Ковда В.А., Розанов Б.Г. (ред.) Почвоведение. Часть 1 Почва и почвообразование

Подождите немного. Документ загружается.

Рис. 54. Общая схема большого геологического круговорота

веществ

ческие циклы, играющие все возрастающую роль в глобальной

циркуляции веществ. В настоящее время речь идет уже не об

отдельных нарушениях природных биогеохимических циклов в

техносфере, а о технобиогеохимических циклах вещества и по-

токах энергии как современной норме природы. Так, глобальные

циклы углерода, воды, азота, серы и ряда других элементов

и веществ в значительной степени определяются деятельностью

человека, ставшей геологическим фактором. При этом надо иметь

в виду прогрессивно-ускоренное развитие техносферы Земли, что

определяется прогрессирующим ростом населения мира, соот-

ветствующим увеличением производства и потребления пище-

вых продуктов, удвоением энергии мировой индустрии каждые

15 лет (в СССР каждые 7—8 лет) (А. М. Рябчиков, 1980) и ве-

дет к стремительному росту участия техногенных компонентов

во всех глобальных циклах. Техногенная перестройка природных

биогеохимических циклов затрагивает как их интенсивность,

так и направленность в связи с техногенным перераспределе-

нием веществ на земной поверхности.

Современное учение о глобальных циклах веществ создано

трудами В. И. Вернадского, А. Е. Ферсмана, В. М. Гольдшмидта,

Б. Б. Полынова, А. П. Виноградова, В. Р. Вильямса. Большой

вклад в его разработку на современном этапе внесли В. А. Ков-

да, А. И. Перельман, С. М. Григорьев, К. И. Лукашев, М. А. Гла-

зовская, В. В. Ковальский, В. В. Добровольский, А. М. Рябчи-

ков, Э. Гольдберг, В. И. Вульфсон, Ф. Дювиньо и многие другие

ученые в СССР и за рубежом.

318

Присоединение H

O, СО

, О

и др. из атмосферы и грунтовых вод

в процессах выветривания и почвообразования

Рис. 55. Большой геологический круговорот веществ (А. Холмс, 1965, с дополне-

ниями)

Общий цикл технобиогеохимического круговорота веществ на

Земле состоит из ряда самостоятельных биогенных, абиотиче-

ских, геологических и техногенных циклов, составляющих боль-

шой геологический круговорот веществ (рис. 54), включающий

следующие главные циклы (этапы): появление изверженных по-

род на земной поверхности — выветривание — почвообразова-

ние — эрозия и денудация — накопление континентальных и оке-

анических осадков — метаморфизм осадков — выход на поверх-

ность осадочных пород с новым циклом выветривания, почво-

образования, денудации и осадконакопления либо их опускание

в геосинклинальных областях в мантию и переплавка, после чего

опять выход на поверхность в новом цикле вулканизма (рис. 55).

319

Присоединение

органического

вещества

Породы земной

поверхности

Лавовые потоки

Рыхлые осадки

Отвердевшие и

сцементированные

осадки

Магматические

интрузии

Роговики

Проникновение

глубинных магм

Проникновение мигрирующих растворов

и эманаций из недр земли

Кристалл ическ ие

сланцы

Гнейсы и

магма титы

Поток вещества из мантии в кору и обратно

Рис 56 Распределение продуктов денудации суши между геоструктурами земной

коры (С П. Горшков, 1980):

ПСЭ — путь структурной эволюции земной коры

Эта общая схема большого геологического круговорота веществ

Земли существенно осложнена особенностями геоструктур земной

коры и тектонических процессов (рис. 56).

Большой геологический круговорот веществ складывается из

комплекса элементарных циклов, ряд которых изучен в количест-

венном отношении и представляет существенный интерес с точки

зрения их роли в почвообразовании, а также оценки роли почвы

в этих циклах. Циклы достаточно сложны и в настоящее время

их количественные оценки можно считать лишь приближенными,

тем более, что они постоянно изменяются в связи с прогресси-

рующими изменениями техногенных компонентов всех глобаль-

ных циклов. Для примера на рис. 57 и 58 приведены циклы азота

и серы, показывающие всю сложность этих явлений и важную

роль в них почвенного покрова.

