2.8. Экзогенные процессы

Геологические процессы, обусловленные взаимодействием земной коры с атмосферой, гидросферой и биосферой, называются процессами внешней динами Земли, или экзогенными (от греч. «эксос» - вне, снаружи) процессами. К ним относятся: выветривание, денудация и аккумуляция, литогенез.

Выветривание – это процесс физического разрушения и химического разложения горных пород, находящихся на древней поверхности или вблизи нее, под действием атмосферных факторов, при активном участии микроорганизмов.

В зависимости от факторов, воздействующих на горные породы, различают:

1) физическое выветривание, обусловленное главным образом суточными и сезонными колебаниями температуры;

2) химическое выветривание, происходящее преимущественно под действием поверхностных и подземных вод, а также в результате химического взаимодействия горных пород с атмосферой;

3) органическое выветривание, связанное с жизнедеятельностью организмов.

Физическое выветривание выражается в измельчении горных пород и превращении их в скопления рыхлых образований. Оно проявляется сильнее всего в областях с резким различием в температуре дня и ночи в пустынях, высокогорных районах. Днем горные породы разогреваются и расширяются в объеме, а ночью охлаждаются и вновь сжимаются.

Ввиду того, что горные породы по своему строению и составу неоднородны и каждая состоящая ее частица (минерал) характеризуется своими коэффициентами объемного и линейного расширения, то регулярные изменения температуры нарушают механическую связь между отдельными частицами породы, и последняя разрушается (например, у кварца коэффициент объемного расширения равен 0,000310, у ортоклаза – 0,000170). Чем мельче и однороднее частицы горных пород, тем они устойчивее по отношению к процессам физического выветривания. На интенсивность физического выветривания влияют также окраска (темные породы разрушаются быстрее), минеральный состав пород (породообразующие минералы имеют неодинаковое термическое расширение).

В результате физического выветривания из коренных пород высвобождаются многие минералы, образующие нередко богатые россыпные месторождения некоторых ценных полезных ископаемых (золото, платина, касситерит, алмазы и др.).

Мощным фактором физического выветривания является замерзание воды в трещинах и пустотах горных пород, сопровождающееся ее расширением. 1 г воды при 4°С имеет объем в 1 см³, тогда как в твердом агрегатном состоянии, наступающем при 0°С он занимает объем 1,000132 см³. Это расширение воды вызывает громадное (более 2000 кг/см²) давление на стенки трещин и пустот, в которые проникла вода перед застыванием. При этом увеличивающийся объем замерзающей воды вызывает появление новых трещин и дальнейшую дезинтеграцию, разрушение пород. Этот вид физического разрушения горных пород называется морозным выветриванием.

Большую разрушительную работу производит ветер. Проникая в трещины и расщелины горных массивов, он выдувает из них песчинки и более крупные продукты физического выветривания. Эта деятельность ветра называется ветровой эрозией, или дефляцией (лат. «дефляцио» - выдувание). Переносимые ветром твердые кварцевые песчинки обтачивают и истирают массивы горных пород, постепенно разрушая их. Ветер производит огромную работу по переносу рыхлого материала (например, в пустыне Каракумы многие массивы песков перенесены ветром из районов, расположенных в 500 – 800 км от их современного местонахождения). Перегоняя по поверхности Земли массы сухого песка, ветер образует холмы сыпучего песка. В пустынях они называются барханами, а на морских побережьях – дюнами.

Химическое выветривание – разрыхление коренных пород вследствие изменения их химического состава в присутствии воды и ее растворяющего, разлагающего действия. Воды, циркулирующие в горных породах вблизи дневной поверхности, всегда содержат то или иное количество растворенного кислорода, углекислого газа, органические кислоты, что делает их достаточно агрессивными. Сущность химического выветривания заключается в изменении химического состава минералов, неустойчивых в поверхностных условиях, с образование новых, вторичных минералов.

Основными химическими реакциями, обусловливающими химическое выветривание, является окисление, гидратация, растворение и гидролиз.

Окисление связано с переходом закисных соединений в окисные и сопровождается присоединением кислорода. В результате окисления образуются новые минералы, устойчивые в зоне выветривания. Примером может служить окисление пирита (FeS₂) и переход его в лимонит (2Fe₂O₃∙3H₂O).

Гидратация характеризуется образованием новых водных соединений в результате поглощения, присоединения воды. Примером служит реакция перехода ангидрита (CaSO₄) в гипс (CaSO₄∙2H₂O).

Растворение очень широко распространено в природе. Оно особенно интенсивно проявляется в карбонатных породах и приводит к образованию специфических форм рельефа – карстовых пустот.

