Table of Contents

Введение: выветривание как двигатель геологических изменений

Под нашими ногами твердая порода земной коры находится в постоянном, медленном преобразовании. рок-цикл — грандиозный геологический конвейерный пояс, который превращает магматические, осадочные и метаморфические породы из одного типа в другой — полностью зависит от ряда поверхностных и подземных процессов. Среди них погодное хозяйство выступает в качестве существенного начального шага. Без выветривания горы никогда не будут разрушаться, осадок никогда не образуется, а поверхность планеты останется статическим, бесплодным пространством. Выветривание — это набор физических, химических и биологических механизмов, которые разрушают породу на месте , производя сырье для почв, осадочных пород и, в конечном счете, разнообразные формы рельефа, которые мы видим сегодня. Эта статья раскрывает роль выветривания в пределах горного цикла, исследует факторы, которые контролируют его темп, и объясняет, как он формирует ландшафт вокруг нас.

Определение выветривания: первичный разлом на поверхности Земли

Выветривание — это распад и разложение пород и минералов на поверхности Земли или вблизи нее. Это статический процесс — сломанный материал остается на месте до тех пор, пока не будет перемещен эрозией. Различие между выветриванием и эрозией имеет решающее значение: выветривание создает фрагменты; эрозия транспортирует их. Выветривание является источником всех осадков, обеспечивая частицы, которые становятся песчаниками, сланцами и известняками. Он также высвобождает необходимые питательные вещества в окружающую среду, поддерживая жизнь и образование почвы. Процесс работает через три основных пути: физический, химический и биологический.

Физическое (механическое) выветривание

Физическое выветривание разбивает породу на более мелкие кусочки без изменения ее минерального состава. Это увеличивает площадь поверхности, делая породу более восприимчивой к последующей химической атаке. Ключевые механизмы включают:

  • Молозное скрещивание (ледяная сегрегация): Вода просачивается в трещины, замерзает и расширяется примерно на 9%. Повторяющиеся циклы замерзания-оттаивания расширяют трещины, в конечном итоге разрывая породу. Это наиболее эффективно в альпийском и высокоширотном климате.
  • Тепловое расширение и сжатие: Быстрые изменения температуры заставляют минералы расширяться и сокращаться с разной скоростью.В пустынях интенсивное дневное отопление с последующим ночным охлаждением может вызвать отшелушивание, когда внешние слои горных пород отслаиваются, как лук.
  • Разгрузка (высвобождение от давления): Когда накладывающаяся порода удаляется эрозией, подстилающая порода расширяется и ломается горизонтально. Это приводит к образованию швов и способствует образованию массивных купольных форм рельефа, таких как полукупол Йосемити.
  • Рост кристаллов соли:] В засушливых прибрежных или внутренних районах соленая вода испаряется из пор породы, оставляя кристаллы соли, которые растут и оказывают экспансивную силу, разрушая породу. Это основной агент в ухудшении состояния пещеры и обрыва.

Химическое выветривание

Химическое выветривание изменяет внутреннюю структуру минералов посредством химических реакций, превращая первичные минералы во вторичные минералы (например, глину) и высвобождая растворенные ионы. Вода является ключевым растворителем, и ее эффективность повышается кислотностью. Основные реакции включают:

  • Растворение: Минералы, такие как кальцит (карбонат кальция), растворяются непосредственно в слабокислой воде. Этот процесс создает карстовые ландшафты — воронки, пещеры и подземные дренажные системы.
  • Гидролиз: Силикатные минералы (например, полевой шпат) реагируют с водой с образованием глинистых минералов и растворимых солей. Это доминирующая химическая реакция выветривания на континентах, превращающая гранит в каолиновую глину и кварцевый песок.
  • Окисление: Кислород сочетается с железосодержащими минералами, образуя оксиды железа (гематит, гетит). Это придает многим выветрившимся породам и почвам характерный красный, желтый или оранжевый цвет.
  • Углекислый газ, растворенный в дождевой воде, образует углекислую кислоту, которая ускоряет растворение карбонатных пород, таких как известняк и мрамор. Этот процесс является центральным в процессе переработки углерода в горном цикле.

