Выветривание

Северная часть национального парка Рузвельта, Северная Дакота, США

Выве́тривание — процесс разрушения и химического преобразования горных пород под воздействием колебаний температуры, влияния атмосферы, воды и живых организмов. Различают физическое (механическое), химическое и биологическое (органическое) выветривание.

Этимология названия

Термин «выветривание» широко используется, однако стоит отметить, что он не совсем корректен: ветер в этих процессах играет второстепенную роль. Например, на французском этот процесс называется фр. alteration, что переводится как «изменение». На английском языке используется слово англ. weathering, производное от англ. weather — «погода», и на немецком также связано с понятием «погода».

Есть основания полагать, что в русском языке этот термин появился как не совсем удачный перевод слова нем. Verwitterungе, где чётко различается нем. Wetter — «погода», в то время как русскоязычные воспринимают это слово как «ветер».

Причины выветривания

Растрескавшийся валун, Исландия

На горные породы влияют такие факторы, как сезонные и суточные температурные колебания, а также химическое и механическое воздействие атмосферы и подземного воздуха (включая водяной пар), дождевой и грунтовой воды, льда, кристаллизованных солей, макро- и микроорганизмов. Скорость, интенсивность и тип выветривания, толщина покрова продуктов выветривания, их размер и минеральный состав зависят от климата, рельефа, геологической структуры и состава материнской породы.

Неравномерный прогрев горных пород приводит к трещинам. Этот эффект усиливается при замерзании воды, попадающей в трещины (лёд занимает больший объём, чем вода).

Вода способна растворять многие вещества, поэтому в верхних слоях горных пород, особенно при повышенных температурах, протекают химические реакции окисления, замещения и иногда восстановления, часто с участием атмосферного воздуха.

Корни растений помогают расширить щели между частицами породы и позволяют воде и воздуху проникать внутрь. Вещества, выделяемые животными и растениями, участвуют в химических реакциях.

Виды выветривания

Существует два главных вида выветривания: физическое и химическое. Биологическое (органическое) выветривание включает в себя биомеханические и биохимические изменения горных пород. Хотя эти виды выветривания обычно действуют совместно, в зависимости от климатических условий один из них может доминировать.

Физическое выветривание наиболее распространено в полярных и высокогорных зонах. В таких местах растительный покров слабо защищает горные породы от резких температурных колебаний.

Химическое выветривание чаще встречается в областях с влажной погодой, особенно в тропиках и субтропиках. Плотная растительность ускоряет химические реакции, вовлекая в процесс органические вещества.

Физическое выветривание

Рум-Гора в бассейне реки Подкумок, Карачаево-Черкесия

Это механическое разрушение цельной горной породы на отдельные фрагменты без значительного изменения её минерального состава. Физическое выветривание наиболее выражено в условиях недостатка влаги или при низкой температуре.

В засушливых регионах резкое изменение объёма горных пород происходит из-за значительных суточных перепадов температуры между дневным нагревом солнечными лучами и ночной прохладой (инсоляционное или температурное выветривание). Такое выветривание особенно эффективно в поликристаллических породах, частицы которых отличаются разной теплопроводностью. Трещины в породе углубляются под воздействием плёночной воды и расширяются за счёт роста кристаллов из пересохших растворов.

Существенное значение имеет растрескивание при усадке ранее разбухшего увлажнённого грунта. В районах высоких широт и высот с частыми изменениями температуры вокруг нуля градусов разрушение горных пород связано с замерзанием воды, которая проникает в существующие трещины (морозное выветривание).

Разрушение поверхности породы из-за расширения пересекающихся трещин ведёт к откалыванию многогранников разного размера и формы. Для частиц размером менее 20 мм характерна форма неправильной гранулы. Разрушение породы происходит там, где имеются скрытые трещины и дефекты в структуре кристаллической решётки минералов. Повторяющееся глубокое замораживание и таяние пород (криогенное выветривание) могут приводить к накоплению тонкодисперсных продуктов.

Химическое выветривание

Кварцевый песчаник в штате Огайо, США

Это вид выветривания вызывает изменения в химическом составе горных пород, часто сопровождаясь удалением подвижных ионов и формированием минералов, устойчивых в условиях земной поверхности. Этот процесс характерен для территорий с тёплым, умеренным или избыточным увлажнением. Он протекает особенно интенсивно при высокой степени раздробленности и водопроницаемости пород, предварительно обработанных физическим выветриванием.

Активным окислителем выступает кислород воздуха и подземных вод. Растворённый углекислый газ усиливает химическую активность воды, которая, нагретая солнечными лучами, воздействует на породу путём прямого растворения, гидратации и гидролиза.