Поток вещества из космоса и потеря в космос

Эпигеосинкли-

нальный ороген

Платформа

Эпиплатфор-

менный ороген

Геосинклиналь

Океаническая

кора

Рис 57 Схема глобального круговорота

азота запасы и годовые потоки млн т

(Е. В. Миланова 1980)

АТМОСФЕРА

4•10

Промышленная

фиксация

Атмосферные осадки

Денитрификация

Ионизация

Растения

Животные

Человек

2300

Речной сток

147

2260

1,4•10

2260

ЛИТОСФЕРА

5,7•10

,NО

Нитрификация

1,6•10

П Е Д

О С Ф Е Р

Рис 58 Схема глобального круго-

ворота серы запасы и годовые по-

токи, млн т (И. И. Альтшулер,

1980)

Техногенное поступление в атмосферу

Живое

органическое

вещество

600

Живое

органическое

вещество

СУША

Техногенная

Биогенное

поступление H

в атмосферу

Поглощение SO

растениями

суши

Вулканизм

Осадки и сухое

осаждение

Ветровой вынос

морской соли

Поглощение морской

поверхностью H

S SО

Биогенное

поступление H

в атмосферу

АТМОСФЕРА

ОКЕАН

13•10

Мертвое

органическое

вещество

5000

морской

воде

речной

сток

в почве

Анаэробное

разложение

органического

вещества

Мертвое

органическое

вещество

5000

Выветривание

горных |

пород |

Подводный

вулканизм

ЗЕМНАЯ КОРА

Анаэробное

разложение

органического

вещества

18.3. Выветривание горных пород

Выветривание горных пород — начальный этап большого гео-

логического круговорота веществ на земной поверхности. Пред-

посылкой выветривания служит тот факт, что плотные горные

породы, как магматические, так и метаморфические и осадоч-

ные, формируются в иных термодинамических условиях по

сравнению с существующими на земной поверхности, выходя на

которую они подвергаются глубоким преобразованиям. Вывет-

ривание — это совокупность процессов качественного и количест-

венного изменения состава и свойств горных пород и слагающих

их минералов под воздействием агентов атмосферы, гидросферы

и биосферы, ведущих к трансформации и транслокации вещест-

венного состава поверхностных слоев литосферы и превраще-

нию ее в кору выветривания, которая может быть элювиальной

(остаточной), транзитной (элювиально-аккумулятивной) и акку-

мулятивной, а также современной, древней и ископаемой.

Для остаточной, элювиальной, коры выветривания харак-

терно последовательное снизу вверх чередование зон выветри-

вания (И. И. Гинзбург, 1963), так как на первых стадиях вы-

ветривания первичных минералов в среду освобождается много

катионов, нейтрализующих кислые растворы, а по мере их

выщелачивания среда становится все более кислой: 1) нижняя

зона — зона начальной гидратации и выщелачивания по трещи-

нам пород, с преобладанием процессов физического выветрива-

ния (дезинтеграции); 2) зона гидратации и начального гидро-

лиза по всей массе породы (глубокого выщелачивания); 3) зона

гидролиза и конечного выщелачивания; 4) поверхностная зона —

юна конечного гидролиза (образования оксидов и гидроксидов

элементов гидролизатов).

Установленные зоны выветривания одновременно являются и

временными стадиями выветривания, характеризуя его начало

(1-я зона) и итог (4-я зона), но полная стадийность выветрива-

ния существенно сложнее. Для транзитных и аккумулятивных

(переотложенных) кор выветривания подобной вертикальной

зональности, естественно, установить не удается.

Мощность современных элювиальных кор выветривания варь-

ирует от миллиметров на первичных стадиях до многих метров —

древние остаточные коры выветривания могут достигать несколь-

ких десятков метров, а ископаемые остаточные и переотложенные

коры могут составлять многие сотни метров.

Образование коры выветривания сопровождается потерей

мощности континентальной литосферы в результате сопутст-

вующей выветриванию денудации поверхности. Так, по подсче-

там Б. Г. Розанова (1961), 10-метровая толща красноцветной

коры выветривания в Шанском нагорье Бирмы образовалась из

930-метровой толщи плотных известняков, на что потребовалось

около 2 млн. лет при средней скорости денудации около

0,5 мм/год.

