Table of Contents

Выветривание и эрозия являются фундаментальными геологическими процессами, которые постоянно создают поверхность Земли. Они разрушают скалы, транспортные отложения и создают ландшафты, начиная от высоких плато и заканчивая широкими береговыми линиями. Вместе эти силы определяют плодородие почвы, влияют на качество воды и формируют среду обитания бесчисленных видов. Понимание выветривания и эрозии имеет важное значение для студентов, преподавателей и специалистов в области науки о Земле, гражданского строительства и управления окружающей средой. В этой статье исследуются механизмы этих процессов, их взаимодействия и формы земли, которые они производят, с тематическими исследованиями, которые подчеркивают их силу и масштаб.

Что такое Уэзеринг?

Выветривание - это разрушение горных пород и минералов на поверхности Земли или вблизи нее. Оно не включает движение; вместо этого оно готовит материал для последующего переноса эрозией. Выветривание может быть физическим, химическим или биологическим, и каждый тип взаимодействует с другими в природе.

Физическая погода

Физические или механические, выветривающие трещины породы без изменения ее химического состава.Ключевые процессы включают:

  • Действие замораживания-оттепели:] Вода просачивается в трещины, замерзает и расширяется, оказывая давление до 200 МПа. Повторяющиеся циклы вклинивается в скалу, создавая угловые фрагменты, называемые талус. Этот процесс доминирует в альпийской и периглациальной средах.
  • Тепловое расширение и сжатие:] В пустынях большие суточные перепады температуры заставляют камни расширяться и сжиматься. Со временем дифференциальные скорости расширения между минералами вызывают рост микроскопических трещин. Это может привести к отшелушиванию листов — изогнутых плит, которые отслаиваются, как слои лука.
  • Соль выветривается: В прибрежных и засушливых зонах соль кристаллизуется в порах и трещинах. По мере роста кристаллов они оказывают давление, которое разрушает породу, создавая выветривание сот (тафони).
  • Биологическая активность: Корни растений вклиниваются в суставы и расширяются, при этом зарывание животных и дождевых червей физически нарушает почву и реголит. Лишайники производят органические кислоты, ослабляющие поверхности горных пород, но их основным механическим эффектом является улавливание влаги и расширение во время влажных-сухих циклов.

Химическое выветривание

Химическое выветривание изменяет молекулярную структуру минералов, часто делая их более восприимчивыми к эрозии. Это наиболее быстро в теплом, влажном климате. Основные реакции включают:

  • Гидролиз: Вода реагирует с силикатными минералами, такими как полевой шпат, образуя глинистые минералы и растворенные ионы. Например, ортоклазный полевой шпат выдерживает каолинитовую глину, высвобождая калий в процессе. Это доминирующий процесс выветривания в большинстве почв.
  • Окисление: Богатые железом минералы, такие как оливин и пирит, реагируют с кислородом с образованием оксидов железа и гидроксидов. Красноватые оттенки почв и песчаников — как и в стране красных скал Юты — происходят из гематита и гетита, образующихся в результате окисления.
  • Углекислый газ:] Углекислый газ растворяется в дождевой воде с образованием слабой углекислоты. Это реагирует с кальцитом в известняке и мраморе, медленно растворяя его. Углерод отвечает за карстовые ландшафты, включая воронки, пещеры и подземные реки.
  • Растворение: Некоторые породы, такие как галит (скаловая соль) и гипс, просто растворяются в воде. Это может привести к быстрой эрозии в отложениях испарителей, что приводит к обрушению признаков и соленых озер.

Биологическое выветривание

Хотя часто сгруппированные с химическими или физическими процессами, биологическое выветривание заслуживает отдельного упоминания. Микробы, грибы и лишайники выделяют хелатирующие соединения, которые извлекают питательные вещества из минералов. Корни деревьев могут расщеплять гранитные валуны, и даже деятельность бактерий, которые окисляют или уменьшают металлы, способствуют выветриванию. В глобальном масштабе эволюция наземных растений и их корневых систем около 400 миллионов лет назад резко ускорила темпы выветривания, изменив углеродный цикл и охладив планету.

Что такое эрозия?

Эрозия — это процесс, посредством которого выветрившийся материал отделяется и транспортируется природными агентами. Он изменяет ландшафты, создает осадочные бассейны и ежегодно перемещает миллионы тонн осадка. Основными агентами являются вода, ветер, лед и гравитация. Каждый агент работает в разных масштабах и производит характерные рельефы.