В ходе химического выветривания из пород вымываются кальций, магний, калий, натрий, а также присоединяется вода, кислород и углекислый газ. Все образовавшиеся вторичные минералы содержат адсорбированную и кристаллизационную воду. Окислительные процессы характерны для выветривания пород, содержащих сульфиды или обогащённых двухвалентными ионами железа и магния. В условиях восстановления происходит заболачивание пород, ведущее к выносу из них железа, марганца, кобальта, никеля, цинка. Процессы окисления, сорбции и гидратации происходят с выделением энергии.

Гидролиз алюмосиликатов приводит к трансформации первичных породообразующих минералов во вторичные глинистые. Этот процесс сопровождается частичным или полным удалением ионов кальция, натрия и калия из кристаллической решётки полевых шпатов, которые являются одними из самых распространённых минералов магматических и метаморфических пород. В результате происходит перестройка исходной каркасной решётки в слоистую структуру, характерную для глин.

Биологическое (органическое) выветривание

Гранитовое скальное образование, Бавария

Такое выветривание происходит благодаря воздействию живых организмов на горные породы. Этот процесс особенно характерен для регионов с повышенной влажностью. Корневая система растений производит значительную механическую работу, сопровождаемую разнообразием химических реакций.

Микроорганизмы играют важную роль в цикле азота, серы, фосфора, железа и других элементов. Образующиеся при разложении органики углекислый газ и гуминовые кислоты значительно повышают растворяющие свойства почвенной влаги. Даже в условиях пустыни деятельность лишайников способствует появлению глинистых продуктов выветривания.

В процессе разрушения горных пород формируются новые минералы и растворы, находящиеся в физическом и химическом равновесии с окружающей средой. Взаимодействие организмов и продуктов их жизнедеятельности с подвергшимися выветриванию породами лежит в основе почвообразования.

Результатом выветривания является образование несортированного рыхлого материала — элювия, который сохраняет структуру исходных горных пород. Обломочный элювий формируется вследствие физического выветривания, а глинистый — химического. Элювий накапливается на ровных и пологих участках, образуя кору выветривания, где наблюдается зональность, отражающая стадии этого процесса. Выветривание также связано с образованием специфического типа месторождений полезных ископаемых.

Факторы, влияющие на выветривание

Ячеистое выветривание песчаника, Карачаево-Черкесия

На степень выветривания влияют климат, тип горной породы и природные факторы:

• Климат конкретного региона определяет тип и скорость выветривания. В местах с высоким уровнем осадков и повышенной влажностью чаще наблюдается химическое выветривание, поскольку вода взаимодействует с минералами в горных породах, образуя новые соединения. В противоположность этому, в областях с резкими колебаниями температуры, например, где происходит замерзание и оттаивание, доминирует механическое выветривание из-за расширения и сжатия воды в горных породах. Также сильный ветер может способствовать истиранию и повреждению открытых каменных поверхностей.
• Тип горной породы также играет важную роль. Некоторые породы, такие как гранит и базальт, обладают большей устойчивостью к атмосферным воздействиям благодаря своей плотной и твёрдой структуре. В отличие от них, осадочные породы, например песчаник и известняк, чаще подвергаются выветриванию из-за своей пористой структуры и наличия минералов, которые могут растворяться в воде. Породы, содержащие железо и другие минералы, подверженные окислению, также более восприимчивы к химическому выветриванию.
• Природные элементы, включая воду, ветер и живые организмы, оказывают значительное влияние на скорость и особенности выветривания горных пород. Вода может приводить как к механическому, так и к химическому выветриванию. Ветер, в свою очередь, способствует эрозии открытых скал, а корни растений и роющие животные играют роль в физическом разрушении горных пород и минералов.

Влияние выветривания на ландшафт

Физическое выветривание вулканических пород, Исландия

Скальные образования, Болгария

Выветривание является постоянным и мощным фактором разрушения горных пород. Оно создаёт рыхлый материал, который может смещаться вниз под влиянием гравитации. Если продукты выветривания не остаются на месте своего возникновения, могут формироваться уникальные формы рельефа, обусловленные характером выветривания и свойствами горных пород. Например, магматическим породам (таким как граниты и диабазы) свойственны массивные округлые формы выветривания, тогда как слоистые осадочные породы образуют ступенчатые структуры (карнизы, ниши). Различная устойчивость частей пород к выветриванию приводит к формированию останцев в виде отдельных гор, столбов, башен и прочих объектов.