Биологическое выветривание

Живые организмы способствуют как физическому, так и химическому выветриванию. Корни растений растут в трещины, оказывая давление по мере их расширения (физического). Лишайники и мхи секретируют органические кислоты, которые непосредственно растворяют поверхности горных пород (химического). Животные и дождевые черви смешивают почву и выставляют свежие минералы. Бросок деревьев — когда падающее дерево выкорчевывает массу горных пород и почвы — физически разрушает породу. Даже микробные биопленки ускоряют растворение минералов через побочные продукты метаболизма.

Вместе эти три стиля выветривания действуют одновременно, часто синергетически.Молодная трещина подвергает химическим атакам свежие минеральные поверхности; химическое выветривание ослабляет породу, облегчая проникновение корней.

Скалистый цикл: место выветривания в геологической переработке

Цикл породы представляет собой модель, которая описывает, как камни переходят между тремя основными типами пород через плавление, охлаждение, подъем, захоронение и деформацию. Выветривание является первым шагом в осадочной ветви цикла, превращая твердую породу в детрит, который можно транспортировать и откладывать. Понимание роли выветривания требует изучения каждой части цикла:

От Igneous до Sedimentary Rock

Нежные породы образуются, когда магма или лава охлаждаются. После воздействия на поверхность они немедленно подвергаются выветриванию. В течение миллионов лет гранит (обычная интрузивная магматическая порода) выветривается в глину, кварцевый песок и растворенные ионы. Реки переносят этот материал в бассейны, где он накапливается. С захоронением и уплотнением осадок литифицируется в осадочные породы — песчаник, сланец или известняк (если доминирует биологическое или химическое осаждение). Выветривание обеспечивает осадок; без него не могут образовываться кластичные осадочные породы. USGS отмечает, что погодное и эрозионное процессы являются основными процессами, которые разрушают поверхностные материалы Земли .

Метаморфные камни и возобновленное выветривание

Осадочные породы (и магматические породы) могут быть погребены на глубине в километры, где тепло и давление превращают их в метаморфические породы, такие как сланец, гнейс или мрамор. Последующий подъем через горное строительство в конечном итоге подвергает эти метаморфические породы на поверхности. Там они снова подвергаются выветриванию, выпуская свои минералы в цикл. Выветривание таким образом сбрасывает часы для каждой породы, которая выходит из глубины, что делает его непрерывным, общепланетным процессом.

Роль химического выветривания в углеродном цикле

Химическое выветривание играет ключевую роль в долгосрочном углеродном цикле. Выветривание силикатных пород, таких как базальт и гранит, потребляет атмосферный CO2 в результате реакции:

CaSiO3 + 2CO2 + H2O → Ca2 + + 2HCO3− + SiO2

Эта реакция удаляет углекислый газ из атмосферы, запирает его в ионы бикарбоната, которые в конечном итоге осаждаются в виде известняка на морском дне. Этот геологический поглотитель углерода работает в течение десятков тысяч-миллионов лет, помогая регулировать климат Земли в течение геологического времени.

Пейзажная формация: выветривание как скульптор

Выветривание не только сводит породу к зернам — оно также формирует целые ландшафты. Дифференциальное выветривание (разное сопротивление различных типов пород) создает топографию. Более твердые, более устойчивые породы стоят как хребты и скалы; более мягкие, более легко выветривающиеся породы разрушаются в долины и низменности. С течением геологического времени выветривание контролирует форму и эволюцию почти каждой земной формы суши.

Классические формы рельефа, созданные или находящиеся под влиянием выветривания

  • Прибрежные скалы и морские арки: Волновое действие сочетается с выветриванием соли и заморозкой, чтобы подрезать скалы, в конечном итоге образуя арки и морские стеки.
  • Карстские пейзажи: Известняковые области растворяются в воронках, пещерах, исчезающих ручьях и больших впадинах. Пещера мамонтов (Кентукки) и Буррен (Ирландия) являются яркими примерами.
  • Природные мосты и арки: В песчаниковых ландшафтах химические выветривания и ветровая эрозия вырезают арки, такие как Национальный парк Арки Юты — где более 2000 арок были сформированы выветриванием и эрозией.
  • Худу:] Высокие тонкие шпили породы, оставленные позади, когда более мягкий материал выветривается.Худу Брайс-Каньона являются драматическим результатом заморозки и химического растворения.
  • Инсельберги и бордхардты: Изолированные каменные купола, которые появляются после интенсивного химического выветривания окружающих пород в тропических или саваннальных регионах.Улуру (Ayers Rock) в Австралии — знаменитый инсельберг.
  • Склоны и скалы Талуса: Физическое выветривание на крутых склонах производит груды углового обломка породы (талуса) у основания скал.

