Table of Contents
Динамические силы, меняющие наш мир
Поверхность Земли не статична. За промежутки времени, которые потрясают человеческое воображение— миллионы лет, десятки миллионов лет— лицо планеты непрерывно формировалось горами фундаментальных геологических процессов. Горы поднимаются только для того, чтобы быть спущенными вниз; долины расширяются; береговые линии продвигаются и отступают. Агентами этого постоянного изменения являются выветривание, эрозия и осадка. Эти три взаимосвязанных процесса образуют систему планетарного масштаба, которая разрушает породы, транспортирует мусор и строит новые формы рельефа. Понимание того, как они работают, имеет важное значение для геологов, ученых-экологов, инженеров и всех, кто должен предсказать, как ландшафты будут развиваться в ответ на природные силы и человеческую деятельность.
В этой статье подробно рассматриваются все процессы, исследуются механизмы, которые их управляют, и показано, как они работают вместе как единый повторяющийся цикл, который сформировал Землю с момента ее образования.
Оригинальное название: Breaking Down the Bedrock
Выветривание — это совокупность процессов, которые разрушают и разлагают породу на поверхности Земли или вблизи нее. Это первый шаг в геологическом цикле, момент, когда твердая порода начинает свое превращение в осадок, почву и растворенные ионы. Выветривание происходит на месте— сломанные материалы не движутся во время выветривания. Процесс обусловлен физическими силами, химическими реакциями и биологической активностью, и он работает по-разному в зависимости от климата, типа породы и топографии.
Физические механизмы выветривания
Физическое выветривание, также называемое механическим выветриванием, разбивает породу на более мелкие фрагменты, не изменяя её химического состава.Наиболее распространённым механизмом является морозное заклинивание, которое происходит, когда вода просачивается в трещины в породе, замерзает и расширяется.Расширение оказывает достаточную силу для расширения трещин, и повторяющиеся циклы замораживания-оттаивания в конечном итоге разделяют породу.Этот процесс особенно активен в альпийских и высокоширотных средах, где температуры часто пересекают точку замерзания.
Другие физические механизмы выветривания включают тепловое напряжение, вызванное повторным нагреванием и охлаждением, которое создает внутреннее напряжение в минералах; рост кристаллов соли, где испаряющаяся вода оставляет кристаллы соли, которые расширяются в поровых пространствах; и отшелушивание, отслаивание внешних слоев породы по мере удаления накладывающего материала и высвобождения давления. В засушливых регионах инсоляционное выветривание от интенсивного солнечного нагрева может вызвать отблески поверхности породы в тонких листах.
Химическое выветривание в действии
Химическое выветривание изменяет минеральный состав породы, превращая нестабильные минералы в более стабильные формы. Вода является основным агентом, часто усиливаемым растворенным углекислым газом, образующим слабую углекислую кислоту. Эта кислота приводит к растворению известняка и других карбонатных пород, создавая пещеры, воронки и карстовые ландшафты. Тот же процесс медленно съедает гранит, превращая минералы полевого шпата в глину и выпуская ионы кремния и металла в раствор.
Окисление является еще одним основным химическим путем выветривания. Железоносные минералы реагируют с кислородом с образованием оксидов железа и гидроксидов— ржавые соединения, которые придают многим почвам и породам их красноватые или желтоватые оттенки. Гидролиз, реакция минералов с водой и гидратация, поглощение воды в минеральные структуры, далее способствуют разрушению породы. Химические скорости выветривания сильно контролируются температурой и влагой: теплый, влажный климат ускоряют эти реакции, в то время как холодный или сухой климат резко замедляет их.
Биологический вклад в выветривание
Живые организмы играют значительную роль как в физическом, так и в химическом выветривании. Корни растений растут в трещины и трещины, оказывая давление, которое со временем их расширяет. Грибы и лишайники производят органические кислоты, которые непосредственно растворяют минералы, а разложение органического вещества выделяет кислоты, способствующие химическому выветриванию. Животные-забегаловки приносят на поверхность свежие фрагменты горных пород, где они подвергаются воздействию других выветривателей. Даже простой акт качания дерева в ветре может передавать силы, которые помогают перелому подстилающей породы.
Биологическое выветривание особенно важно при формировании почв. Взаимодействие корней, микробов и минеральных частиц создает сложную органико-минеральную матрицу, поддерживающую наземные экосистемы. Без биологического выветривания скорость производства почвы резко замедлится, ограничив способность ландшафтов поддерживать жизнь растений.
Факторы, которые контролируют темпы выветривания
Климат является доминирующим контролем: теплые, влажные регионы, такие как тропики, испытывают быстрое химическое выветривание, которое может уменьшить гранит до глины за несколько сотен тысяч лет, в то время как полярные и пустынные регионы видят выветривание, происходящее ледниковым темпом. Скалистый состав имеет значение также & #8212; богатые кварцем породы, такие как песчаник, сопротивляются химическому выветриванию, в то время как известняк и базальт гораздо более восприимчивы. Площадь поверхности также играет роль: трещина или стыковая порода представляет больше поверхности для выветривания агентов для атаки, ускоряя процесс. Топография влияет на выветривание через его влияние на дренаж воды и температуру, с крутыми склонами, быстро проливающими воду и уменьшающими химическое выветривание по сравнению с плоскими, водонепроницаемыми поверхностями.
Эрозия: транспортировка материалов Земли
Эрозия — это удаление и транспортировка выветрившегося материала из его источника. Пока выветривание создает осадок, эрозия перемещает его. Те же агенты, которые приводят в движение эрозию— вода, ветер, лед и гравитация— также действуют как транспортирующие среды, переносящие осадок по ландшафтам и доставляющие его в осаждение. Эрозия — это избирательный процесс: более мелкие частицы транспортируются легче, в то время как более крупные фрагменты перемещаются только в условиях высокой энергии. Этот сортирующий эффект имеет глубокие последствия для характера осадочных отложений.
Водная эрозия
Флювиальная эрозия и ландшафтная эволюция
Пробег воды является самым эрозивным агентом Земли в течение человеческих временных рамок. Капли дождя, поражающие голую почву, могут отцепить частицы от удара, инициируя эрозию еще до начала сухопутного потока. По мере того, как вода концентрируется в рилях и оврагах, ее эрозивная сила резко возрастает. Реки и ручьи, срезанные вниз в их ложа, углубляют долины и разрезают берега. Гранд-Каньон является самым впечатляющим примером речной эрозии в Северной Америке, где река Колорадо проделала почти два километра в плато Колорадо за последние пять-шесть миллионов лет.
Флювиальная эрозия действует через три механизма: гидравлическое действие (сила движущихся частиц, вытесняющих воду), истирание (осадок, переносимый водой, прочесывающей кровать и берега) и раствор (прямое химическое растворение растворимых пород). Скорость эрозии зависит от скорости потока, нагрузки на осадок и сопротивления подстилающей породы. Стеблевые градиенты и высокий разряд производят быструю эрозию, в то время как низкоградиентные потоки извиваются по поймам, разрушаясь по бокам, а не по вертикали.
Прибрежная и морская эрозия
Береговые линии являются одними из самых динамичных эрозионных сред. Волновые экшн-фунты против скал, сжатие воздуха в трещинах и разрывающаяся порода. Абразивный эффект песка и гальки, швыряемой волнами, ускоряет процесс, подрезав скалы и заставляя их разрушаться. Лонгшорные течения транспортируют эродированный материал вдоль побережья, строят пляжи в одних районах, убирая их в других. Штормовые нагоны и цунами могут удалить целые пляжные системы в одном событии, меняя береговые линии в течение нескольких часов.
Повышение уровня моря усиливает береговую эрозию, позволяя волнам достигать дальше вглубь страны и атаковать более высокие высоты береговой линии. Национальное управление океанических и атмосферных исследований сообщает, что примерно 40 процентов береговой линии США испытывают хроническую эрозию, что имеет значительные последствия для имущества, инфраструктуры и прибрежных экосистем.
Эрозия ветра в засушливых средах
В пустынях и других сухих регионах ветер становится доминирующим эрозионным агентом. Ветровая эрозия действует через два механизма: дефляцию, подъем и удаление рыхлых частиц и истирание, эффект пескоструйной обработки частиц, переносимых ветром. Дефляция может со временем понижать целые ландшафты, оставляя после себя пустынные тротуары плотно упакованного гравия. Истирание формирует камни в отличительные формы, такие как ярданы (обтекаемые хребты) и вентифакты (граненые камни, сформированные ветровым песком).
Ветровая эрозия наиболее эффективна там, где растительность редка, а почвы сухие. Пылевые бури могут транспортировать мелкие частицы за тысячи километров от их источника, откладывая их в виде отложений лоссов, которые впоследствии могут стать одними из самых плодородных сельскохозяйственных почв в мире. Обсерватория Земли НАСА отслеживает транспорт пыли во всем мире, документируя, как пыль Сахары регулярно пересекает Атлантический океан, чтобы удобрять почвы тропических лесов Амазонки.
Ледниковая эрозия и ландшафтная резьба
Ледники являются одними из самых мощных эрозионных агентов на Земле. Протекающий ледник несет обломки, встроенные в его базальный лед, используя его как наждачную бумагу, чтобы измельчить подстилающую породу. Этот процесс, называемый истиранием, производит полированные поверхности пород и полосы & #8212; скраты, которые записывают направление потока льда. Утечка происходит, когда талая вода замерзает вокруг фрагментов скалы, и ледник оттягивает их, добывая большие блоки из кровати.
Ледниковая эрозия создает характерные рельефы: U-образные долины, цирки, ареты и фьорды. Эрозивная сила льда намного превосходит силу воды; в течение последнего Ледникового периода ледники прочесывали целые горные хребты, углубляя долины и меняя топографию на обширных территориях Северной Америки, Европы и Азии. Даже сейчас альпийские ледники продолжают изменять ландшафты, хотя многие из них быстро отступают из-за изменения климата.
Массовое истощение: гравитация как геоморфный агент
Массовое истощение охватывает все нисходящее движение породы и почвы под прямым влиянием гравитации. Эти движения варьируются от почти незаметного ползучего грунта, который медленно наклоняет заборы и деревья, до катастрофических оползней и камнепадов, которые могут уничтожить целые сообщества. Массовое истощение происходит, когда движущая сила гравитации преодолевает сопротивляющуюся силу материалов склона. Насыщение воды, землетрясение и изменение склонов человеком могут вызвать массовые события.
Обломки, сели и трущобы переносят огромные объемы материала вниз по склону, часто доставляя осадок непосредственно в ручьи, где он становится доступным для речного транспорта.В горных районах массовая трата является основным механизмом, с помощью которого выветрившийся материал перемещается с холмов в долинные дно, питая осадочный каскад, который стимулирует эволюцию ландшафта.
Осадок: строительство новой площадки
Осадок — это процесс, посредством которого перевозимые материалы приходят в покой. Когда энергия транспортирующей среды уменьшается ниже порога, необходимого для поддержания движения частиц, происходит осаждение. Окружающая среда осаждения определяет характеристики образовавшегося осадка— его размер зерна, сортировка, постельное белье и осадочные структуры. За геологическое время накопленные осадки закапываются, уплотняются и цементируются, образуя осадочные породы, сохраняющие запись истории Земли.
Динамика транспортного осадка
Осадок движется по ландшафту импульсами. От гранитного обнажения может выветриваться одна песчинка, транспортируемая потоком на несколько километров, осажденная на песчаной отмель, эксгумируемая наводнением, переносимая дальше вниз по течению и в конечном итоге доставляемая в дельту или океанский бассейн. Расстояние, на которое движется частица, зависит от ее размера, плотности и энергии транспортирующей среды. Мелкий ил и глина могут оставаться подвешенными в воде в течение нескольких дней или недель, пройдя сотни километров, а гравий движется только во время высокоэнергетических наводнений.
Концепция компетентности (максимальный размер частиц, которые может нести поток) и емкости (общий объем осадка, который может транспортировать поток) является центральным для понимания переноса осадков. Быстро движущийся горный поток обладает высокой компетентностью, но ограниченной способностью; большая, медленно движущаяся река имеет высокую емкость, но более низкую компетентность. Эта связь объясняет, почему грубые осадки накапливаются вблизи своего источника, в то время как мелкие осадки перемещаются далеко в бассейны.
Депозиционные среды по всему миру
Осадки накапливаются в широком диапазоне сред, каждая с характерной сигнатуры. Флювиальные системы отлагают осадочные породы в каналах, поймах и аллювиальных вентиляторах, создавая фининг-вверх последовательности, где грубый гравий на базовых сортах вверх в песок и грязь. Дельтас образуются там, где реки входят в стоячие воды, создавая слоистые отложения, которые часто содержат важные подземные водоносные горизонты и углеводородные резервуары. Пляжи и барьерные острова формируются волновым действием, с хорошо отсортированными песками, которые отражают длительную переработку прибоем.
Глубокие морские среды накапливают мелкозернистые отложения, которые медленно оседают через водную колонну, наряду с мутидитами & #8212; отложения от подводных потоков отложений, которые могут транспортировать песок в глубокий океан. Ледниковые среды производят плохо отсортированный и стратифицированный дрейф. Пустынные среды накапливают ветровые песчаные дюны и лёсс. Каждая среда осаждения создает различные осадочные текстуры и структуры, которые геологи используют для интерпретации древних ландшафтов и климата.
От осадка до твердого камня
Преобразование осадка в осадочные породы называется литификацией, и происходит оно двумя процессами: уплотнением и цементацией. Сочетание происходит от веса накладывающегося осадка, сжимания зерен вместе и вытеснения поровой воды. В мелкозернистых осадках, таких как глина, одно уплотнение может снизить пористость с 80 до менее 20 процентов. Цементация происходит, когда минералы оседают из грунтовых вод в поровых пространствах между зернами, связывая их вместе. Наиболее распространенными цементирующими минералами являются кальцит, кремнезем и оксиды железа.
Тип осадочных пород, которые образуются, зависит от исходного состава осадочных пород. Песчаные породы образуются из песчаных зерен, как правило, кварца. Сланцевые формы из глины и ила. Известняковые формы из карбоната кальция, часто получаемые из раковин и скелетов морских организмов. Конгломерат формируется из гравия. Британская геологическая служба отмечает, что осадочные породы покрывают примерно 75 процентов поверхности Земли и содержат большую часть ресурсов ископаемого топлива планеты.
Взаимосвязанный геологический цикл
Выветривание, эрозия и осадка не действуют изолированно. Они образуют непрерывную петлю: выветривание разбивает породу на осадок, эрозия переносит этот осадок, и осадочные отложения отлагают его. После осаждения и литификации осадочная порода может быть поднята тектоническими силами, выставлена на поверхность и выветривается снова, начиная цикл заново. Это осадочный цикл, подсистема в рамках более крупного горного цикла, которая включает магматические и метаморфические процессы.
Скорость, с которой эти процессы протекают, определяет скорость изменения ландшафта. В тектонически активных регионах с высоким количеством осадков цикл может быть быстрым— горы поднимаются и разрушаются через несколько миллионов лет. В стабильных кратонах с сухим климатом цикл замедляется до почти стазиса, а ландшафты сохраняются в течение сотен миллионов лет почти без изменений. Эти различия создают необычайное разнообразие рельефов, которые мы наблюдаем на Земле сегодня.
Влияние человека на геологические процессы
Деятельность человека ускорила эрозию и изменила доставку осадков по большей части планеты. Обезлесение удаляет растительный покров, который защищает почву от воздействия дождевых капель и корневых сетей, которые связывают почву на месте. Сельское хозяйство подвергает голую почву ветровой и водной эрозии, при этом, по оценкам Организации Объединенных Наций, темпы эрозии сельскохозяйственных почв в 10-100 раз выше, чем естественные фоновые показатели. Строительство, добыча полезных ископаемых и строительство дорог непосредственно нарушают почву и породы, создавая новые эрозионные горячие точки.
Строительство плотины имеет драматический компенсирующий эффект: водохранилища улавливают осадок, который в противном случае перемещался бы вниз по течению. Геологическая служба США оценивает, что плотины улавливают примерно 25 процентов глобальной нагрузки на осадок, которая в противном случае достигла бы океанов. Этот осадочный голод вызывает эрозию вниз по течению плотин, поскольку реки отбирают осадок из своих собственных пластов и берегов, чтобы восстановить их нагрузку. Результатом является разрез канала, обрушение банка и потеря дельт в таких системах, как Миссисипи и Нил.
Изменение климата усиливает многие из этих эффектов. Более интенсивные события осадков увеличивают скорость эрозии. Повышение уровня моря ускоряет береговую эрозию. Таяние ледников подвергает свежие осадки транспорту. Изменение структуры осадков изменяет доставку осадков в реки. Понимание взаимодействия между естественными геологическими процессами и модификациями человека имеет важное значение для управления почвенными ресурсами, проектирования инфраструктуры и адаптации к изменяющейся планете.
Заключение
Выветривание, эрозия и осадка — фундаментальные процессы, формирующие поверхность Земли. Выветривание готовит породу к транспорту; эрозия перемещает её; осадочные отложения отлагают её. Вместе они образуют глобальную систему, которая перерабатывает земную кору, строит новые формы рельефа и создаёт почвы, поддерживающие наземную жизнь. Те же процессы, которые вырезали Гранд-Каньон и построили дельту Миссисипи, продолжают действовать и сегодня, меняя ландшафты со скоростью, которая колеблется от незаметно медленной до катастрофически быстрой.
Для ученых, инженеров и землеустроителей понимание этих процессов не просто академическое. Оно информирует о решениях о том, где строить дороги и мосты, как защищать прибрежные сообщества, как поддерживать продуктивность почвы и как интерпретировать геологическую летопись, содержащую биографию Земли. По мере усиления человеческого давления на планету потребность понимать и работать с этими природными системами никогда не была больше. Силы, которые формировали Землю в течение миллиардов лет, будут продолжать формировать ее— и наши действия определят, как эти силы влияют на ландшафты, от которых мы зависим.