Выветривание является важным естественным процессом, который с течением времени влияет на формирование и развитие земного ландшафта:

• Выветривание играет ключевую роль в формировании почвы. Естественные агенты и химические реакции разрушают горные породы и минералы, превращая их в мелкие частицы, которые смешиваются с органическими веществами, образуя почвенный слой. С течением времени накопленная почва способствует развитию растительности и формированию сложных экосистем.
• Выветривание может приводить к эрозии, что представляет собой процесс перемещения почвы и горных пород под воздействием природных факторов, таких как вода и ветер. Это способствует образованию таких географических форм, как каньоны, долины и русла рек.
• Выветривание включает седиментацию, то есть осаждение выветренных материалов в новых местах. Переносимый природными агентами выветренный материал может накапливаться и осаждаться, что со временем приводит к образованию осадочных пород.
• Химическое выветривание может растворять горные породы и минералы, что ведёт к образованию пещер и других подземных структур. Например, в районах с известняком растворение карбоната кальция кислой водой может привести к образованию сложных систем пещер.
• Выветривание со временем способствует образованию гор. В процессе выветривания и эрозии образующиеся отложения могут накапливаться и уплотняться, что приводит к образованию новых горных пород и поднятию участков суши.

Антропогенное воздействие на выветривание

Высокогорные пастбища, Карачаево-Черкессия

Человеческая деятельность оказывает как прямое, так и косвенное влияние на процессы выветривания, изменяя природный ландшафт и динамику экосистем:

• Использование земель, включая вырубку лесов, развитие городов и сельского хозяйства, способно значительно изменить природный ландшафт, что, в свою очередь, влияет на скорость и характер процессов выветривания. Вырубка лесов может привести к усилению эрозии почвы и уменьшению растительности, что усиливает химическое выветривание как горных пород, так и почвы.
• В процессе горных работ происходит удаление больших объёмов породы и минералов, что изменяет геологию района. Это увеличивает подверженность горных пород воздействиям природных факторов, таких как вода и воздух, что ускоряет процессы выветривания.
• Индустриализация и сжигание ископаемого топлива приводит к выбросам загрязняющих веществ атмосферу и водоёмы, способствуя химическому выветриванию. Строительство зданий и инфраструктуры меняет ландшафт и влияет на естественные процессы выветривания и эрозии.
• Деятельность человека вносит вклад в глобальные изменения климата, которые могут оказывать влияние на температурные режимы и уровень осадков. Эти изменения влияют на типы и скорость выветривания, а также седиментацию.

Осознание негативных последствий антропогенного воздействия и работа по его минимизации важны для сохранения природных ресурсов и поддержания здоровья экосистем.

Практическое применение

Солевое выветривание строительного камня, Мальта

Процессы выветривания имеет важное значение для народного хозяйства, экологии и культуры:

• Выветривание играет ключевую роль в образовании плодородной почвы, необходимой для успешного ведения сельскохозяйственной деятельности. Знание особенностей этого процесса помогает аграриям совершенствовать подходы к землепользованию, включая подбор соответствующих удобрений и методов полива, исходя из типа грунта и климатических условий.
• Модели выветривания используются для поиска месторождений ценных минералов и руд. Геологи и специалисты по добыче полезных ископаемых учитывают особенности выветривания различных горных пород, чтобы повысить эффективность разведки и добычи ресурсов.
• Для проектирования и строительства объектов, таких как фундаменты зданий, тоннели и мосты, крайне важно понимать характер выветривания горных пород и грунтов. Инженеры должны принимать во внимание возможные последствия выветривания, такие как эрозия и проседание, чтобы обеспечить долговечность и надёжность сооружений.
• Выветривание оказывает значительное влияние на естественный цикл углерода и климатические изменения. Исследователи используют знания о процессах и скоростях выветривания для создания моделей и прогнозирования воздействия изменений климата на экосистемы планеты, а также для разработки мер по снижению негативных последствий.
• Выветривание представляет угрозу для памятников культуры, таких как исторические здания, статуи и другие артефакты. Специалисты по реставрации применяют знания о характеристиках выветривания различных материалов и условиях окружающей среды для разработки эффективных стратегий консервации и восстановления культурных ценностей.
• Результат различных видов выветривания
• 

  Асимметричная затирка гранита, Монголия

• 

  Ячеистое выветривание песчаника, Карачаево-Черкесия

• 

  Ручьевое выветривание, Северная Дакота

• 

  Участок эрозии, Центральная Танзания

• 

  Треснувший валун

• 

  Естественная арка, Иордания