Каждая из этих форм рельефа рассказывает историю о конкретном режиме выветривания, который их создал — химический в влажном климате, физический в холодном или сухом климате или их комбинации.

Утепление в горном строительстве и денудация

Горы построены тектоническими силами, но они изношены в основном выветриванием и эрозией. Скорость денудаций (скорость опускания поверхности суши) в значительной степени контролируется интенсивностью химического и физического выветривания. Высокорельефные, активные горные хребты, такие как Гималаи, испытывают интенсивное морозостойкое выветривание на высоких высотах и быстрое химическое выветривание на залитых дождем южных склонах. За миллионы лет выветривание может понизить пики на тысячи метров, постепенно превращая зубчатые хребты в округлые возвышенности.

Факторы, влияющие на выветривание: что контролирует темп?

Скорость выветривания сильно варьируется по всему миру — от нескольких миллиметров на тысячу лет в холодных пустынях до нескольких метров на тысячу лет в жарких дождливых тропиках.

Климат (температура и осадки)

Климат является единственным наиболее влиятельным фактором. Теплые температуры ускоряют химические реакции (примерно вдвое на каждые 10 °C увеличения). Обильные осадки обеспечивают воду, которая приводит к гидролизу, растворению и карбонизации. Следовательно, выветривание наиболее интенсивно в тропических тропических лесах и наименее эффективно в полярных и засушливых регионах. В холодном климате доминирует физическое выветривание (особенно морозное засорение); во влажных тропиках химическое выветривание обрабатывает глубокие слои сапролитов (потепленных пород) толщиной до десятков метров.

Тип породы и минеральный состав

Различные минералы обладают совершенно разной устойчивостью к выветриванию. В серии стабильности Голдича минералы от наиболее устойчивых (кварцевые, мусковитовые) до наименее устойчивых (оливиновые, пироксеновые, полевой шпат). Скалы, состоящие из кварца (например, кварцита или чистого песчаника), очень долговечны; те, которые богаты карбонатом кальция (известняк) или ферромагнезианскими силикатами (базальтовая) погода быстро. В цикле горных пород состав материнской породы диктует тип и обилие образующихся осадков.

Топография (область и аспект)

Стебли склонов поощряют эрозию, которая удаляет выветрившийся мусор и подвергает свежие породы дальнейшему выветриванию. Нежные склоны позволяют выветривающему материалу накапливаться, образуя глубокие профили почвы. Аспект (направление склона лица) влияет на микроклимат: склоны, обращенные на юг в Северном полушарии, получают больше солнечного света и теплее, усиливая химическое выветривание; склоны, обращенные на север, могут сохранять больше влаги и испытывать больше заморозков.

Растительность и органическая активность

Растительность защищает поверхность от воздействия дождя и экстремальных температур, но она также усиливает выветривание посредством действия корней и производства органических кислот. Лесные почвы часто сильно выветриваются, потому что органические кислоты из распадающихся листьев и корней ускоряют растворение минералов. Кроме того, норы животных и микробов усиливают пористость и движение воды, способствуя дальнейшему химическому выветриванию.

Время

Выветривание — чрезвычайно медленный процесс на человеческих временных масштабах. Даже в агрессивных тропических условиях для развития толстого реголита требуется от тысяч до миллионов лет. В засушливых регионах поверхности горных пород могут демонстрировать лишь тривиальные изменения в течение десятков тысяч лет. Цикл горных пород работает в геологическое время; скорости выветривания должны измеряться на этом фоне, чтобы понять эволюцию ландшафта.

