редокс-условия и растворимость минералов.
  • Лишайники и цианобактерии секретируют лихениновые кислоты, эффективно выщелачивающие катионы из силикатов[12].

Биологическое выветривание может ускорять химические процессы на 1–3 порядка по сравнению с абиотическими условиями[13].

Радиационное выветривание

Радиационное выветривание обусловлено воздействием ионизирующего излучения (космические лучи, солнечный ветер, радиоактивный распад) на кристаллическую решётку минералов, приводящим к её аморфизации и снижению механической прочности[14] Наиболее выражено на безатмосферных телах: реголит Луны и астероидов демонстрирует признаки радиационного повреждения (наночастицы металлического железа, изменение оптических свойств). На Земле вклад радиационного выветривания вторичен, но может усиливать восприимчивость пород к другим агентам.

Факторы, контролирующие интенсивность выветривания

Скорость и тип выветривания определяются взаимодействием следующих факторов:[15]

  • Климатический фактор включает температурный режим и осадки — главные регуляторы выветривания. В жарком влажном климате доминирует химическое выветривание, в холодном/аридном — физическое. Эмпирические модели показывают экспоненциальный рост скоростей выветривания с температурой (Q10 ≈ 2–3) и линейную зависимость от стокa.
  • Литология породы обуславливает устойчивость породы к выветриванию, устойчивость минералов описывается шкалой Голдича (кварц > мусковит > калиевые полевые шпаты > плагиоклазы > ферромагнезиальные минералы). Пористые и трещиноватые породы выветриваются быстрее.
  • Крутые склоны способствуют удалению продуктов выветривания, обнажая свежую породу; тектонический подъём обновляет поверхность и усиливает эрозию, поддерживая высокие скорости выветривания[16].
  • Растительный покров увеличивает инфильтрацию, выделяет хелатирующие вещества и CO2 в почву; микробные сообщества катализируют окислительно-восстановительные реакции.
  • Степень преобразования породы растёт с длительностью экспозиции, но часто выходит на плато из-за формирования защитных кор или изменения гидрологии.

Выветривание в полярных и высокогорных регионах

Особое значение изучение выветривания имеет для арктических, субарктических и высокогорных территорий, где криогенные процессы, сезонное протаивание и воздействие ледникового стока формируют уникальные геохимические ландшафты[17]

Исследования на архипелагах Новая Земля и Шпицберген демонстрируют, что выветривание карбонатсодержащих и силикатных пород в криолитозоне сопровождается значительным выносом неорганического углерода (DIC) и биогенных элементов (N, P, Si, Fe) в гидросферу [17]. Эти потоки оказывают влияние на:

  • карбонатную систему и pH прибрежных вод Арктики;
  • первичную продукцию фитопланктона, лимитированную биогенными элементами;
  • формирование геохимических фронтов в эстуариях арктических рек.

Сезонная динамика выветривания в полярных регионах тесно связана с продолжительностью вегетационного периода, глубиной протаивания и гидрологическим режимом, что делает эти процессы чувствительными индикаторами климатических изменений[18]

Методы изучения и количественной оценки выветривания

Современные исследования опираются на мультидисциплинарный подход [19]

  • Геохимическое моделирование включает программы PHREEQC, Geochemist's Workbench, CrunchFlow позволяют рассчитывать равновесные состояния, кинетику реакций и транспорт растворённых компонентов в системах вода-порода[20].
  • Изотопные трассеры:
  • Стабильные изотопы (δ13C, δ18O, δ30Si, δ56Fe) помогают идентифицировать источники элементов и пути реакций[21]
  • Радиогенные изотопы (⁸⁷Sr/⁸⁶Sr, εNd, 234U/238U) используются для оценки скоростей выветривания и времени пребывания элементов
  • Дистанционное зондирование и ГИС это анализ пространственного распределения кор выветривания, эрозионных форм и растительного покрова с использованием данных Landsat, Sentinel, ASTER и платформ Google Earth Engine[22].