323

Единый процесс выветривания пород и минералов склады-

вается из ряда элементарных процессов, среди которых выде-

ляются физическое выветривание (дезинтеграция и дисперга-

ция), химическое выветривание под действием воды и водных

растворов (гидратация, растворение, гидролиз, окисление-восста-

новление, декарбонатизация-карбонатизация, дебазация, десили-

кация-ресиликация), биологическое выветривание под действием

живых организмов и их метаболитов.

Физическое (механическое) выветривание. Этот процесс про-

текает под влиянием изменений температуры (тепловое расши-

рение и сжатие минералов), замерзания (расширение) и таяния

(сжатие) попадающей в трещины породы воды, механической

деятельности ветра, воды, льда, истирания в гравитационном

или водном потоке, разрыхляющей деятельности корней рас-

тений. В результате монолитная порода с плотностью 2,5—

2,6 г/см

превращается в рухляк выветривания с плотностью

1,2—1,5 г/см

и порозностью 40—50%. При этом возрастает

общая степень дисперсности материала и резко растет его удель-

ная поверхность, подвергающаяся воздействию химических реа-

гентов.

Химическое выветривание. Первостепенная роль в химических

процессах выветривания принадлежит растворению в воде, воз-

растающему с увеличением степени дисперсности породы. Взаи-

модействие раздробленной породы с водой приводит к переходу

в раствор значительных количеств катионов и анионов — на

первых стадиях выветривания преимущественно силикатов,

алюминатов и карбонатов щелочей и щелочно-земельных метал-

лов, что способствует высокой щелочности растворов на этих

стадиях. Постепенно щелочная реакция среды по мере выщела-

чивания катионов сменяется нейтральной и переходит на зрелых

стадиях выветривания в кислую. Смена этих стадий происходит

быстрее на бедных основаниями кислых породах, чем на бога-

тых или основных. В результате выветривания путем растворе-

ния и выщелачивания граниты могут потерять 30—35% своей

массы, базальты — 75—90, а известняк — до 99%.

При гидратации минералов происходит резкое увеличение их

объема и растворимости. Так, при гидратации ангидрита объем

увеличивается на 50—60%, а растворимость в чистой воде при

20°С возрастает от практического нуля до 2,6 г/л.

Гидролиз минералов, реагирующих с водой, сопровождается

их существенными преобразованиями, например:

СаСО

+ Н

О –> Са (ОН)

+ Са(НСО

)

кальцит

KAlSi

+ Н

O –> КОН + HAlSi

ортоклаз

324

HAlSi

+ 4Н

O –> Al (OH)

+ 3H

SiO

CaAl

+ 2H

O –> Ca (OH)

+ H

анортит

–> 2SiO

• H

O + A1

+ 2H

O –> 2NaOH + H

+ 4SiO

альбит

–> 2SiO

• H

O + Al

Образующиеся при гидролизе первичных минералов раствори-

мые и коллоидные соединения кремния, алюминия и катионы

служат исходным материалом для новообразования вторичных

глинистых минералов, аккумулирующихся в корах выветри-

вания.

Процессы новообразования глинистых минералов в зависимос-

ти от условий дренажа, наличия катионов в растворе и реакции

среды будут идти в различном направлении, что иллюстрируется

следующей схемой Г. Пагеля (1963), дополненной В А Ков-

дой (1973):

Выветривание слюд и их преобразование в глинистые ми-

нералы путем гидролиза и ресинтеза сопровождается прогрес-

сивной потерей калия:

Силикаты:

полевые

шпаты,

агвит,

роговая

обманка,

оливин

Продукты

гидролиза

ионы,

коллоиды

Аллофаны

высокие рН

обогащение

катионами и SiO

затрудненный

дренаж

Монтмориллонит

Иллит

+ К медленное

выветривание

Набухающий

иллит

свободный дренаж

низкий рН

быстры вынос

катионов

Каолинит

Гиббсит

SiO

слюда –> гидрослюда –> иллит –> прреходные –> монтмориллонит,

минералы вермикулит

К,%10 6–8 4–6 3 <1

325

Карбонатизация выветривающегося материала является след-

ствием постоянного присутствия СO

в среде, взаимодейст-

вующего с водой по реакции

+ H

O –> H

–> H

+ HCO

–

Реакция угольной кислоты с минералами приводит к их раз-

рушению с образованием карбонатов, выпадающих в осадок ли-

бо выщелачиваемых водой:

СаAl

+ H

–> СаСО

+ H

анортит

–> 2SiO

• Н

O + Al

SiO

+ Н

СО

–> Na

+ H

O + SiO

S + Н

СО

–> Na

+ H

Чем больше растворено углекислоты в воде, тем интенсивнее

идут процессы карбонатизации.

