Table of Contents

Физический ландшафт Земли находится в процессе работы, постоянно формируется огромными внутренними силами и устойчивыми внешними процессами. Среди наиболее фундаментальных из этих внешних сил выветривание. В то время как часто омрачается непосредственной драмой извержения вулкана или оползня, выветривание - это тихий, неустанный двигатель, который измельчает горы в песок, создает почву, которая поддерживает земную жизнь и помогает регулировать планетарный климат в течение геологических эонов. Понимание выветривания - это понять саму основу эволюции ландшафта, горный цикл и тонкий, животворящий шпон поверхности нашей планеты. Это глубокое руководство исследует различные механизмы физического, химического и биологического выветривания, критические факторы, регулирующие их темпы, и их глубокое влияние на мир вокруг нас.

Основные принципы выветривания: In-Situ Breakdown

Выветривание определяется как in-situ (что означает «на месте») распад пород и минералов на поверхности Земли или вблизи нее. Различие между выветриванием и эрозией имеет решающее значение: выветривание — это фрагментация и химическое изменение горного материала без движения, в то время как эрозия включает транспорт этих выветрившихся частиц гравитацией, водой, ветром или льдом. Выветривание готовит материал для эрозии. Непосредственным продуктом выветривания является реголит, слой рыхлой, фрагментированной породы и минеральной пыли, покрывающий коренную породу. Когда этот реголит обогащается органическим веществом и становится способным поддерживать жизнь растений, он классифицируется как почва. Без начальной стадии разрушения твердой породы не будет реголита, почвы, и поверхность Земли будет бесплодной, каменистой пустошей.

Механика рок-разрушения: физическое выветривание

Физическое или механическое выветривание предполагает распад породы на более мелкие фрагменты без какого-либо изменения химического состава минералов.Этот процесс опирается на применение физического напряжения, которое использует уже существующие слабости в породе, такие как суставы, переломы и плоскости постельного белья.

Свадебный мороз и действие «заморозка»

В альпийских и высокоширотных условиях морозное заклинивание является доминирующим физическим механизмом выветривания. Вода просачивается в трещины в скале. Когда температура опускается ниже нуля, вода превращается в лед и расширяется в объеме примерно на 9%. Это расширение оказывает огромную внешнюю силу, измеряемую десятками тысяч фунтов на квадратный фут, что достаточно для расширения трещин. Повторяющиеся циклы замерзания-оттаивания действуют как мощный отбойный молоток, медленно раздвигая даже самую твердую породу. Склоны талуса, или «скрип», наблюдаемые у основания крутых горных скал, являются классическими накоплениями обломков, покрытых морозом.

Разгрузка и отсев

Когда большие массы накладывающейся породы удаляются эрозией, давление на подстилающую породу уменьшается. Глубоко закопанная порода, которая находилась под огромным давлением ограничения, расширяется вверх в ответ на это высвобождение. Это расширение приводит к разрушению породы в листах или слоях, параллельных поверхности земли, процесс, известный как отшелушивание или листование. Куполы гранита, найденные в таких местах, как Национальный парк Йосемити (например, Полукупол и Эль-Капитан), являются прямым результатом этого процесса разгрузки. Стыки, созданные отшелушиванием, могут быть длиной в сотни метров и являются критическими путями для воды и дальнейшего выветривания.

Термический стресс и инсоляционное выветривание

В пустынных и высокогорных условиях породы подвергаются экстремальным суточные колебания температуры. Днем поверхность породы нагревается и расширяется; ночью она охлаждается и сжимается. Различные минералы внутри породы расширяются и сжимаются с разной скоростью, создавая внутренние напряжения вдоль границ зерна. В течение бесчисленных циклов это дифференциальное расширение может привести к отслаиванию внешних слоев породы (процесс, похожий на отшелушивание, называемый «отслаиванием лука» или десквамация) или вызвать расслабление и отпадение отдельных минеральных зерен (распад гранул).