Понимание механизмов и скоростей выветривания имеет широкое прикладное значение для:

  • Сельское и лесное хозяйство, где выветривание — первичный источник элементов питания (K, Ca, Mg, P) для растений; управление выветриванием через известкование и внесение органики влияет на плодородие почв[23].
  • Качество природных вод определяется интенсивностью и типом выветривания в водосборном бассейне; прогноз геохимии вод важен для водоснабжения и аквакультуры<
  • Инженерная геология и строительство: скорость выветривания влияет на устойчивость склонов, долговечность фундаментов, дорожных покрытий и памятников культуры; оценка выветривания необходима при проектировании в криолитозоне и сейсмоактивных регионах [24]
  • Поиск и добыча полезных ископаемых: коры выветривания могут быть источником алюминия (бокситы), никеля (латериты), железа, редкоземельных элементов и урана; понимание процессов обогащения необходимо для разведки[25].

Продукты выветривания

В результате действия агентов выветривания формируются коры выветривания, которые классифицируются по доминирующему процессу (физические, химические, смешанные) и степени преобразования (начальные, зрелые, реликтовые)[26].

Типичные продукты выветривания включают:

  • Крупнообломочный материал представлен курумами, щебнем, дресвой, образующиеся преимущественно при физическом выветривании в криогенных и высокогорных условиях.
  • Песчаные и алевритовые фракции - результат механического измельчения и избирательного растворения минералов; кварц, как наиболее устойчивый минерал, часто доминирует в песках.
  • Глинистые минералы, такие как каолинит, монтмориллонит, иллит — продукты химического преобразования силикатов; важны для плодородия почв и геохимии осадочных бассейнов[27].
  • Растворённые компоненты: ионы Na+, K+, Ca2+, Mg2+, HCO3−, SO42−, Si(OH)4, а также микроэлементы и коллоидные частицы, транспортируемые в гидросферу.
  • Оксиды и гидроксиды железа и алюминия представлены гематитом, гётит, гиббсит — устойчивые конечные продукты выветривания в тропических регионах, формирующие латеритные коры.