Гидролиз – это процесс обменного разложения минералов под влиянием воды и углекислоты. Особенно широко подвергаются гидролизу полевые шпаты. Вода, содержащая углекислоту, выщелачивает из полевых шпатов калий, натрий и кальций и уносит их в виде карбонатных растворов. При этом выделяется кремнезем, служащий материалом для образования опала и халцедона, а силикат глинозёма, соединяясь с двумя молекулами воды, образует каолинит:

4K[AlSi₃O₈] + nH₂O + CO₂ → Al₄[Si₄O₁₀](OH)₈ + 2K₂CO₃ + 8SiO₂ + nH₂O

^{ортоклаз каолинит опал}

Органическое выветривание происходит под влиянием кислот, выделяемых микроорганизмами и низшими растениями. Органические кислоты усиливают, ускоряют процесс химического разложения горных пород. На разрушенной, взрыхленной микроорганизмами поверхности горных пород поселяются низшие и высшие растения, корневая система которых проникает еще глубже, раскалывая, дезинтергируя породу. Физическому разрушению породы способствуют также роющие животные и черви. Таким образом, можно различать химическое и физическое разрушение пород организмами.

Продукты выветривания. В результате выветривания образуются подвижные продукты, которые уносятся от места разрушения под действием силы тяжести, смыва, ветра и т.д., и продукты, которые остаются на месте разрушения исходных, или материнских пород.

Продукты выветривания коренных пород могут оставаться на месте своего возникновения. В этом случае они называются элювием (лат «элювио» - разлив, наводнение). С элювиальными образованиями связаны месторождения бокситов, каолинов, бурого железняка и других полезных ископаемых.

Чаще всего под действием силы тяжести продукты физического выветривания горных пород скатываются вниз по склонам оврагов и возвышенностей, образуя коллювий (лат «коллювио» - беспорядочная груда) – обломочный материал, смещенный под действием собственного веса и скопившийся на склонах гор и подножий, т.е. осыпи, обвалы, оползни.

Рис. 2.53 Схема развития элювия

Совокупность остаточных или частично преобразованных продуктов выветривания, залезающих на месте своего образования или перемещенных на небольшое расстояние, но не потерявших связи с материнской породой, называют корой выветривания.

Кора выветривания характеризуется следующими особенностями:

1) кора выветривания генетически связана с материнскими породами;

2) разница между составом коры выветривания и материнскими породами нарастает снизу вверх;

3) кора выветривания имеет более или менее отчетливое зональное строение, связанное со стадийностью процесса выветривания;

4) минеральный состав коры выветривания разнообразен, но самым характерным для нее является преобладание глинистых минералов.

По возрасту различают современные и древние коры выветривания. В современных корах выветривания элювий недифференцирован ввиду того, что кора не развита. Практический интерес представляют древние коры выветривания, так как с им могут быть связаны такие полезные ископаемые, как бокситы, каолиниты, гидросиликаты никеля, гидроокислы и окислы железа, гидроокислы марганца, опалы, гипс, малахит, азурит, платина, золото, алмазы и т.д.

По характеру и составу образующихся продуктов различают три основных типа коры выветривания:

1) каолиновая кора выветривания образуется чаще по кислым магматическим породам;

2) латеритная кора выветривания образуется по алюмосиликатным магматическим породам преимущественно основного и щелочного состава;

3) нонтронитовая кора выветривания образуется на богатых железом и магнием породах и широко развита на массивах ультраосновных пород.

Продукты кор выветривания имеют широкое практическое применение. Каолин используется в различных отраслях промышленности (бумажная, керамическая, химическая, пищевая и др.). Латериты, содержащие гидроокислы алюминия, называются бокситами. Нонтрониты могут быть обогащены гидроокислами никеля до промышленных концентраций.

Агентами экзогенных процессов являются: ветер, поверхностные и подземные воды, ледники, море, озера и болота. Их геологическая деятельность будет рассмотрена в параграфе 2.16.

Стадии образования осадочных горных пород

Используя данные Гильберта и Рихтгофена, Вальтер (Walther, 1894) различал 5 основных стадий, или фаз развития, породообразовательного процесса: выветривание, денудацию (включая транспортировку), отложение, диагенезис и метаморфизм. В 1922 г. А.Е. Ферсман ввел новые термины в геохимию для обозначения процессов и вместе с тем стадий осадочного породообразования: сингенез – образование осадка, диагенез – изменение осадка, катагенез – преобразования горных пород до наступления глубинного метаморфизма (или гипергенеза). В последствие предложенные стадии уточнялись (Шевцов, Пустовалов, Коссовская, Логвиненко, Шутов, Вассоевич и др.).

В 1960 г. Страхов опубликовал следующую “Схему истории возникновения и последующих изменений осадочных горных пород”:

Таблица 2.12 Стадии преобразования осадка в горную породу

Схема этапов образования и преобразования осадочных пород (по Р.С. Безбородову,1989)

Литогенез – (греч. «литос» - камень) все процессы, непосредственно связанные с образованием осадка (сталия седиментогенеза), последующим превращением этих осадков в горную породу (стадия диагенеза), ее изменениями до превращения в метаморфическую породу (стадия катагеназа).