Соляное выветривание (галопластика)

В засушливых прибрежных районах и сухих озёрных пластах (плея) солевое выветривание является мощной силой. Соленая вода поступает в поры и трещины пород. Когда вода испаряется, кристаллы соли остаются позади. По мере роста кристаллов они оказывают давление на окружающую породу. Кроме того, некоторые соли, такие как сульфат натрия, могут гидратироваться и значительно расширяться. Это давление кристаллизации и гидратации достаточно сильно, чтобы разрушить грани пород, создавая такие особенности, как тафони (выветривание, подобное медовым сотам) и способствуя эрозии пустынных арок и столбов.

Трансформация минералов: химическое выветривание

Химическое выветривание включает химическое изменение или разрушение минералов в породе, превращая их в новые, более стабильные минералы. Этот процесс обусловлен водой, кислородом и кислотами, присутствующими в атмосфере и биосфере. Он наиболее эффективен в теплом, влажном климате.

Расторжение

Растворение является простейшей формой химического выветривания, где минералы непосредственно растворяются в воде. Например, минеральный галит (скалевая соль) легко растворяется в воде. Более важно, карбонатные минералы, такие как кальцит (CaCO3), подвергаются атаке слабых кислот, процесс, фундаментальный для создания пещер и карстовых ландшафтов. Топография Карста является прямым следствием растворения известняка и доломита.

гидролиз

Гидролиз, возможно, является наиболее важным химическим процессом выветривания для генерации почвы. Он включает в себя реакцию силикатных минералов со слегка кислой водой. Ионы водорода (H +) из кислоты заменяют металлические катионы (например, калий, натрий или кальций) в кристаллической решетке минерала. Классическим примером является гидролиз полевого шпата ортоклазы (KAlSi3O8) , общего минерала в граните: 2KAlSi3O8 + 2H + 9H2O → Al2Si2O5 (OH)4 + 4H4SiO4 + 2K + [[FLT: 1]] Эта реакция производит каолинитовую глину (Al2Si2O5 (OH)4), растворенный кремнезем (H4SiO4) и ионы калия (K +). Глина остается стабильным продуктом, в то время как ионы переносятся в раствор. Вот почему гранит выдерживает песчаную, богатую глиной почв

окисление

Окисление - это реакция кислорода с минералами, в первую очередь железом. Когда железосодержащие минералы, такие как пирит (FeS2) или оливин ((Mg,Fe)2SiO4) подвергаются воздействию кислорода и воды, железо окисляется из его железистого (Fe2+) состояния в его железистое (Fe3+) состояние, образуя оксиды железа и гидроксиды, такие как гематит (Fe2O3) и лимонит (FeO(OH)·nH2O). Эти соединения отвечают за характерные красные, желтые и коричневые цвета многих почв и осадочных пород. Ржавчина железа является повседневным примером выветривания окисления.

Углерод

Углеродирование — это особый тип растворения, при котором углекислый газ (CO2) в атмосфере растворяется в дождевой воде для образования слабой углекислоты (H2CO3). Эта кислота очень эффективна при растворении карбонатных пород, таких как известняк и мрамор. Реакция: CaCO3 + H2CO3 → Ca(HCO3)2 Бикарбонат кальция (Ca(HCO3)2) является высокорастворимым и уносится в раствор. Этот процесс является основным агентом при образовании пещер, воронок и классических «карстовых» ландшафтов, таких как те, которые найдены в пещере Мамонта в Кентукки и в регионе Гуйлинь в Китае.

Биосфера как агент выветривания: биологическое выветривание

Живые организмы являются мощными агентами выветривания, способствуя как физическим, так и химическим средствам.Биосфера взаимодействует непосредственно с литосферой для ускорения разрушения пород.