Выветривание, формирование почв и поддержка экосистем

Почва является конечным продуктом выветривания, смешанного с органическим веществом. regolith — слой неконсолидированных горных пород и минеральных фрагментов, лежащих на поверхности породы — развивается путем физического разрушения и химического изменения. По мере выветривания она выделяет растительные питательные вещества, такие как калий, кальций, магний и фосфор, из минералов, таких как полевой шпат и горнбленде. Без выветривания не было бы почвы, сельского хозяйства и наземных экосистем, как мы их знаем.

Глубина и плодородие почвы являются прямыми функциями интенсивности выветривания. Молодые почвы в недавно оледеневших ландшафтах тонкие и бедные питательными веществами; старые почвы в тропических районах щита могут быть глубиной в сотни метров, но часто не имеют питательных веществ, потому что интенсивное химическое выветривание вымыло их. Понимание этой взаимосвязи помогает землеустроителям прогнозировать поведение почвы и уязвимость к эрозии.

Влияние человека на выветривание

Антропогенная деятельность ускоряет естественные темпы выветривания несколькими способами:

  • Кислотные дожди: Выбросы диоксида серы и оксидов азота создают серные и азотные кислоты, которые усиливают химическое выветривание, особенно известняковых и мраморных зданий и памятников.
  • Увеличение атмосферного CO2: Более высокие уровни CO2 повышают концентрацию углекислоты в дождевой воде, потенциально увеличивая скорость растворения карбоната и силикатного выветривания.
  • Горение и строительство: Раскопки обнажают свежие поверхности горных пород, которые выветриваются быстрее, чем захороненные породы. В сваях отходов шахт часто содержатся реактивные минералы, которые производят дренаж кислотных шахт — экстремальная форма химического выветривания.
  • Изменение климата: Более теплые температуры и измененные режимы выветривания изменяются. Оттепель вечной мерзлоты в Арктике подвергает ранее замороженные породы и осадки выветриванию, освобождая накопленный углерод и минералы.

Эти изменения, вызванные деятельностью человека, могут нарушить тонкий баланс горного цикла и иметь долгосрочные последствия для плодородия почвы, качества воды и поглощения углерода.Энциклопедия Britannica отмечает, что человеческая деятельность в настоящее время конкурирует с естественными процессами в изменении скорости поверхностного выветривания.

Утепление против эрозии: почему различие имеет значение

Распространенное заблуждение приравнивает выветривание к эрозии. На самом деле, они являются последовательными, но различными процессами. Выветривание производит осадок; эрозия удаляет его. Эрозионные агенты — вода, ветер, лед и гравитация — транспортируют выветрившийся материал в новые места, где он может быть осажден и в конечном итоге литифицирован в осадочные породы. Если бы эрозия отсутствовала, ландшафт был бы покрыт толстым слоем выветрившейся породы (сапролит), замедляя дальнейшее выветривание. Эрозия омолаживает поверхность, обнажая свежие породы и поддерживая активное выветривание. Баланс между этими двумя процессами определяет форму топографии Земли.

Вывод: выветривание как основа динамики поверхности

Выветривание - это гораздо больше, чем простое растрескивание породы. Это сложный, многогранный набор процессов, который управляет циклом скал, создает ландшафты, создает почвы и даже модулирует глобальный климат в течение геологического времени. От ледяных вершин Скалистых гор до известняковых сетей пещеры Юкатана, выветривание оставляет свой след на каждом углу планеты. Понимание того, как физические, химические и биологические силы разрушают скалу - и как такие факторы, как климат, тип породы и топография, влияют на это разрушение - обеспечивает основу для интерпретации прошлого Земли и прогнозирования ее будущего. Поскольку мы сталкиваемся с быстро меняющимся климатом и растущим давлением на земельные ресурсы, скромная дробилка скал, известная как выветривание, становится предметом глубокой актуальности. Она напоминает нам, что земля под нашей жизнью не статична, но постоянно находится в переходном состоянии, снова и снова перерабатывается теми же силами, которые построили мир, в котором мы живем.

Для дальнейшего чтения о взаимодействии между выветриванием и рок-циклом ресурс National Geographic предлагает доступный обзор, в то время как публикация USGS «The Rock Cycle» обеспечивает более техническую перспективу.