Геоморфология, научное исследование форм рельефа и процессов, которые их формируют, обеспечивает окно в динамическую историю нашей планеты. Среди множества сил, которые лепят поверхность Земли, выветривание выступает в качестве основополагающего и повсеместного агента. Выветривание - это разрушение пород, минералов и почв на поверхности Земли или вблизи поверхности Земли посредством прямого контакта с атмосферой, водой и биологическими организмами. В отличие от эрозии, которая включает в себя транспорт сломанных материалов, выветривание - это начальная, пассивная дезинтеграция и разложение, которое готовит камень к удалению. Понимание выветривания имеет важное значение не только для геоморфологов, но и для инженеров, почвоведов и всех, кто заинтересован в том, как выветривание развивается с течением времени. Эта статья исследует глубокое влияние выветривания на геоморфологию, подробно описывая различные вовлеченные процессы, факторы, которые контролируют их скорости, и наглядные примеры, которые демонстрируют роль выветривания в создании некоторых из самых знаковых форм рельефа в мире.

Понимание выветривания: процессы и механизмы

Ветеринг традиционно подразделяется на три основных типа: физическое (или механическое) выветривание, химическое выветривание и биологическое выветривание. Хотя эти категории концептуально различны, по своей природе они часто действуют согласованно, причем биологическая активность часто ускоряет как физическое, так и химическое разрушение.

Физическое (механическое) выветривание

Физическое выветривание включает фрагментацию породы на более мелкие кусочки без какого-либо изменения ее химического состава. Этот процесс увеличивает площадь поверхности, доступную для химического выветривания, и обусловлен в первую очередь экологическими нагрузками, такими как колебания температуры, сброс давления и действие кристаллов льда или соли.

  • Морозное замораживание (Freeze-Thaw Action):] В холодном климате вода проникает в трещины и поры в породе. При падении температуры ниже нуля вода расширяется примерно на 9% по мере того, как она превращается в лед. Это расширение оказывает огромное внешнее давление, расширяя существующие трещины. Повторяющиеся циклы замораживания-оттаивания постепенно разрывают породу на части, создавая угловые фрагменты, известные как талу или визг. Заморозное замораживание особенно эффективно в горных районах и высоких широтах.
  • Тепловой стресс (выветривание инсоляции): Суточные изменения температуры, особенно в засушливых средах, таких как пустыни, вызывают расширение внешних слоев породы (при нагревании солнцем) и сокращение (при охлаждении ночью) быстрее, чем внутренняя часть. Это дифференциальное расширение и сокращение генерирует напряжение сдвига и может привести к развитию трещин или шелушения тонких слоев породы, процесс, известный как листование или отшелушивание. В то время как тепловой стресс обсуждается в его эффективности, недавние исследования демонстрируют его значение в определенных литологиях и микроклиматах.
  • Разгрузка (Выброс давления): Когда глубоко закопанные породы подвергаются воздействию на поверхность через поднятие и эрозию накладывающего материала, давление сжатия уменьшается. Скала расширяется наружу, и это расширение может создавать трещины, параллельные поверхности земли. Эти трещины, называемые листовыми соединениями, часто приводят к образованию отшелушивающих куполов. Купол-полукупол Полукупол в Йосемитском национальном парке является классическим примером отшелушивания купола, образованного сбросом давления.
  • Солевое выветривание (Галопластика): В прибрежных и пустынных средах соленая вода просачивается в поры горных пород. По мере испарения воды кристаллы соли осаждаются и растут в порах, оказывая экспансивные силы. Рост кристаллов соли может разрушать породу, создавая сотообразные узоры (тафони) или гранулированный распад. Выветривание соли является основным процессом в разрушении строительных камней и в формировании прибрежных скал.
  • Смачивание и сушка: Некоторые богатые глиной породы (например, сланцы) расширяются при влажности и сухости. Повторяющиеся циклы отечности и сокращения могут ослабить ткань породы и привести к ее разрыву, особенно в условиях сезонных осадков.

Химическое выветривание

Химическое выветривание изменяет внутренний минеральный состав горных пород посредством химических реакций с атмосферными агентами (вода, кислород, углекислый газ и кислоты). Он наиболее эффективен в теплом, влажном климате, где вода в изобилии и скорость реакции выше. Химическое выветривание производит новые, стабильные минералы (часто глины) и выделяет растворимые ионы.