Физическое биологическое выветривание

Наиболее заметной формой биологического выветривания является корневое сварка. Корни деревьев и другие корни растений растут в трещинах и стыках пород. По мере утолщения и удлинения корней они оказывают огромную физическую силу, эффективно раздирая породу. Особенно эффективен этот процесс в хорошо сросшихся породах. Скапливающиеся животные, такие как дождевые черви, грызуны и муравьи, также способствуют перемещением и смешиванием фрагментов пород, подвергая свежие поверхности дальнейшей химической атаке.

Химическое биологическое выветривание

Организмы резко увеличивают скорость химического выветривания. Корни растений и их связанные с ними микробные партнеры (микоризы) дышат, выделяя CO2 в почву. Этот CO2 растворяется в почвенной воде для образования углекислоты, которая часто намного более концентрирована, чем в дождевой воде. Кроме того, многие организмы выделяют специфические органические кислоты, которые очень эффективны при растворении минералов. Лишайники, которые являются симбиотическими отношениями между грибком и водорослями, являются классическими пионерскими видами на голой породе. Они выделяют кислоты, которые выделяют поверхность породы, высвобождая питательные вещества и инициируя процесс образования почвы даже в самых суровых условиях.

Критические факторы, влияющие на темпы выветривания

Тип и скорость выветривания в данном месте регулируются сложным взаимодействием факторов. Понимание этих элементов управления имеет важное значение для прогнозирования эволюции ландшафта и управления воздействием на окружающую среду.

  • Климат:] Это единственный наиболее важный фактор.Теплые и влажные условия ускоряют химическое выветривание, часто в десять и более раз по сравнению с холодным, сухим климатом. Физическое выветривание доминирует в холодных, сухих или альпийских средах, где циклы замораживания-оттаивания часты. «погода» работает быстрее всего в тропиках.
  • Тип породы и минералогия:] Химический состав породы диктует ее восприимчивость к выветриванию. Серия стабильности Голдича предсказывает устойчивость минералов к выветриванию. Минералы, которые кристаллизуются сначала при высоких температурах (например, оливин и пироксен) наименее стабильны на поверхности Земли и очень быстро. Минералы, которые кристаллизуются последними при низких температурах (например, кварц и москвичная слюда), наиболее стабильны и медленно выветриваются. Вот почему богатый кварцем песок настолько прочен, в то время как горные хребты, состоящие из мафиозных пород (богатые оливином / пироксеном), выпадают относительно быстро.
  • Структура и трещины:] Суставы, плоскости постельного белья и разломы — это зоны слабости, которые позволяют воде и корням проникать глубоко в скалу. Высокоразломавшаяся порода будет выдерживать гораздо более быструю погоду, чем массивная, неразломленная порода. Разрыв суставов часто контролирует размер получаемых выветрившихся блоков.
  • Топография: Степные склоны способствуют физическому выветриванию через гравитацию и массовое истощение, но они также предотвращают накопление почвы и воды, что может ограничить химическое выветривание. Нежные склоны и плоские области позволяют воде проникать и просачиваться, способствуя глубокому, интенсивному химическому выветриванию и развитию толстых профилей почвы.
  • Время: Выветривание — это медленный процесс. Толщина профиля выветривания является прямой функцией времени, когда ландшафт подвергался воздействию выветривателей без значительной эрозии. Древние, стабильные ландшафты в Австралии и Африке имеют одни из самых глубоких и наиболее интенсивно выветривающихся почв на Земле.

Утепление и глобальный углеродный цикл

Одна из самых глубоких и часто упускаемых из виду ролей выветривания — это его функция как долгосрочного термостата Земли через Urey Reaction, названная в честь химика Гарольда Урея. Химическое выветривание силикатных минералов (которые составляют большую часть земной коры) потребляет атмосферный углекислый газ (CO2). Общая реакция: CaSiO3 + CO2 → CaCO3 + SiO2 Силикат кальция (CaCO3, основной компонент известняка) и кремнезем (SiO2). Этот процесс вытягивает CO2 из атмосферы и запирает его в породах на дне океана. Этот отрицательный цикл обратной связи регулирует климат Земли в течение миллиардов лет. Когда тектонические силы выталкивают вверх горные хребты (как Гималаи), скорость выветривания силикатов увеличивается, вытягивая больше CO2 из атмосферы и вызывая глобальное охлаждение.