Декарбонатизация всегда протекает одновременно с карбона-

тизацией в условиях достаточно интенсивного промывного ре-

жима, поскольку образующиеся карбонаты щелочей и гидрокар-

бонаты щелочно-земельных металлов обладают высокой раство-

римостью и интенсивно выносятся. В условиях аридного климата

карбонаты аккумулируются в остаточной коре выветривания.

Реакции декарбонатизации известняков также идут при посред-

стве СO

СаСO

+ СO

+ Н

O–>Са(НСО

)

Окисление является одним из активных процессов выветри-

вания минералов, причем самых разнообразных:

4CaFeSi

+ O

+ 4Н

СО

+ 6Н

O –> 4СаСO

+ 4FeOOH +

авгит + 8H

SiO

2FeS

+ 7O

+ Н

O –> 2FeSO

+ 2H

12FeSO

+ 3O

+ 36H

O –> 4[Fe

(SO

)

•9H

O] + 2Fe

4FeS

+ 15O

+ 10H

O –> 4FeOOH + 8H

Окислительные процессы ведут обычно к сильному подкисле-

нию среды и интенсивному выносу катионов в условиях доста-

точного увлажнения.

Восстановление играет существенную роль в выветривании

минералов, содержащих элементы с переменной валентностью

в окисленной форме. Этот процесс часто идет при участии хемо-

трофных микроорганизмов в условиях дефицита кислорода.

Десиликация пород особенно интенсивна на первых стадиях

выветривания, когда освобождающийся при гидролизе силика-

тов кремний образует растворимые или подвижные коллоидные

326

соединения, легко мигрирующие в щелочной среде. При доста-

точной длительности и интенсивности выветривания, как, напри-

мер, во влажных тропиках или субтропиках, выветривающиеся

породы могут потерять до 80—90% исходного содержания крем-

ния, а остаточная кора выветривания будет постоянно обога-

щаться оксидами алюминия и железа.

Большой агрессивностью по отношению к минералам обла-

дают продуцируемые организмами и выделяемые в среду органи-

ческие кислоты — щавелевая, яблочная, лимонная и т. д., а так-

же гумусовые кислоты, особенно фульвокислоты. Поскольку,

как установил Б. Б. Полынов, стерильного выветривания в при-

роде не бывает, организмам принадлежит существенная роль во

всех трансформациях минералов и образовании подвижных

продуктов, выветривания.

Минералы горных пород в различной степени подвергаются

процессам выветривания. По своей устойчивости к выветриванию

они образуют следующие ряды:

гипс < калиевые полевые шпаты < доломит

« оливин < анортиг < апатит < авгит < роговая обманка < альбит

< биотит < мусковит < ортоклаз

« кварц < магнетит < циркон

Для суждения о степени выветрелости породы в коре вы-

ветривания было предложено несколько индексов:

1) индексы Руге:

кварцево-полевошпатовый (в %):

= кварца/полевых шпатов; (74)

индекс тяжелых минералов (в %):

= циркона + турмалина/ (амфибилов + пироксенов) ;(75)

2) индексы Гарассовица (молекулярные отношения):

ki = SiO

/Al

; (76)

bа = К

О + Na

O + СаО + MgO/Аl

; (77)

= К

O + Na

O/Al

; (78)

= CaO + MgO/Al

; (79)

β = ba

коры выветривания/ba

породы; (80)

γ=ba

коры выветривания/ba

породы; (81)

3) элювиально-аккумулятивный коэффициент Роде:

ЕА

= R

– 1 (82)

(где R

— содержание оксида R в коре выветривания, %; R

—

то же, в породе; S

— содержание стабильного оксида — свиде-

теля в коре выветривания, %; S

— то же, в породе).

Есть и более надежные, но весьма трудоемкие способы опре-

деления степени выветрелости породы и соответствующей сте-

327