  • Растворение: Самая простая форма химического выветривания, растворение включает в себя растворение минералов непосредственно в воде. Например, галит (каменная соль) и гипс являются высокорастворимыми. Карбонаты, такие как кальцит (в известняке и мраморе), также подвержены растворению, особенно когда вода слегка кислая. Кислотный дождь, содержащий растворенный углекислый газ или диоксид серы, ускоряет этот процесс.
  • Гидролиз: Это реакция силикатных минералов (таких как полевой шпат) с водой.В присутствии кислой воды (содержащей ионы H+) полевой шпат превращается в глинистые минералы (такие как каолинит) и выделяет растворенные кремнезем и катионы (например, K+, Na+, Ca2+).Гидролиз является первичным процессом в почвообразовании и отвечает за превращение гранита и других магматических пород в глины.
  • Окисление: Кислород, растворенный в воде, реагирует с железосодержащими минералами, превращая железо железа (Fe2+) в железо железа (Fe3+). Эта реакция образует оксиды железа и гидроксиды, такие как гематит (красный) и лимонит (желто-коричневый). Результатом является знакомое красноватое или ржавое окрашивание, наблюдаемое на выветрившихся породах. Окисление ослабляет структуру породы и особенно важно при выветривании базальтовых и богатых железом песчаников.
  • Углекислый газ из атмосферы или почвы растворяется в воде для образования слабой углекислоты (H2CO3). Эта кислота реагирует с карбонатными породами, такими как известняк и мел, растворяя карбонат кальция и образуя растворимый бикарбонат кальция, который уносится в раствор. Углеродирование является движущей силой карстового ландшафтного образования, создавая пещеры, воронки и подземные дренажные системы.
  • Гидратация: Добавление молекул воды к кристаллической структуре минерала может вызвать расширение и ослабление объема. Например, гидратация ангидрита (CaSO4) в гипс (CaSO4·2H2O) предполагает значительное увеличение объема, что может привести к разрыву породы.

Биологическое выветривание

Биологическое выветривание является результатом деятельности живых организмов — растений, животных, грибов и микробов — которые физически или химически разрушают породу. Часто биологические агенты ускоряют как физические, так и химические процессы выветривания одновременно.

  • Корневые сварочные покрытия: Корневые сварочные покрытия: Корневые корешки, особенно деревья и кустарники, растут в уже существующие трещины в породе. По мере того, как корни сгущаются с течением времени, они оказывают огромное давление, физически разрывая породу. Этот процесс очень эффективен при разрыве валунов и породы, способствуя углублению почвы.
  • Производство органических кислот: Разложение органического вещества (гумуса) в почве производит органические кислоты (например, гуминовые и фульвовые кислоты), которые могут хелатировать ионы металлов и растворять минералы. Кроме того, некоторые растения и лишайники выделяют слабые кислоты, которые атакуют поверхности горных пород. Лишайники, в частности, являются пионерами на голой скале и могут химически выдерживать минералы, физически закрепляясь в микротрещинах.
  • Микробиологическое выветривание: Бактерии и грибы играют решающую роль в круговороте питательных веществ и расщеплении минералов. Например, хемоавтотрофные бактерии могут окислять или уменьшать содержание железа, марганца и серы, непосредственно растворяя минеральные вещества в горных породах. Симбиотические отношения между грибами и корнями растений (микоризы) усиливают высвобождение фосфора и других питательных веществ из минералов.
  • Скорбление и брожение:] Животные, такие как дождевые черви, грызуны и насекомые, перемещаются по почве и обломкам пород, разрушая частицы и увеличивая площадь поверхности, подверженной химическому выветриванию.Большие животные топчут и разрушают породы, ускоряя физическую дезинтеграцию.

Факторы, влияющие на темпы выветривания

Не все породы выветриваются с одинаковой скоростью. Несколько ключевых факторов определяют, насколько быстро и интенсивно работают процессы выветривания на данном ландшафте.