Первая стадия литогенеза – седиментогенез. В эту стадию образуется материал (осадок), преобразование которого дает в результате осадочную горную породу.

Седиментогенез слагается из трех последовательных этапов:

1) мобилизация вещества в коре выветривания;

2) перенос вещества и осадконакопление на водосборных площадях;

3) осадконакопление в конечных водоемах стока.

Экзогенные геологические процессы приводят к физическому и химическому разрушению горных пород, образованию осадочного материала, его удалению и переносу к конечным водоемам стока (озерам, морям). Удаление осадочного материала с водораздельных пространств осуществляется в основном с помощью поверхностных вод, в меньшей мере другими транспортирующими агентами (ветер, лед). Совокупность процессов сноса рыхлых твердых продуктов выветривания получила название механической денудации, а вынос растворенных веществ – химической денудацией. Аккумуляция – это сумма всех процессов накопления осадков, возникающих в понижениях рельефа Земли за счет принесенных денудацией продуктов выветривания. Денудация и аккумуляция (осадконакопление) тесно взаимосвязаны.

В зависимости от форм, в которых поступает в конечные водоемы стока осадочный материал, транспортируемый поверхностными водами, различают четыре группы минеральных веществ:

1) легкорастворимые соли – эти соединения переносятся только в виде истинных растворов;

2) карбонаты щелочных и щелочноземельных металлов и кремнезем – это компоненты поверхностного стока, обладающие умеренной растворимостью;

3) соединения Fe, Mn, P и малых металлов – это компоненты с низкой растворимостью, что предопределяет их нахождение преимущественно в виде коллоидных соединений или механических взвесей;

4) кварц и разнообразные силикаты и алюмосиликаты – эти компоненты практически нерастворимы, поэтому переносятся как тонкая взвесь или более грубозернистый материал, перемещаемый волочением по дну.

Процессы перемещения и осаждения вещества, внесенного в морские водоемы, весьма многообразны. Прежде всего поступающий с суши материал разносится по акватории бассейна и осваивается им, т.е. смешивается с веществом, уже имеющимся в бассейне. При этом происходит механическое осаждение частиц, внесенных в водоем во взвешенном состоянии, и химико-биологическое осаждение растворенных в воде соединений с образованием твердых фаз, погружающихся на дно.

Распределение осадочного материала по акватории бассейна осуществляется движением воды (волны, приливы – отливы, течения, вертикальное перемешивание).

Одновременно с разносом поступивший в бассейн материал осаждается, и образуется осадок. У обломочных частиц и гелевых сгустков, привнесенных в бассейн во взвешенном состоянии, осаждение сводится к постепенному падению частиц вниз, на дно бассейна. Осаждение же растворенных веществ из морской воды осуществляется химическим путем, биогенно или сорбцией вещества уже меющимися в воде твердыми частицами.

Таким образом, в результате мобилизации, денудации и аккумуляции в конечных водоемах стока или на путях перемещения к нему разнообразного материала образуется осадок. Процессы мобилизации осадочного материала, денудации и аккумуляции объединяются в стадию седиментогенеза.

Только что образовавшийся осадок представляет собой рыхлое или текучее тело, обильно обводненное, богатое микроорганизмами и состоящее из весьма разнородного материала, частью твердого, частью жидкого и газообразного.

Главная особенность свежесформированного осадка – отсутствие равновесия между входящими в его состав реакционноспособными соединениями. Из-за такой неравновесности свежий осадок представляет собой неустойчивую физико-химическую систему. Так, в осадке имеется много кислорода и богатых им веществ, здесь же – живые организмы, нуждающиеся в кислороде для своего существования, и органическое вещество, которое способно к окислению и сгоранию. Пропитывающий иловый осадок вода по составу почти не отличается в первый момент от воды наддонной. Эта вода не насыщена карбонатами, кремнеземом, фосфатами и другими компонентами; в то же время в осадках очень много биогенно осажденных или перенесенных в виде взвеси кальцита, магнезита, кремнезема и других веществ. В состав глинистых минералов в виде примеси входят также поглощенные или катионы многих металлов.

После фиксации осадка на дне естественно начинается процесс уравновешивания этой системы, т.е. после завершения седиментогенеза наступает диагенез – совокупность физико-химических преобразований сложной, многокомпонентной системы реакционно-способных веществ в термодинамических условиях поверхности земной коры.

И наконец, только что сформировавшаяся осадочная порода по мере захоронения и погружения на всё более значительные глубины, испытывает дальнейшие изменения – эпигенез. Движущим фактором и причиной эпигенетических изменений осадочных пород являются не внутренние противоречия (как при диагенезе), а противоречие между вещественным составом породы и теми термодинамическими условиями, в которые она попадает.

Рис. 2.54 Денудация и аккумуляция горных пород