Примечания

  1. ↑ Коваль Виктория Николаевна. Способы борьбы с выветриванием почв // Academy. — 2020. — № 3 (54).
  2. ↑ Price D.G. Weathering and weathering processes // Quarterly Journal of Engineering Geology. 1995. Vol. 28, Iss. 3. P. 243–252. DOI:10.1144/GSL.QJEG.1995.028.P3.04
  3. ↑ 1 2 Ollier C.D. Weathering. 2nd ed. London: Longman, 1984. 270 p.
  4. ↑ West A.J. Thickness of the chemical weathering zone and implications for erosional and climatic drivers of weathering and for carbon-cycle feedbacks // Geology. 2012. Vol. 40, Iss. 9. P. 811–814.
  5. ↑ Camuffo D. Physical weathering of stones // Science of the Total Environment. 1995. Vol. 167, Iss. 1–3. P. 1–14.
  6. ↑ Александров А.В., Литвинова Н.М., Александрова Т.Н. Направленное изменение свойств горных пород физико-химическим воздействием в целях эффективной рудоподготовки // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический журнал). 2012. № S2-1. С. 3–9.
  7. ↑ Kump L.R., Brantley S.L., Arthur M.A. Chemical weathering, atmospheric CO2, and climate // Annual Review of Earth and Planetary Sciences. 2000. Vol. 28, Iss. 1. P. 611–667. DOI:10.1146/annurev.earth.28.1.611
  8. ↑ White A.F., Brantley S.L. The effect of time on the weathering of silicate minerals: why do weathering rates differ in the laboratory and field? // Chemical Geology. 2003. Vol. 202, Iss. 3–4. P. 479–506. DOI:10.1016/j.chemgeo.2003.03.001
  9. ↑ Finlay R.D. et al. Reviews and syntheses: Biological weathering and its consequences at different spatial levels—from nanoscale to global scale // Biogeosciences. 2020. Vol. 17, Iss. 6. P. 1507–1533. DOI:10.5194/bg-17-1507-2020
  10. ↑ Панова Е. Г., Власов А. Д., Попова Т. А., Зеленская М. С., Власов Д. Ю. Биологическое выветривание гранита в условиях городской среды // Биосфера. — 2015. — № 1.
  11. ↑ Landeweert R. et al. Linking plants to rocks: ectomycorrhizal fungi mobilize nutrients from minerals // Trends in Ecology & Evolution. 2001. Vol. 16, Iss. 5. P. 248–254. DOI:10.1016/S0169-5347(01)02123-X
  12. ↑ Adamo P., Violante P. Weathering of rocks and neogenesis of minerals associated with lichen activity // Applied Clay Science. 2000. Vol. 16, Iss. 5–6. P. 229–256. DOI:10.1016/S0169-1317(99)00056-4
  13. ↑ Banfield J.F. et al. Biological impact on mineral dissolution: application of the lichen model to understanding mineral weathering in the rhizosphere // Proceedings of the National Academy of Sciences. 1999. Vol. 96, Iss. 7. P. 3404–3411. DOI:10.1073/pnas.96.7.3404
  14. ↑ Pieters C.M. et al. Space weathering on airless bodies: Resolving a mystery with lunar samples // Meteoritics & Planetary Science. 2000. Vol. 35, Iss. 5. P. 1101–1107. DOI:10.1111/j.1945-5100.2000.tb01497.x
  15. ↑ Dixon J.L. et al. Climate-driven processes of hillslope weathering // Geology. 2009. Vol. 37, Iss. 11. P. 975–978. DOI:10.1130/G30016A.1
  16. ↑ Willenbring J.K., von Blanckenburg F. Long-term stability of global erosion rates and weathering during late-Cenozoic cooling // Nature. 2010. Vol. 465. P. 211–214. DOI:10.1038/nature09044
  17. ↑ 1 2 Polukhin A.A., Makkaveev P.N., Miroshnikov A.B., Borisenko G.V., Khlebopashev P.A. Leaching of inorganic carbon and nutrients from rocks of the Arctic archipelagos (Novaya Zemlya and Svalbard) // Russian Journal of Earth Sciences. 2021. Vol. 21. Art. ES4002. DOI:10.2205/2021ES000758
  18. ↑ Mulholland P.J. Large-scale patterns in dissolved organic carbon concentration, flux, and sources // Aquatic Ecosystems. Amsterdam: Academic Press, 2003. P. 139–159.
  19. ↑ Riebe C.S., Kirchner J.W., Finkel R.C. Long-term rates of chemical weathering and physical erosion from cosmogenic nuclides and geochemical mass balance // Geochimica et Cosmochimica Acta. 2003. Vol. 67, Iss. 22. P. 4411–4427. DOI:10.1016/j.gca.2003.07.004
  20. ↑ Parkhurst D.L., Appelo C.A.J. Description of input and examples for PHREEQC version 3 // U.S. Geological Survey Techniques and Methods. 2013. Book 6, Chap. A43. 497 p. USGS Publication
  21. ↑ Poitrasson F. Silicon isotope geochemistry // Reviews in Mineralogy and Geochemistry. 2017. Vol. 82, Iss. 1. P. 289–344. DOI:10.2138/rmg.2017.82.07
  22. ↑ Gorelick N. et al. Google Earth Engine: Planetary-scale geospatial analysis for everyone // Remote Sensing of Environment. 2017. Vol. 202. P. 18–27. DOI:10.1016/j.rse.2017.06.031
  23. ↑ Schlesinger W.H. Biogeochemistry: An Analysis of Global Change. 2nd ed. San Diego: Academic Press, 1997. 588 p.
  24. ↑ Fookes P.G., Gourley C.S., Ohikere C. Rock weathering in engineering time // Quarterly Journal of Engineering Geology and Hydrogeology. 1988. Vol. 21, Iss. 1. P. 33–57. DOI:10.1144/GSL.QJEG.1988.021.P1.04
  25. ↑ Anand R.R., Paine M. Regolith geology of the Yilgarn Craton, Western Australia: implications for exploration // Australian Journal of Earth Sciences. 2002. Vol. 49, Iss. 1. P. 3–162. DOI:10.1046/j.1440-0952.2002.00912.x
  26. ↑ Nahon D. Introduction to the Petrology of Soils and Chemical Weathering. New York: Wiley, 1991. 313 p.
  27. ↑ Velde B., Meunier A. The Origin of Clay Minerals in Soils and Weathered Rocks. Berlin: Springer, 2008. 404 p.

Ссылки

  • U.S. Geological Survey — раздел по геохимии и выветриванию
  • International Association of Geochemistry — публикации и ресурсы по химическому выветриванию
  • NASA Earth Observatory — материалы по взаимодействию литосферы, гидросферы и атмосферы
  • IPCC Reports — оценка роли выветривания в климатической системе
  • Google Earth Engine — платформа для анализа пространственных данных о выветривании и эрозии
  • European Geosciences Union — журналы и конференции по геоморфологии и геохимии

Дополнительно по теме

Категории