Вся электронная библиотека      Поиск по сайту

 

ПЕРЕЛЬМАН. БИОКОСНЫЕ СИСТЕМЫ

КОРА ВЫВЕТРИВАНИЯ

 

Александр Ильич Перельман

 

Смотрите также:

 

Перельман - Геохимия ландшафта

 

Перельман - Круговорот атомов в геологии

 

Живое и биокосное вещество в биосфере

 

Биокосные системы. Формирование осадочных пород

 

Геология

геология

Основы геологии

 

Геолог Ферсман

 

Геохимия - химия земли

 

Гидрогеохимия. Химия воды

 

Минералогия

минералы

 

Почва и почвообразование

 

Почвоведение. Типы почв

почвы

 

Химия почвы

 

Круговорот атомов в природе

 

Книги Докучаева

докучаев

 

Происхождение жизни

 

Вернадский. Биосфера

биосфера

 

Биология

 

Эволюция биосферы

 

растения

 

Геоботаника

 

 Биографии геологов, почвоведов

Биографии почвоведов

 

Эволюция

 

Геохимические идеи в изучении коры выветривания.

 

В XX в. методология геохимии оказала большое влияние на изучение процессов выветривания и коры выветривания.

 

Возникло особое научное направление — геохимия коры выветривания, основателем которого был Б. Б. Полынов (1877—1952). Он начинал свою деятельность в качестве почвоведа-географа, проводя обследование почв Черниговской губернии и совершенно в то время не изученной Тырминской горной тайги на Дальнем Востоке (район нынешней трассы БАМа).

 

В 1917 г. в журнале «Природа» была напечатана статья ученого «Кора выветривания и почва», а в 1934 г. Академия наук опубликовала широко известную монографию «Кора выветривания», в которой была изложена новая геохимическая концепция развития этой биокосной системы. Геохимические подходы к выветриванию наблюдались и в более ранних работах — в трудах основателей геохимии Вернадского и Ферсмана, Коссовича, немецких ученых Гаррасовитца и Бланка, американцев Ван-Хайза и Смита. Но только в работе Полынова эта концепция была разработана глубоко и детально, как самостоятельное направление науки.

 

Первый вопрос, который рассмотрел Полынов, касался интенсивности миграции химических элементов при выветривании изверженных пород. Еще американский геолог Смит в 1917 г. применил оригинальный прием для решения этого вопроса. Он сравнил средний состав изверженных пород со средним составом речных вод, дренирующих такие породы, и пришел к выводу, что быстрее всего при выветривании покидают породы хлор и сера, затем кальций, натрий и марганец и слабее всего мигрируют железо и алюминий. Смит не развивал далее это направление научной мысли, и его труды не привели к разработке самостоятельной научной теории.

 

Б. Б. Полынов использовал пересчет Смита, развил его, но самое главное — положил в основу теории формирования коры выветривания (табл. 2).

 

Вот что писал сам ученый: «Мы видим, что состав растворенной в речной воде минеральной части су щест венно отличается от состава тех пород, которые отдают воде свои минеральные части. Мы видим, что хлор, составляющий ничтожную часть массы свежих, не тронутых выветриванием, первичных пород, в минеральном остатке речной воды превышает 6%. Это произошло, понятно, не потому, что в речную воду попал откуда-либо новый хлор, но потому, что его соединения в породах растворились в воде гораздо скорее, чем соединения других элементов.

 

Представим себе, что в некоторый определенный срок времени какая-либо определенной величины масса горной породы отдает в раствор речной воды весь заключавшийся в ней хлор. Если бы соединения серы этой породы обладали бы такой же подвижностью, как и соединения хлора, то количество SO*"", растворенного в речной воде, должно было быть в три раза больше, чем количество хлора, как это мы наблюдаем в составе горных пород (0,15 : 0,05=3), т. е. оно должно было бы составлять 20,25% всего минерального остатка. В действительности же оно, как мы видим, составляет только 11 >6%, т. е. сера, выраженная в ионахперешла за этот жепромежуток времени в раствор лишь в количестве 57% ее массы, заключенной в горной породе. Распространяя этот прием исчисления на все другие соединения и элементы, мы получаем числа, приведенные в 3-м столбце. Мы видим, что числа можно расчленить на несколько групп соответственно их порядку. Расположенные таким образом, они дают ясное представление о последовательных фазах, которые переживают накопления продуктов выветривания

 

Первая фаза знаменуется тем, что продукты выветривания лишаются соединений хлора и серы. Само собой разумеется, что с этими анионами уходит и некоторое количество катионов, но значительная часть последних остается еще связанной с другими анионами и главным образом, понятно, в форме силикатов.

 

Во второй фазе продукты выветривания, уже лишенные соединений хлора и серы, лишаются щелочных и щелочноземельных оснований.

 

Эта фаза расчленяется на две стадии, соответственно более высокой подвижности кальциево-натриевых соединений по сравнению с магнезиально-калийными.