Водная эрозия

Вода является наиболее эффективным эрозионным агентом. Она действует в нескольких формах:

  • Всплеск дождя и эрозия листа: Капли дождя воздействуют на голую почву, вытесняя частицы, которые затем движутся вниз по склону тонкими листами. Это распространено на сельскохозяйственных полях и может удалять верхний слой почвы намного быстрее, чем он образуется.
  • Рилл и эрозия оврагов: Концентрированный поток разрезает небольшие каналы (рилли), которые могут сливаться в более крупные овраги.Эрозия оврагов может расчленять склоны холмов и разрушать пахотную землю.
  • Живая эрозия: Реки и ручьи прорезают каналы через коренную породу и аллювий. Доминируют два процесса: гидравлическое действие (сила движущейся воды) и истирание (залипанная осадком вода измельчает остальную часть кровати). Со временем реки вырезают долины, каньоны и меандры.
  • Волновая эрозия:] Океанские волны с огромной силой разрушают береговые линии, подрезают скалы и удаляют скалы. Дрифт Лонгшор переносит осадок вдоль берегов, строя пляжи и косы, разрушая наголовья.
  • Эрозия грунтовых вод: Растворение известняка грунтовыми водами создает пещеры, воронки и подземные дренажные системы — основу карстовой топографии.

Ветровая эрозия

Ветровая эрозия наиболее эффективна в засушливых и полузасушливых регионах, где растительность редкая, а тонкие осадки обильны. Ключевые особенности включают:

  • Факты: Скалы, сформированные ветровым песком, в граненые, полированные поверхности.
  • Ярданы: Обтекаемые горные породы, вырезанные из коренных пород или консолидированного осадка, ориентированные параллельно преобладающим ветрам.
  • Пылевые бури: Лёсс (вздутый ил) может преодолевать тысячи километров, откладывая плодородную почву в отдаленных регионах.

Ледниковая эрозия

Ледники разрушаются, выщипывая (замерзая на скале и оттягивая куски) и истирание (фрагменты скал, встроенные в лед, соскребающий кровать). Они производят U-образные долины, цирки, байты и фьорды. Скорость ледниковой эрозии обычно намного медленнее, чем эрозия воды, но может быть драматичной в течение тысячелетнего периода. Гренландский и антарктический ледяные щиты продолжают лепить подстилающую породу сегодня.

Массовая растрата (Mass Wasting)

Гравитация способствует эрозии за счет массового истощения — нисходящего движения породы и почвы без помощи транспортной среды. Это включает в себя:

  • Медленное, незаметное движение частиц почвы под влиянием циклов замораживания-оттаивания и влажной-сухости, часто наблюдаемое в наклонных огражденных столбах.
  • Спады и оползни: Когерентные блоки материала скользят по изогнутым плоскостям отказа.
  • Каменные водопады и потоки мусора: Быстрые, катастрофические движения, вызванные землетрясениями, сильным дождем или обрывами.

Взаимодействие выветривания и эрозии

Выветривание и эрозия — две половины непрерывного цикла. Выветривание разбивает породу на куски, достаточно маленькие, чтобы их можно было перемещать; эрозия затем переносит эти куски в новые места — часто сокращая их далее во время транспортировки. Тип выветривания влияет на то, как протекает эрозия. Например, химическое выветривание вдоль суставов в граните создает закругленные валуны (буры), которые затем удаляются гравитацией или потоками. В карбонатных породах карбонизация производит глубокие трещины, которые направляют воду, ускоряя как химическое растворение, так и механическую эрозию.

Баланс между выветриванием и эрозией определяет рельеф ландшафта. Там, где эрозия превышает выветривание, образуются крутые скалы и острые хребты. Где выветривание опережает эрозию, развиваются глубокие почвы и мягкие склоны. Это динамическое равновесие является фундаментальной концепцией в геоморфологии.

Формы земли, созданные выветриванием и эрозией

  • Долины: V-образные долины являются результатом разреза реки; U-образные долины из ледниковой резьбы. Гранд-Каньон реки Колорадо является классическим примером речного вырубки.
  • Утесы и откосы: Дифференциальная эрозия слоев твердых и мягких пород создает крутые грани.Ниагарский откос является ярким примером в Северной Америке, где эрозионностойкие доломитовые колпачки слабее сланцев.
  • Песчаные дюны:] Ветровая эрозия и осаждение образуют различные типы дюн, включая барханы в форме полумесяца, линейные дюны сейфа и звездные дюны. Поля дюн покрывают обширные области пустынь и побережий Земли.
  • Аллювиальные вентиляторы и поймы: Водные эрозионные отложения осадочных пород, где потоки переполняют или теряют скорость. Аллювиальные вентиляторы образуются на горных фронтах; поймы развиваются вдоль извилистых рек.
  • Пещеры и карст: Химическое выветривание углекислотой создаёт воронки, пещеры и исчезающие ручьи. Пещера мамонтов в Кентукки и сеноты Юкатана — знаменитые карстовые особенности.
  • Морские стеки и арки: Волновая эрозия вдоль береговых линий может вырезать в наголовья, оставляя изолированные столбы (стеки) или естественные мосты (архи), как те, что вдоль побережья Орегона.

