Экзогенные процессы

Экзогенные процессы — это процессы разрушения, переноса и отложения горных пород и минералов, происходящие на поверхности Земли под влиянием сил денудации — тепла, воздуха, ветра, воды и льда, силы тяжести.

Процесс разрушения и изменения минералов и горных пород, находящихся на земной поверхности и вблизи от нее, который происходит под влиянием солнечных лучей, механического и химического воздействий воздуха и воды, а также благодаря жизнедеятельности растений и животных, называется выветриванием.

Продукты разрушения горных пород, перемещаются с возвышенностей в понижения рельефа благодаря силе тяжести, работе воды, ветра и движущихся ледников. Этот процесс перемещения продуктов разрушения называется  денудацией.

С денудацией тесно  связан процесс аккумуляции, представляющий собой сумму всех процессов накопления осадков в понижениях рельефа.

Благодаря совместному  действию процессов выветривания, денудации  и аккумуляции в течение длительного  времени происходит выравнивание рельефа  суши.

Различают три типа выветривания:

1. Физическое (механическое);
2. Химическое;
3. Органическое;

Эти процессы действуют, как правило, одновременно.

1. Физическое выветривание – это процесс превращения горных пород в обломки различной величины (глыбы, щебень, песок) без изменения химического состава.

Главные факторы физического выветривания: инсоляция, то есть нагревание поверхности горных пород солнечными лучами , температурные колебания (суточные и сезонные), действие замерзающей воды, ветра и др.

Этот процесс  может протекать двумя путями, вследствие чего выделяют два типа физического выветривания:

1. температурное ;
2. морозное.
1. Температурное выветривание характерно для районов с резкими колебаниями суточных температур (например, пустыни или высокогорные районы). Здесь днем поверхность горных пород нагревается до +60…70 ⁰ С, а ночью, благодаря большому излучению, охлаждается до 0⁰ С и ниже. Вследствие попеременного нагревания и остывания горных пород на поверхности постоянно изменяется их объем, чему способствует также окраска горных пород, их строение и влажность. Так, например, темноокрашенные породы нагреваются солнечными лучами быстрее светлоокрашенных, а охлаждаются те и другие примерно одинаково. Из-за неравномерных изменений объема различных горных пород, а также слагающих их минералов происходит растрескивание породы. Появившиеся мелкие трещины с течением времени увеличиваются в длину и ширину, и горная порода распадается на отдельные глыбы или более мелкие частицы.

Породы со слоистой или сланцеватой текстурой под  влиянием инсоляции распадаются по плоскостям на плитки, расслаиваются, разлистовываются. Слоистая толща осадочных пород, например, песчаников, имеющих различную степень цементации, выветривается неоднородно. Одни слои легко распадаются на мелкий щебень, дресву и песок, другие долго сохраняют свою монолитность. Плотные, трудно выветриваемые породы сохраняются в виде выступов, легко выветриваемые осыпаются и на их месте образуются впадины. В результате возникает очень характерная скульптура выхода пород, называемая формами выветривания. Такими формами выветривания являются различные выступы, карнизы, столбы, останцы причудливой формы и др.

Полиминеральные горные породы (граниты, гнейсы) разрушаются  быстрее, так как у разных минералов, входящих в их состав, неодинаковые величины коэффициентов объемного расширения, в силу чего постепенно нарушается сцепление минеральных зерен и порода рассыпается на отдельные обломки (процесс дезинтеграции).

2. Морозное выветривание происходит под действием воды при температурах ниже 0⁰ С. Вода проникает в мелкие трещины горных пород и при отрицательной температуре замерзает в них, увеличиваясь при этом в объеме на 10-11 %. Она оказывает на стенки трещин большое давление, трещины постепенно расширяются и даже самые прочные породы со временем распадаются на обломки той или иной величины.

Таким образом, физическое выветривание преобладает  в условиях сухого континентального климата (пустыни) с резкими суточными  изменениями температуры, проявляясь в форме инсоляции и особенно широко развито в высокогорных и  субполярных областях в виде морозного выветривания.

 В результате  физического выветривания образуются  особые формы ландшафта. Если  выветривание происходит в горной  области, где имеются плоские,  горизонтальные поверхности, то  продукты выветривания накапливаются на них в виде глыб и более мелкого дресвяного материала. В результате создаются элювиальные россыпи и ландшафты беспорядочного нагромождения глыб, получившие название «каменных морей».

Элювий (лат. "элюо" - вымывать) - это осадок, не подвергшийся переносу, то есть накапливающийся в результате разрушения породы на месте.