 

В третьей фазе лишенные в значительной части щелочных и щёлочноземельных оснований продукты выветривания лишаются кремнезема силикатов. И, наконец, в последней — четвертой стадии, когда продукты выветривания слагаются почти исключительно полуторными окислами, последние также подвергаются большему или меньшему перемещению».

 

В дальнейшем автор показал, что об интенсивности миграции химических элементов можно судить по отношению их содержания в минеральном остатке вод (речных, грунтовых, подземных) к содержанию в горных породах.

 

Это отношение —коэффициент водной миграции (К^) — рассчитано для большинства химических элементов; установлена его связь с показателем, используемым Полыновым.

Как следует интенсивность миграции элементов колеблется в очень больших пределах — хлор и сера выщелачиваются в тысячи раз быстрее, чем кремний, алюминий, железо. Поэтому общая тенденция фор- мирования коры выветривания — вынос наиболее под- движных элементов и относительное накопление наименее подвижных, особенно кремния, алюминия, железа.

 

Часть химических элементов поступает в воды не только за счет выветривания горных пород, но и из атмосферы, с осадками. Это особенно относится к хлору и сере, которые получили наименование «циклические элементы». Их связь с атмосферными осадками отмечалась еще П. С. Коссовичем, Г. Н. Высоцким, американским геохимиком Е. Коивеем и многими другими учеными. Важную роль серы атмосферных осадков в питании речных и грунтовых вод показали Ф. В. Чухров с сотрудниками с помощью изотопных измерений (изучалось отношение g32 . g34 в различных водах). Поэтому интенсивность водной миграции хлора и серы, определенная с помощью пересчетов, вероятно также фтора, брома, йода и некоторых других элементов, несколько завышена. Однако поправки на «атмосферный принос» не меняют принципиальной стороны выводов Полынова: при выветривании интенсивность выноса элементов резко различна, она колеблется на несколько порядков и в той последовательности, которая была намечена уже первыми работами Смита (железо, алюминий наименее подвижны, хлор, сера — наиболее).

 

Большая заслуга Полынова состояла в том, что он широко применил концепцию развития при изучении коры выветривания, положил в основу своей теории. Ученый- полагал, что выветривание изверженных пород проходит ряд стадий от обломочной обызвесткованной (вынесены только хлор и сера) до сиаллитной (вынесена значительная часть катионов) и аллитной (вынесена большая часть катионов, кремнезема, в коре накапливаются гидроокислы алюминия и железа). Следовательно, по Полы- нову, направление выветривания, тенденция выветривания едины, но различия в климате определяют скорость процесса и конечную стадию — в пустыне аллитная стадия не достигается (табл. 4, 5).

 

Кора выветривания и почвы постоянно подвергаются воздействию поверхностных и подземных вод (почвенных, грунтовых), верхние горизонты почвы смываются. За счет их размыва и переотложения, а частично и за счет размыва невыветрелых пород в понижениях рельефа образуются различные континентальные отложения — делювий (отложения склонов), аллювий (речные отложения) и др. В этих отложениях аккумулируется часть растворенных соединений, вынесенных из коры выветривания (12).

 

Полынов создал представление о закономерном геохимическом сопряжении коры выветривания (элювия) и континентальных отложений. Так, например, в сухих степях и пустынях элювий относится ко второй фазе и содержит СаС03 (обломочная обызвесткованная кора), а в континентальных отложениях накапливаются продукты первой фазы — легкорастворимые хлориды и сульфаты (13).

 

В таежной зоне элювий в своем развитии достигает третьей фазы и производные аккумуляции имеют глинистый состав.

 

Кору выветривания изверженных и метаморфических пород Полынов назвал ортоэлювием. Изверженные породы формировались в условиях, отличных от земной поверхности, и поэтому они изменяются особенно сильно. Кора выветривания резко отличается от материнской породы.

 

Для развития элювия характерна обломочная стадия, которая в горных и аридных районах существует неопределенно долгое время.

 

Производными от ортоэлювия являются ортоделювий, ортопролювий, ортоаллювий и другие континентальные отложения.

Кора выветривания морских осадочных пород называется параэлювием. Изменение осадочных пород при выветривании по сравнению с изверженными породами часто менее значительно. Поэтому кора выветривания не всегда резко отличается от материнских пород (например, при выветривании глин), но все же некоторые типы осадочных пород сильно изменяются на земной поверхности, особенно в условиях влажного климата. Обломочная стадия при выветривании глин отсутствует.

 

Для параэлювия характерны те же геохимические типы коры выветривания, что и для ортоэлювия, однако нередко они отмечены специфическими особенностями. Кроме того, имеются еще и новые геохимические типы: соленосный элювий, элювий гипсоносных пород («гипсовая шляпа») и др. Производными от параэлювия являются параделювий, парааллювий и другие континентальные отложения.