Факторы, влияющие на выветривание и эрозию

Климат

Климат является наиболее влиятельным фактором. Теплый, влажный климат ускоряет химическое выветривание — например, тропические леса имеют глубокий, сильно выветрившийся реголит, называемый латерит. Холодный, сухой климат способствует физическому выветриванию заморозкой. Засушливые регионы испытывают ветровую эрозию в качестве доминирующего процесса, в то время как периглациальные зоны формируются льдом и морозом.

Топография и слоуп

Склоны стеблей увеличивают скорость стока и потенциал массового истощения. Эрозия горных склонов может быть на порядки выше, чем на плоской земле. И наоборот, плато и поймы испытывают чистое осаждение.

Геология (тип и структура скалы)

Мягкие, растворимые или трещины разрушаются быстрее. Известняк быстро разрушается при карбонизации; гранит более устойчив к химической атаке, но может разрушаться физически. Совместные узоры и плоскости постельного белья направляют воду и ускоряют как выветривание, так и эрозию. Тектонический подъем может увеличить скорость рельефа и эрозии.

Растительность

Корни растений связывают почву и уменьшают поверхностный сток, уменьшая эрозию. В то же время корни и органические кислоты усиливают химическое выветривание. Обезлесение, сельское хозяйство и урбанизация лишают растительности и резко увеличивают эрозию - часто в 10-100 раз естественные темпы.

Деятельность человека

Люди изменяют эрозию путем строительства, добычи полезных ископаемых, строительства плотин и изменений в землепользовании. Обезлесение в Гималаях вызвало серьезную эрозию почвы и оползни. Плоды ловят осадок, голодают в дельтах реки. Прибрежная бронетехника (морские стены, пахи) изменяет естественную эрозию и характер осаждения. Понимание этих воздействий имеет решающее значение для устойчивого управления.

Время

Геологические процессы работают в течение временных рамок от секунд (катастрофы) до миллионов лет (горная денудация). Скорость выветривания может варьироваться на порядки в зависимости от климата и типа пород. Концепция «геоморфного порога» признает, что ландшафты могут развиваться медленно, а затем внезапно смещаться — например, когда овражная стрижка быстро продвигается после превышения критического склона.

Тематические исследования выветривания и эрозии

Большой каньон, Аризона, США

Гранд-Каньон, пожалуй, самый знаковый в мире пример речной эрозии. Срезанный рекой Колорадо примерно за 6 миллионов лет, каньон раскрывает почти 2 миллиарда лет геологической истории. Река продолжает разрушать устойчивый Вишну-Шист на дне, в то время как боковые потоки и выветривание расширяют каньон. Засушливый климат ограничивает химическое выветривание, поэтому физические процессы, такие как замораживание-оттепель и камнепады, доминируют над скалами. Каждый год река Колорадо несет около 85 миллионов метрических тонн осадка из каньона - цифра, теперь уменьшенная вышестоящими плотинами. Узнайте больше от Службы национальных парков .

Yosemite Valley, Калифорния, США

Долина Йосемити была вырезана ледниками во время плейстоцена. Многочисленные ледниковые достижения расширили и углубили ранее существовавшую речную долину, создав характерный U-образный профиль, полукупольные водопады и висящие долины. Гранитная основа разрезается вертикальными стыками, которые контролировали ледниковую выщипывание и сегодняшние скальные водопады. Постледниковое выветривание отшелушивало большие плиты, способствуя сваям талу. Йосемити иллюстрирует, как ледниковая эрозия может резко изменить ландшафт за несколько тысяч лет. Геология парка Йосемити предоставляет дополнительные детали.

Великие песчаные дюны, Колорадо, США

Самые высокие дюны в Северной Америке (до 230 м) образуются через сложные ветровые узоры. Осадок с равнины Рио-Гранде переносится преобладающими юго-западными ветрами, затем застревает против гор Сангре-де-Кристо. Дюны представляют собой динамическую систему: растительность стабилизирует некоторые районы, в то время как ветер держит другие подвижными. Водный пар в песке уменьшает эрозию, способствуя сплочению. Этот участок демонстрирует, как взаимодействуют эрозия ветра, осаждение и стабилизация.

Карстовые пейзажи Гуйлинь, Китай

Знаменитые известняковые башни Гуйлиня, Китай, являются результатом миллионов лет карбонизации в теплом, влажном климате. Река Ли прорезает высокорастворимый известняк, создавая ландшафт из вершин, пещер и подземных рек. Скорость химического выветривания в этом регионе является одной из самых высоких на Земле, растворяя несколько миллиметров породы в столетие. Район является объектом Всемирного наследия ЮНЕСКО и учебником примера тропического карста. Водопад USGS и карстовые ресурсы предлагают дальнейшее чтение.