Типичными областями  физического выветривания являются каменистые пустыни, или, как их называют в Сахаре, гаммады. Это области  обнаженных горизонтально лежащих  пластов, образующих террасообразные поверхности с вертикальными уступами между ними. На краю уступов пласты расчленены на останцы конусовидной формы. Понижения между останцами покрыты россыпями каменных глыб и щебнем. Более мелкий материал дробления пород — песок и пыль — уносится отсюда ветром, но благодаря почти полному отсутствию поверхностных текучих вод грубообломочные продукты физического выветривания накапливаются здесь в громадных количествах.

В процессе физического  выветривания из массивных пород  высвобождаются многие стойкие минералы, являющиеся полезными ископаемыми (Au, Pt, касситерит, шеелит, алмазы) и образуют россыпные месторождения.

 

Химическое выветривание представляет собой процесс разрушения горных пород под влиянием химического воздействия воздуха и воды. Особенно большое значение в этом процессе имеет вода, содержащая углекислоту и другие вещества. Она способна растворить или химически изменить почти все минералы и горные породы.

Химическое  выветривание может быть выражено несколькими  типами, главные из которых:

1. растворение,
2. окисление,
3. восстановление,
4. карбонатизация.

Растворение происходит под действием воды, насыщенной атмосферным СО₂, стекающей по поверхности выхода горной породы или просачивающейся через её трещины и поры. При этом она избирательно выносит (выщелачивает) из породы только некоторые вещества.

Са(Мg,K,Na) + H2O + CO2 = Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2.

Сильнее всего  растворяются хлориды (галит, сильвин), далее сульфаты (гипс), карбонаты (известняки, доломиты). В зависимости от величины частиц, на которые распалось вещество горной породы, различают 2 типа растворов: истинные (кристаллоидные) и коллоидные.

В первом типе раствора вещество распадается до молекул и ионов. В таком растворе молекулы или ионы растворённого вещества обладают такой же подвижностью, что и молекулы растворителя - воды, что обеспечивает равномерное распределение вещества во всей массе растворителя (диффузию). Особенностью данного типа растворов является то, что при определённом насыщении растворённое вещество выпадает из них в осадок в твёрдом кристаллическом состоянии, т.е. превращается в минерал.

Во втором типе раствора (греч. "колля" - клей) вещество распадается лишь до частиц, превышающих размеры молекул. Эти частицы представляют собой сочетание многих молекул или мелкие обломки кристаллических решёток минералов размером 0,001-0,2 мкм. Коллоиды могут быть жидкие, вязкие и студнеобразные. Коллоиды способны свёртываться (коагулировать) под влиянием электролитов - водных кристаллоидных растворов, распадающихся на ионы и способных поэтому проводить электрический ток. Свойствами электролитов обладают растворы NaCl, HCl, H2SO4, HNO3, KOH, NaOH, медного и железного купороса, соды, поташа и др.

Под влиянием электролитов частицы  коллоида слипаются в хлопья и  комочки, которые начинают осаждаться, образуя гель - вещество, имеющее свойства твёрдого тела. Образование коллоидных растворов зависит от сложного сочетания физико-химических факторов и подчиняется иным закономерностям, нежели обычное растворение. Именно в форме коллоидных растворов выносится огромное количество продуктов химического выветривания, способствуя тем самым разложению минералов. Учитывая это можно сказать, что абсолютно нерастворимых веществ в природе вообще нет и что процесс растворения в той или иной форме участвует в выветривании любых минералов и горных пород.

При активном участии растворения  идёт гидролиз - разложение минералов с выносом части образующихся продуктов и сопровождающийся гидратацией.

Окисление и гидратация. Окислению подвержены в первую очередь минералы, содержащие Fe, S, V, Mn, Ni, Co и др. Факторами окисления являются кислород воздуха и вода. В присутствии влаги закиси металлов, входящие в состав минералов, легко переходят в окиси, сульфиды - в сульфаты.  
Так, пирит (FeS₂) под действием кислорода и воды превращается вначале в сульфат закиси железа с образованием свободной серной кислоты.

2FeS₂ + 7O₂ + 2H₂O = 2FeSO₄ + 2H₂SO₄

Сульфат закиси железа неустойчив и переходит в  сульфат окиси железа:

4FeSO₄ + 2H₂SO₄ + O₂ = 2Fe₂(SO₄)₃ + 2H₂O

Последний, гидролизуясь, образует гидроокись железа:

Fe₂(SO₄)₃ + 6H₂O = 2Fe(OH)₃ + 3H₂O

Гидроокись железа выпадает в виде геля, который дегидратизируясь, переходит в лимонит(Fe₂O₃◦nH₂O) и другие окислы железа. Образующийся в этом случае лимонит может воспроизвести форму замещаемого кристалла пирита, возникает псевдоморфоза лимонита по пириту.