Климат

Климат является единственным наиболее важным контролем за темпами выветривания. Температура и осадки непосредственно влияют на скорость химических реакций и обилие воды. Теплый, влажный климат (например, тропические тропические леса) способствуют быстрому химическому выветриванию, что приводит к глубокому профилю сапролитов (выдержанных в погоде пород) и образованию бокситов и латерита. Напротив, холодный, сухой климат (например, полярные пустыни) благоприятствует физическому выветриванию посредством морозного воздействия, в то время как химическое выветривание происходит очень медленно. Засушливые регионы видят значительное солевое и термическое выветривание, но ограниченное химическое изменение.

Тип породы и минеральный состав

Предрасположенность различных типов пород к выветриванию широко варьируется. Скалы, состоящие из минералов, которые устойчивы на поверхности Земли (например, кварц), сопротивляются выветриванию, в то время как минералы, которые сформировались при высоких давлениях и температурах (например, оливин, полевой шпат) более реактивны. Индекс, известный как серия стабильности Голдича, ранжирует общие силикатные минералы в порядке их устойчивости к выветриванию. Например, богатые кварцем песчаники очень устойчивы, тогда как известняки быстро растворяются в кислой воде. Наличие трещин, плоскостей постельного белья и пористости также улучшает доступ для выветривателей.

Площадь поверхности и топография

Переломные или стыковые породы имеют большую площадь поверхности, подвергаемой воздействию выветривателей. Крутые склоны способствуют стоку и уменьшают инфильтрацию воды, потенциально ограничивая химическое выветривание, но также выставляют свежие поверхности через массовое выветривание. На пологих склонах вода просачивается глубже, позволяя химическому выветриванию распространяться на большие глубины. Таким образом, топография влияет на глубину и стиль выветривания.

Время

Выветривание — это медленный процесс, который работает в геологических временных масштабах. Степень выветривания, наблюдаемая в ландшафте, отражает совокупные эффекты воздействия от тысяч до миллионов лет. Например, глубокие латеритные почвы тропиков являются продуктом длительного химического выветривания в стабильных тектонических условиях.

Роль выветривания в геоморфологии

Выветривание не просто предвестник эрозии; оно непосредственно формирует рельефы и управляет эволюцией целых ландшафтов.

Почвенное образование (педогенез)

Выветривание является основным источником минерального вещества в почвах. Физическое выветривание производит более мелкие частицы, в то время как химическое выветривание высвобождает питательные вещества (Ca, K, Mg, P) и создает глиняные минералы, которые сохраняют воду. Взаимодействие выветривания, накопления органических веществ и биологической активности формирует отчетливые горизонты почвы. Тип выветривания диктует текстуру почвы и плодородие. Например, быстрое химическое выветривание в тропиках производит глубокие, сильно выветрившиеся почвы (Оксисоли), которые богаты оксидами железа и алюминия, но имеют низкую плодовитость из-за интенсивного выщелачивания.

Развитие отдельных форм рельефа

Многие из характерных рельефов Земли являются прямыми продуктами дифференциалов выветривания.

  • Карстские ландшафты: Химическое растворение известняка и доломита путем карбонизации создает набор рельефов, включая воронки (долины), исчезающие потоки, пещеры и карстовые башни (например, в Гуйлине, Китай).Топография Карста является классическим примером геоморфологии, в которой преобладают выветривания.
  • Гранитные Торы и Инсельберги:] Когда дифференциальное выветривание происходит в соединенном граните, могут образовываться массивные, округлые остаточные блоки, называемые туловищами. Инсельберги (например, Айерс-Рок / Улуру) представляют собой изолированные скальные холмы, которые резко поднимаются с равнины, часто из-за усиленного выветривания вдоль трещин в окружающей скале, которые впоследствии удаляются эрозией.
  • Перекос куполов: Как описано при сбросе давления, большие изогнутые листы гранита отслаиваются, образуя массивные купола, такие как Зачарованная скала (Техас) и Каменная гора (Грузия). Эти особенности формируются взаимодействием разгрузки и теплового напряжения.
  • Медовая выветривание (Tafoni): На прибрежных скалах или обнажениях засушливого песчаника выветривание соли и химические процессы производят кавернозные выветривания.Тафони — это небольшие пещеры или ямы, которые образуются в гетерогенной породе, часто обращенной к ветру или морскому спрею.
  • Плоскостные районы: В районах мягких, легко выветривающихся осадочных пород (глин, сланца) с разреженной растительностью быстрое физическое и химическое выветривание в сочетании с эрозией риля создает крутую, расчлененную местность. Национальный парк Бадлендс в Южной Дакоте иллюстрирует это.