Влияние на экосистемы и деятельность человека

Почвенное образование и сельское хозяйство

Выветривание является первым шагом в формировании почвы. Тип и глубина почвы зависят от породы, климата и времени. В районах с высоким химическим выветриванием почвы толстые, но часто выщелачиваемые питательные вещества — такие как оксизолы Амазонки. В умеренных регионах выветривание производит плодородные суглинки. Однако эрозия может удалять верхний слой почвы быстрее, чем он образуется; глобальная средняя скорость эрозии почвы в 10-40 раз естественная скорость из-за сельского хозяйства. Это угрожает продовольственной безопасности.

Изменение среды обитания

Эрозия меняет прибрежные, речные и горные среды обитания. Потеря пляжа из-за волновой эрозии устраняет места гнездования морских черепах. Осадковые отложения в дельтах создают новые водно-болотные угодья. Оползни могут блокировать реки, образуя озера, которые изменяют водные экосистемы. Понимание закономерностей эрозии помогает защитникам природы прогнозировать изменения среды обитания в условиях изменения климата.

Инфраструктура и опасности

Эрозия подрывает дороги, мосты, трубопроводы и здания. Прибрежная эрозия уже стоит миллиарды долларов в год в ущерб имуществу и смягчение последствий. В горных регионах оползни представляют опасность для общин. Сохранение стен, риппа и морских стен обеспечивает защиту, но может ухудшить эрозию в других местах. Геотехнические инженеры должны учитывать темпы выветривания для проектирования фундамента.

Качество воды

Эрозия почвы увеличивает мутность в ручьях, нанося вред водной жизни и повышая затраты на очистку воды. Осадок может переносить загрязняющие вещества (пестициды, фосфор, тяжелые металлы), адсорбированные с частицами. Мертвая зона в Мексиканском заливе связана с азотом и фосфором из размытых сельскохозяйственных угодий. И наоборот, естественная эрозия поставляет песок и гравий на русла рек, поддерживая нерестилища для рыб.

Глобальный углеродный цикл

Химическое выветривание силикатных пород потребляет атмосферный CO2, играя роль в регулировании климата. Реакция превращает CO2 в бикарбонат, который транспортируется в океан и в конечном итоге запирается в известняке. Эта обратная связь действует в течение сотен тысяч лет. Деятельность человека, ускоряющая эрозию, может временно увеличить выброс CO2 из открытого органического вещества, но долгосрочный эффект усиленного выветривания силикатов может быть сокращением CO2. Некоторые геоинженерные предложения включают искусственное ускорение выветривания для смягчения изменения климата.

Темпы выветривания и эрозии

Скорость эрозии сильно варьируется. Река Колорадо разрушает Гранд-Каньон примерно на 0,3 мм в год; эрозия почвы, вызванная человеком, на сельскохозяйственных землях может достигать 10 мм в год. Скорость выветривания аналогична переменной: во влажных тропиках известняк может выдерживать 1 мм в год, а гранит в холодной пустыне может выдерживать 0,001 мм в год. Эти скорости измеряются с помощью космогенных радионуклидов, нагрузок речных отложений и микроэрозионных метров.

Понятие «уровень денудаций» — комбинированный эффект выветривания и эрозии — используется для расчета снижения ландшафта. Для целых горных хребтов денудация обычно колеблется от 0,1 до 1 мм в год. При этих темпах Гималаи могут быть выровнены через 10 миллионов лет — но тектонический подъем держит их на подъеме.

Заключение

Выветривание и эрозия не являются изолированными силами; они являются взаимосвязанными процессами, которые формировали поверхность Земли в течение миллиардов лет. От возвышающихся вершин Йосемити до подземных лабиринтов карста эти процессы создают некоторые из самых впечатляющих особенностей планеты. Они также поддерживают почвы, регулируют климат и представляют как проблемы, так и возможности для человеческой цивилизации. По мере изменения климата изменяются модели осадков, уровень моря и ледниковое покрытие, темпы и стили выветривания и эрозии будут меняться, требуя тщательного мониторинга и адаптивного управления. Изучая эти фундаментальные геологические процессы, студенты и профессионалы могут лучше предвидеть будущую эволюцию ландшафта и смягчать экологические и экономические последствия эрозии.

Для дальнейшего исследования USGS Weathering and Erosion Science Explorer предлагает обширные ресурсы, а Национальная географическая фотогалерея формы рельефа эрозии National Geographic предоставляет наглядные примеры этих процессов в действии.