Гидратация - поглощение минералами воды.

В природных  условиях ангидрит CaSO₄ может, присоединяя воду, переходить в гипс CaSO₄2◦H₂O.

CaSO4 + 2H2O = CaSO4*2H2O

                                    ангидрит           гипс

В жарком климате  в результате интенсивного прогревания  солнечными лучами и испарения влаги  вода легко отнимается от окислов Fe. При окислении железа, содержащегося  в горной породе, здесь образуются бедные водой или лишённые воды минералы группы гематита (Fe₂O₃ или 2 Fе₂0₃ • Н₂0), имеющие красную окраску. Поэтому почвы коры выветривания тропической области характеризуются красной окраской и способны быстро твердеть при высыхании. Такие образования называются латеритами (лат. "латер" - кирпич). В латеритах присутствуют глинозём Al2O3 и гидроокислы железа.

Т.е. гематит Fe₂O₃, присоединяя воду, переходит в лимонит.

2 Fе₂0₃ + ЗН₂О = 2Fе₂0₃ • ЗН₂О.

гематит   лимонит

Карбонатизация представляет собой процесс присоединения углекислоты к продуктам изменения горных пород, приводящий к образованию карбонатов Ca, Fe, Mg и др. Подавляющее большинство карбонатов довольно хорошо растворимы в воде и поэтому выносятся ею из формирующейся коры выветривания в подстилающие породы, где часто из них отлагается, образуя стяжения (конкреции). Много карбонатов выносится в грунтовые воды, обусловливая их жёсткость, т.е. неспособность смывать жиры и давать пену в соединении с жиром.

СаAl₂SiO₈ (анортит) + H₂CO₃ = CaCO₃ + H₂Al₂Si₂O₈ (глина).

Полевые шпаты, при воздействии на них воды и  углекислоты, разлагаются, образуя каолинит и опал:

2K[AlSiO₃O₈] + nH₂O + CO₂ = Al₂(OH)₄[Si₂O₅] + K₂CO₃ + 4SiO₂◦nH₂O

ортоклаз                                            каолинит        опал

Дальнейший гидролиз каолинита приводит к его разложению и образованию латерита:   
Al₄ [Si₄ O₁₀](OH)₈ = H₂Al₂O₄ + SiO₂ *nH₂O  
          Латерит

Аналогично могут  разлагаться в природных условиях и другие алюмосиликаты, причем особенно интенсивно разрушаются железо-магнезиальные силикаты – оливин, роговая обманка, авгит. При этом происходит переход связанного в них железа из закисного в окисное с образованием лимонита, выпадение опала, а также возникновение растворимых карбонатов и бикарбонатов кальция магния. В результате выветривания изверженных пород освобождается большое количество химических элементов, образующих различные минералы кор выветривания, речных, морских и озерных осадков: алюминий, барий, бор, железо, золото, калий, кальций, кремний, магний, марганец, медь, молибден, натрий, никель, ртуть, свинец, сера, сурьма и др.

Восстановление  является процессом, обратным окислению и заключается в потере веществом части или всего содержащегося в нём химически связанного кислорода. В условиях поверхности суши свободный кислород, содержащийся в атмосфере и водных растворах, обычно приводит к окислению продуктов выветривания и восстановление при этом не может проявляться. Оно участвует в выветривании там, где нет свободного кислорода. В условиях болот все поры пород и покрывающей их рыхлой коры выветривания заполнены водой, в которую за счёт отмирания болотной растительности поступает много органических веществ. Все они являются сильными восстановителями, так как легко соединяются с кислородом при своём разложении. При этом не только используется весь растворённый в воде кислород, но и отнимается часть его, химически связанная в минералах породы. В результате этого окись железа Fe2O3 переходит в закись FeO, гидраты которой имеют зеленоватый цвет. Возникает серо-зелёная или сизая глинистая масса, подстилающая обычно торфяники и называемая в почвоведении глеем. Процесс его образования называется оглеением. Наряду с этим при выветривании в восстановительной среде может происходить и образование ряда минералов, бедных или лишённых О₂ и обычно отсутствующих в коре выветривания (пирит и др.).

В результате химического  выветривания образуются такие ценные полезные ископаемые, как каолин, бокситы, некоторые железные руды.