Пейзажи, выкованные уветриванием

Уэзеринг является основным скульптором некоторых из самых отличительных и красивых пейзажей в мире.

Гранитные пейзажи: купола и торсы

Как обсуждалось, разгрузка гранитных батолитов создает эффектные отшелушивающие купола. В некоторых регионах двухступенчатый процесс образует "торы". Глубокое химическое выветривание вдоль суставов в граните создает толстый реголит из округлых сердечников. Позже эрозия удаляет этот рыхлый материал, оставляя после себя скопление больших, округлых остаточных блоков, расположенных на коренной породе - торе.

Карстовая топография и пещеры

Распад известняка углекислотой создает уникальный и драматический ландшафт, известный как карст. Особенности включают воронки (долины), исчезающие ручьи, подземные реки и обширные пещерные системы, украшенные сталактитами и сталагмитами. Система пещер Мамонта в Кентукки является самой длинной пещерной системой в мире, полностью сформированной этим процессом химического выветривания.

Песчаные арки и Tafoni

Песчаные ландшафты в значительной степени зависят от физического и химического выветривания, часто в концерте. Выветривание соли и затвердевание корпуса (где твердая корка формируется на внешней стороне скалы) приводят к созданию впечатляющих арок, сбалансированных скал и альков. Затейливые модели выветривания сот, известные как тафони, являются классическими примерами выветривания соли в действии, обычно наблюдаемые на прибрежных скалах и в пустынных регионах.

Формирование бокситов и латеритов

Интенсивное химическое выветривание в тропическом климате создает уникальные остаточные отложения. Выщелачивание кремнезема и оснований оставляет после себя остаток, богатый алюминием и гидроксидами железа . Если остаток богат алюминием, его называют бокситом — основной в мире рудой алюминия. Если он богат железом, его называют латерит. Эти глубокие, красного цвета профили выветривания (реголит) могут быть толщиной в сотни метров и требуют миллионов лет стабильных, теплых, влажных условий для формирования.

Человеческое взаимодействие и ускоренное выветривание

Деятельность человека оказывает значительное влияние на процессы выветривания, часто ускоряя их до вредных уровней. Наиболее ярким примером являются кислотные дожди. Сжигание ископаемого топлива выделяет в атмосферу диоксид серы (SO2) и оксиды азота (NOx), где они образуют сильные серные и азотные кислоты. Это загрязненное осадки резко ускоряет химическое выветривание карбонатных строительных камней, таких как мрамор и известняк. Исторические статуи, соборы и здания страдают от быстрого распада, прямого последствия промышленного загрязнения. Горная деятельность подвергает атмосфере огромное количество сульфидных минералов, что приводит к образованию кислотного дренажа шахт, токсичной формы ускоренного выветривания, которая может опустошить водные экосистемы. Понимание этих воздействий имеет решающее значение для сохранения культурного наследия и восстановления окружающей среды.

Оригинальное название: The Enduring Legacy of Weathering

Выветривание - это гораздо больше, чем просто разрушение породы. Это фундаментальный, динамичный процесс, который соединяет твердую Землю с атмосферой, гидросферой и биосферой. Это двигатель плодородия почвы, основной двигатель долгосрочного углеродного цикла, и терпеливый художник, стоящий за некоторыми из самых впечатляющих ландшафтов планеты. От зазубренных талусовых склонов Альп до глубоких красных почв Амазонки и пещерных переходов пещеры Мамонта, отпечатки выветривания повсюду. Признание его силы и его медленного, устойчивого влияния дает нам более глубокую оценку активной, постоянно меняющейся планете, которую мы называем домом.