Осадочные материалы и транспорт

Выветривание непрерывно поставляет рыхлый материал (реголит), который впоследствии эродируется и транспортируется реками, ледниками, ветром и волнами. На размер, форму и минералогию осадка сильно влияет тип выветривания. Например, кварцевые зерна в песке, полученные из физического выветривания, часто угловаты, а те, которые подверглись длительному химическому выветриванию, округлены и заморожены. Выветривание карбонатных пород выпускает растворенные растворители, которые отправляются в океаны, где они осаждены морскими организмами в виде кальцита.

Примеры геоморфического воздействия выветривания

Гранитные пейзажи национального парка Йосемити (США)

Долина Йосемити является впечатляющей витриной процессов выветривания на граните. Отшелушивающие соединения , образованные сбросом давления, создают массивные купола, такие как Half Dome и El Capitan. Заморозное стыковка на более высоких высотах создает талусовые склоны, которые мантийно манипулируют стенами долины. Химическое выветривание, хотя и медленнее в средиземноморском климате Сьерра-Невады, изменило внешние поверхности гранита, создавая грус (разложившийся гранитный песок), который образует тонкий слой почвы. Эти комбинированные типы выветривания создали один из самых известных в мире гранитных ландшафтов.

Карстовая топография Южного Китая

Объект Всемирного наследия ЮНЕСКО в Гуйлине и Яншуо имеет драматический ландшафт возвышающихся известняковых вершин, поднимающихся из пойм. Этот карст башни формировался в течение миллионов лет благодаря интенсивному карбонизации в теплом, влажном климате. Известняк был растворен вдоль вертикальных соединений и плоскостей постельного белья, оставляя изолированные башни высотой 100-200 метров. Подземный раствор породил обширные пещерные системы, такие как пещера Рид Флейт. Этот пейзаж подчеркивает силу химического выветривания для формирования целых регионов.

Пустыня Пиннаклз (Австралия)

В Национальном парке Намбунг, Западная Австралия, тысячи известняковых столбов (Пиннаклз) выдерживают высоту до 5 метров. Их формирование предполагает как химическое, так и физическое выветривание известняковой песчаной дюны (известняка). Со временем дифференциальное выветривание и эрозия удаляют более мягкий материал, оставляя более твердые, более устойчивые столбы. Точные процессы включают раствор дождевой водой и последующее осаждение кальцитового цемента в сочетании с ветровой эрозией. Этот пример демонстрирует, как выветривание и эрозия взаимодействуют для создания сюрреалистических форм рельефа.

Выветривание сверху: Каменные леса Мадагаскара

Мадагаскарский Цинги де Бемараха представляет собой каменный лес из острых известняковых карстовых вершин. Название «Цинги» означает «где нельзя ходить босиком». Этот экстремальный ландшафт образуется, когда дождевая вода растворяет известняк вдоль вертикальных суставов, создавая глубокие трещины (удары), разделенные острыми лезвиями скалы. Выветривание в первую очередь представляет собой химическое растворение, усиленное биологической активностью (лишайники и мхи). Результатом является почти непроходимый лабиринт каменных шипов — учебный пример выветривания в качестве геоморфического скульптора.

Заключение

Выветривание является вездесущим и фундаментальным процессом, который закладывает основу для всей последующей эволюции ландшафта. От возвышающихся отшелушивающих куполов Йосемити до острого, как бритва, сингулярного сингулярного Мадагаскара, выветривание действует как тонкий, но неустанный художник. Три его основные формы — физическая, химическая и биологическая — работают в тандеме, под влиянием климата, типа породы, топографии и времени. Полученные почвы, отложения и формы почвы обеспечивают сырье и основу для динамической поверхности Земли. Для студентов геоморфологии признание признаков и темпов выветривания является ключом к чтению истории ландшафта и прогнозированию его будущего. По мере изменения климатических моделей и землепользования понимание процессов выветривания становится все более важным для управления природными ресурсами, смягчения опасностей и оценки сложной красоты нашей постоянно меняющейся планеты.

Читать далее: