Процессы выветривания: как они превращают камень в почву

Понимание выветривания: геологическая машина формирования почвы

Выветривание является одним из самых фундаментальных процессов, формирующих поверхность Земли. Он описывает разрушение и изменение пород и минералов на поверхности планеты или вблизи нее. Этот процесс не только отвечает за величественные ландшафты, которые мы видим - от возвышающихся скал до округлых вершин холмов - но и является критическим первым шагом в создании почвы. Без выветривания не было бы почвы, и, следовательно, не было бы земной жизни, как мы ее знаем. Преобразование твердых, твердых пород в рыхлую, богатую питательными веществами среду, которая поддерживает рост растений, - это медленное, но неустанное путешествие с участием физических сил, химических реакций и биологической активности. Эта статья обеспечивает всестороннее исследование типов, механизмов и влияющих факторов выветривания, с особым акцентом на то, как эти процессы превращают коренную породу в почву, которая поддерживает экосистемы.

Что такое выветривание? Основные понятия и различия

Выветривание относится к in situ (на месте) распаду пород и минералов физическими, химическими и биологическими агентами. Крайне важно отличать выветривание от эрозии: выветривание разрушает породу; эрозия транспортирует полученные фрагменты. В то время как два процесса часто работают вместе, выветривание происходит сначала и задает основу для эрозии. Выветрившийся материал, который остается на месте, называется реголитом, который позже может развиться в почву, если органическое вещество добавляется с течением времени.

Выветривание обычно классифицируется на три основные категории:

Физическое (механическое) выветривание: Скала разбивается на более мелкие кусочки без какого-либо изменения её химического состава.
Химическое выветривание: минералы породы химически изменены или растворены.
Биологическое выветривание: Живые организмы способствуют как физическому, так и химическому распаду, иногда рассматриваемому как подмножество двух других.

Все три типа работают одновременно в большинстве сред, причем доминирующий тип в значительной степени контролируется климатом, типом породы и топографией.

Физическое выветривание: разбивая камни, не изменяя их химию

Физическое выветривание, также называемое механическим выветриванием, трещины и распадаются породы с помощью чисто механических сил. Минеральный состав породы остается неизменным; различны только размер и форма фрагментов. Этот вид выветривания особенно важен в холодных, сухих или высокогорных регионах, где химическая активность медленная.

Frost Wedging (деятельность с оттепелью)

Одним из мощнейших физических выветривателей является многократное замораживание и оттаивание воды. Вода просачивается в трещины и поры в скале. Когда температура опускается ниже нуля, вода расширяется примерно на 9% при обращении в лед. Это расширение оказывает огромное давление на окружающую породу, расширяя трещины. При оттаивании вода может проникать глубже, а следующее замораживание повторяет цикл. На протяжении многих циклов скала фрагментируется и разламывается. Этот процесс особенно эффективен в горных районах и среднеширотных регионах с частыми событиями замораживания-оттаивания.

Термическое расширение и сокращение

Камни, как и большинство материалов, расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. В средах с большими суточными колебаниями температуры, таких как пустыни, повторное расширение и сокращение могут вызвать усталость и трещину наружных слоев породы - процесс, называемый выветривание инсоляции . Различные минералы расширяются с разной скоростью, создавая внутренние напряжения. Со временем это может привести к гранулярному распаду или образованию изогнутых, листовых переломов.

Отслойка или разгрузка

При удалении накладных пород эрозией (разгрузкой) давление на основную массу породы уменьшается. Скала реагирует расширением и разрывом параллельно поверхности, создавая большие изогнутые плиты, которые отслаиваются, как слои лука. Этот процесс называется отшелушивание и производит отличительные куполообразные формы рельефа, такие как Half Dome в Йосемитском национальном парке.

ссадина

Истирание — это изнашивание поверхности породы трением и воздействием осадка, переносимого ветром, водой или льдом.Хотя истирание более тесно связано с эрозией, оно также действует как выветривающее вещество, когда частицы, переносимые этими агентами, измельчают поверхность породы, соскабливая и полируя ее.В ледниковых условиях порода под ледником истирается вложенными породами, образуя гладкие, поперечные поверхности.

Рост солевого кристалла (галопластика)

В прибрежных районах и засушливых районах испарение соленой воды оставляет кристаллы соли в порах горных пород. По мере роста этих кристаллов они оказывают давление, которое может расширять трещины и вытеснять минеральные зерна. Этот процесс особенно эффективен в пористых породах, таких как песчаник, и может создавать сотообразные модели выветривания, известные как тафони .

Корневая свадьба

Хотя часто классифицируется под биологическим выветриванием, корневое сварка является физическим процессом. Корни растений, особенно деревьев, растут в трещины в скале. По мере утолщения корней они разбирают породу, подобно морозному сварке, но обусловлены биологическим ростом.

Химическое выветривание: изменение минерального состава горных пород

Химическое выветривание изменяет саму идентичность породы, реагируя с минералами, образуя новые, более стабильные вещества. Вода является основным агентом, часто в сочетании с растворенными газами, такими как углекислый газ и кислород. Химическое выветривание доминирует в теплом, влажном климате и отвечает за образование многих глиняных минералов и драматических карстовых ландшафтов известняковых регионов.

гидролиз

Гидролиз — это химическая реакция между минералами и водой, которая приводит к образованию новых минералов, как правило, глин. Классическим примером является выветривание полевого шпата, обычного минерала в граните, в каолинитовую глину. Реакция потребляет ионы водорода из воды и выделяет растворимые ионы калия, натрия или кальция. Гидролиз является основным процессом для формирования почвы, потому что он производит частицы глины, которые придают почве ее водоудерживающие и питательные свойства.

окисление

Кислород, растворенный в воде, реагирует с железосодержащими минералами, такими как пирит, оливин и биотит. Продукт представляет собой оксид железа или гидроксид железа, который придает выветрившимся породам красноватый или желтоватый цвет. Ржавчина является наиболее знакомым примером. Этот процесс ослабляет структуру породы и особенно заметен в регионах с влажным климатом. Красные почвы тропических и субтропических регионов часто являются результатом обширного окисления богатого железом исходного материала.

Углерод и растворение

Дождевая вода естественным образом поглощает углекислый газ из атмосферы и почвы, образуя слабую углекислую кислоту. Эта кислота реагирует с карбонатными минералами, особенно кальцитом в известняке и мраморе, для получения растворимого бикарбоната кальция. Минерал растворяется и уносится в раствор. Со временем карбонизация может создавать пещеры, воронки и драматическую карстовую топографию, обнаруженную в таких областях, как область пещеры мамонтов Кентукки. Этот процесс также влияет на здания и статуи из известняка или мрамора.

Выветривание раствора также относится к другим растворимым минералам, таким как галит (каменная соль) и гипс, которые просто растворяются в воде. Это менее распространенный, но локально важный процесс.

Кислотные дожди и антропогенное химическое выветривание

Деятельность человека, в частности сжигание ископаемого топлива, высвобождение в атмосферу диоксида серы и оксидов азота. Эти газы реагируют с водяным паром с образованием серной и азотной кислот, значительно увеличивая кислотность осадков. Кислотный дождь ускоряет химическое выветривание карбонатных пород и может повредить структуры из камня, такие как исторические памятники. В то время как естественное выветривание является медленным геологическим процессом, антропогенные кислотные дожди явно ускорили разрушение наружных статуй и фасадов зданий.

Биологическое выветривание: живой вклад

Живые организмы, от крошечных бактерий до крупных деревьев, способствуют выветриванию как физическим, так и химическим способом.Эта сквозная категория часто интегрируется в физические и химические секции, но требует отдельного внимания из-за своего повсеместного влияния.

Физическое биологическое выветривание

Корневой рост: Как упоминалось ранее, расширяющиеся корни в трещинах могут раздирать камни.
Одичавшие животные: Земные черви, родинки, муравьи и грызуны смешивают и разрушают фрагменты почвы и пород, подвергая свежие поверхности дальнейшему выветриванию.
Расширение лишайников: Лишайники, растущие на поверхности горных пород, могут физически проникать в микротрещины.

Химическое биологическое выветривание

Лишайниковая и мховая секреции: Многие лишайники производят органические кислоты, которые растворяют минералы, способствуя первоначальному разрушению голых поверхностей пород. Это ключевой процесс в первичной последовательности.
Корневые экссудаты: Корни растений выделяют различные органические соединения и кислоты, которые могут хелатировать и растворять минеральные питательные вещества, облегчая как питание растений, так и химическое выветривание.
Микробиологическая активность: Бактерии и грибы могут окислять или уменьшать минералы, ускорять растворение и производить органические кислоты посредством метаболизма.

Биологическое выветривание особенно важно на ранних стадиях формирования почвы на свежих поверхностях горных пород, таких как после извержения вулкана или ледникового отступления.

Ключевые факторы, влияющие на процессы выветривания

Тип и скорость выветривания в любом данном месте зависят от сложного взаимодействия переменных окружающей среды.Понимание этих факторов помогает объяснить, почему ландшафты так резко различаются по всей Земле.

Климат: доминирующий контроль

Температура и влажность являются наиболее важными климатическими факторами. Химическое выветривание ускоряется в теплых, влажных условиях, поскольку вода является основным агентом и скорость химической реакции увеличивается с температурой. Физическое выветривание, особенно морозное заклинивание, наиболее эффективно в холодном, влажном климате с частыми циклами замерзания-оттаивания. В сухих пустынях выветривание в целом медленное, хотя тепловое расширение и рост кристаллов соли могут быть значительными. Взаимодействие между климатом и выветриванием является центральным в концепции климатических зон образования почв .

Тип породы и минеральный состав

Не все породы выдерживают одну и ту же скорость. Игнезианские породы, такие как гранит, состоящие в основном из кварца и полевого шпата, относительно устойчивы к химическому выветриванию, потому что кварц очень стабилен. Однако, полевой шпат может в конечном итоге гидролизоваться до глины. Скалы, богатые карбонатными минералами (известняк, доломит) очень восприимчивы к химическому растворению. Хорошо заземленные породы, такие как сланцевая погода, механически быстрее из-за их многочисленных плоскостей слабости. Серия растворения ГолдичаСерия растворения Голдича ранжирует общие силикатные минералы от большинства до наименее стабильных на поверхности Земли, отражая серию реакций Боуэна для кристаллизации.

Топография и слоуп

Стебли способствуют быстрому стоку воды и эрозии, что удаляет выветривающийся материал и подвергает свежие породы выветриванию. Это часто приводит к более тонким почвам. Нежные склоны позволяют воде проникать, увеличивая химическое выветривание и развитие почвы. Также имеет значение аспект (направление, в котором склон обращен к склону): склоны, обращенные на юг, получают больше солнечного света, теплее и суше и могут выветриваться иначе, чем склоны, обращенные на север.

Растительный покров

Растения и органические вещества усиливают выветривание несколькими способами. Корни механически разрушают породы. Разлагающееся органическое вещество выделяет кислоты и углекислый газ в почву, способствуя химическому выветриванию. Наличие навеса растительности также может смягчать экстремальные температуры и улавливать влагу, создавая благоприятный для выветривания микроклимат. Напротив, бесплодные ландшафты, как правило, выветриваются медленнее.

Время

Выветривание — это медленный процесс, который действует от тысяч до миллионов лет. Чем дольше поверхность породы подвергается воздействию элементов, тем более выветривается она становится. Однако скорость выветривания может меняться с течением времени по мере того, как поверхность породы развивает выветрившуюся кожуру или по мере изменения климата.

От скалы до почвы: Педогенная роль выветривания

Образование почвы, или педогенез, начинается, когда исходный материал (оригинальная порода или осадок) подвергается выветриванию.Преобразование из твердой породы в слоистый профиль почвы включает в себя несколько перекрывающихся стадий:

Материальное образование родителей: Фундамент разбивается выветриванием в реголит — свободный, неконсолидированный материал.

Продолжается физико-химическое выветривание:] Реголит дополнительно уменьшается в размере частиц и химически изменяется для получения глинистых минералов и растворимых ионов.

Накопление органического вещества:] Растения, животные и микробы добавляют органический материал (гумус) к минеральным частицам. Это критический шаг, который превращает реголит в истинную почву. Органическое вещество связывает минеральные частицы в агрегаты, удерживает воду и поставляет питательные вещества.

Развитие оризонта: Со временем в почвенном профиле образуются отдельные слои (горизонты) из-за различий в выветривании, выщелачивании и содержании органических веществ. Типичный профиль включает:

O горизонт: Богатый органическими веществами слой (лиственное помет, гумус).

Горизонт (верхний слой почвы): Темный, богатый минералами органический материал; зона интенсивной биологической активности и выщелачивания.

E горизонт (элувиационный слой): Светлый, выщелаченный из глины и минералов, часто песчаный (обычный в лесных почвах).

B горизонт (недра): Зона накопления, где откладывается глина, оксиды железа и другие материалы сверху.

C горизонт: Изменённый исходный материал, частично измененный реголит.

Р горизонт: Непогодная порода под ним.

Весь процесс от свежей породы до зрелой почвы может занять тысячи лет, причем темпы зависят в значительной степени от обсуждавшихся ранее факторов выветривания. Например, в теплом, влажном климате с вулканическим исходным материалом образование почвы может происходить относительно быстро (в течение нескольких столетий), тогда как в сухом, холодном климате на гранитной породе может потребоваться десятки тысяч лет, чтобы развить даже тонкий слой почвы.

Вывод: Увлажнение как основа жизни

Процессы выветривания, как физические, так и химические, организуют медленное, но неустанное преобразование каменистой коры Земли в почвы, которые поддерживают наземные экосистемы. От расщепляющейся силы льда в горных расщелинах до мягкого растворяющего действия угольной кислоты на известняке каждый механизм играет определенную роль в разрушении породы и высвобождении минералов, необходимых для жизни. Факторы климата, тип породы, топография, растительность и время определяют темп и характер этой трансформации. Для студентов и преподавателей понимание выветривания выходит за рамки геологии - это обеспечивает окно в углеродный цикл, эволюцию формы земли и устойчивость почвенных ресурсов. Поскольку мы сталкиваемся с глобальными проблемами, такими как деградация почвы и изменение климата, изучение выветривания остается более актуальным, чем когда-либо. Понимая, как камень превращается в почву, мы лучше понимаем тонкий баланс, который делает нашу планету пригодной для жизни.

Для дальнейшего чтения см. Обзор выветривания и эрозии , Статья о выветривании и почвообразовании и Энциклопедия Britannica запись о выветривании .