 

Элювий континентальных отложений именуется неоэлювием. Эти отложения образовались на земной поверхности или в водоемах суши. Поэтому неоэлювий часто выражен неотчетливо, так как континентальные отложения сами являются переотложенными продуктами выветривания и в элювиальных условиях изменяются слабо. Нередко выветривание захватывает только почвенную толщу, и кора выветривания не образуется. Но все же имеются случаи достаточно резкого проявления выветривания, например образование кислой коры на лессовидных суглинках в таежной зоне. При этом суглинки теряют карбонаты и приобретают бурую окраску. Континентальные отложения, производные от неоэлювия, в общем, аналогичны производным от параэлювия. В отдельных случаях можно говорить о неоделювии, неопролювии с особыми геохимическими свойствами (отложения некоторых содовых озер и др.).

 

В итоге Полынов создал представление о трех циклах формирования коры выветривания - фазах развития элювия и их производных неглиноземных и кремнежелез- ных систем в пределах сиаллит- ной коры выветривания

 

До сих пор мы в основном рассматривали явление выноса химических элементов из коры выветривания. Однако в коре выветривания протекают и прямо противоположные процессы аккумуляции веществ, поступающих из атмосферы. Это в первую очередь относится к кислороду воздуха, воде, углекислому газу, а также хлору и сере.

 

Кора выветривания — это область широкого развития процессов окисления. Например, железо, марганец и сера в изверженных породах в основном находятся в двухвалентной форме Fe2+, Mn2+, S2~, а в коре выветривания, окисляясь, дают соединения Fe3+, Mn4+, S6+(Fe203, Mn02, Na2S04, CaS04 и т. д.). Не менее характерны для коры выветривания и процессы гидратации — почти все вторичные минералы содержат воду (гидратную, кристаллизационную и др.), в то время как в большей части первичных минералов ее нет. В районах с засушливым климатом для коры выветривания характерно также образование различных карбонатов, главным образом СаС03.

 

Такие химические элементы горных пород, как кальций, натрий, калий, магний, сера и хлор, в процессе выветривания сравнительно легко покидают кристаллические решетки первичных минералов (полевых шпатов, слюд и т. д.) и образуют в коре выветривания простые легко- и труднорастворимые соли (CaC03, Na2S04, NaCl и т. д.). Часть атомов этих элементов находится в природных водах в виде простых или комплексных ионов (Na+, Са2+, SOf"*, С1" и т. д.), а часть поглощается организмами и коллоидными системами. В отличие от этих элементов окислы кремния, алюминия, железа, титана и марганца, составляющие 84,11% земной коры, значительно хуже растворимы, в связи с чем содержание их в природных водах, а также в организмах значительно ниже; они образуют меньше растворимых солей. В ходе выветривания эти элементы чаще всего дают богатые водой коллоидные осадки (гели), со временем теряющие часть воды и приобретающие упорядоченную (кристаллическую) структуру. Если кристаллическая структура былых гелей обнаруживается невооруженным глазом или под микроскопом, то они называются метаколлои- дами. Поскольку элементов, второй группы в земной коре значительно больше, чем первой, преобладающая часть твердых продуктов выветривания находится в коллоидном или метаколлоидном состоянии, а меньшая — в виде простых солей. Некоторые формы коры выветривания практически не содержат простых солей.

 

Таким образом, коллоидное и метаколлоидное состояние вещества чрезвычайно характерно для коры выветривания: при интенсивном выветривании почти все твердые составные части коры находятся в коллоидном состоянии или же при своем образовании проходят через коллоидное состояние. Таковы многочисленные глинистые минералы, гидроокислы кремния, железа, алюминия и марганца, гумусовые вещества и др. Впервые в очень яркой форме эту мысль выразил крупный австрийский минералог Ф. Корню. «Подобно коре, окружает земной шар царство гелей», — писал ученый в 1909 г.

 

Применение электронного микроскопа, рентгенографии и других методов изучения вещества позволило разобраться в казавшейся во времена Корню «бесформенной массе минеральных коллоидов», выделить среди них минералы, создать особую отрасль минералогии — коллоидную минералогию, имеющую большое практическое значение.

 

Большие изменения произошли во взглядах на механизм выветривания силикатов изверженных пород — их превращения в глины. Е. Г. Куковский развивает представление о том, что эти процессы протекают в твердом веществе, в результате диффузии («дрейфа») ионов. Важная роль придается поверхностным явлениям на границе минерал—раствор, в построениях учитываются размеры ионов, строящих кристаллическую решетку глинистых минералов. В решении всех этих сложных и тонких вопросов огромная роль принадлежит кристаллохимии — науке, изучающей положение ионов и атомов в кристалле, их взаимные связи.

 

 

 

К содержанию книги: Биокосные системы Земли

 

 

Последние добавления:

 

БИОЛОГИЯ ПОЧВ

 

Вильямс. Травопольная система земледелия

 

История русского почвоведения

 

Качинский - Жизнь и свойства почвы

 

Вернадский - ЖИВОЕ ВЕЩЕСТВО