Выветривание представляет собой совокупность процессов физического разрушения и химического разложения минералов и горных пород на месте их залегания, вызванных колебанием температуры, химическим воздействием воды, газов – кислорода и углекислоты (находящихся в атмосфере и растворенных в воде), биохимическим воздействием организмов в процессе их жизнедеятельности и продуктов их разложения после отмирания.
В верхней части земной коры, где горные породы находятся в условиях тесного взаимодействия с атмосферой, гидросферой и биосферой, они претерпевают значительные и разнообразные изменения в своем составе и состоянии. Преобладающее большинство горных пород образовалось в специфических термодинамических условиях в глубине Земли, в зонах активности магмы и процессов метаморфизма, или же на дне моря. Попадая на земную поверхность, они оказываются в новой физико-химической обстановке, становятся неустойчивыми и под воздействием различных факторов начинают разрушаться. Это изменение горных пород протекает различно.
В одних случаях оно сводится к распадению горной породы на обломки различной величины или даже на отдельные составляющие ее минералы. В других же случаях под влиянием ряда химических агентов происходит коренное изменение минералов и горных пород с появлением совершенно новых, отличных от первоначальных минералов. В зависимости от факторов, воздействующих на горные породы, и результатов этого воздействия процессы выветривания с некоторой условностью подразделяются на два типа:
- физическое выветривание,
- химическое выветривание.
Оба типа выветривания теснейшим образом связаны друг с другом, действуют совместно и одновременно, и только интенсивность проявления каждого из них неодинакова. Она зависит от климата, рельефа, тектоники, продолжительности процесса, состава горных пород и других факторов. Иногда выделяют третий тип – органическое выветривание. Однако роль организмов и их воздействие на горные породы сводится или к физическому, или к химическому процессам. Следовательно, органическое выветривание можно отнести к выделенным типам.
Физическое выветривание вызывается разнообразными причинами, однако решающая роль принадлежит факторам, обусловливающим механическое движение частиц породы. Это приводит к нарушению взаимного сцепления составных частей горной породы. В зависимости от природы воздействующего фактора характер процесса разрушения горных пород при физическом выветривании будет каждый раз особым. В одних случаях движение происходит внутри самой горной породы без участия внешнего механически действующего агента. Сюда относится изменение объема составных частей породы, вызываемое изменением температуры. Такое явление может быть названо температурным выветриванием. В других случаях расчленение горных пород происходит под механическим воздействием посторонних агентов – раскалывающее действие замерзающей воды, растущих кристаллов, корневой системы деревьев и т.п. Такое явление может быть названо механическим выветриванием.
Химическое выветривание представляет собой результат взаимодействия горных пород наружной части литосферы с химически активными элементами атмосферы, гидросферы и биосферы. Наибольшей химической активностью отличаются следующие вещества: вода, кислород, углекислота и органические кислоты, с воздействием которых и связано в основном химическое выветривание. Из них важнейший фактор – вода, которая в той или иной степени диссоциирована на положительно заряженные водородные ионы H+ и отрицательные гидроксильные ионы OH–. Высокая концентрация водородных ионов в растворах способствует ускорению процессов выветривания. Кроме того, с водой связано развитие растительности и другой органической жизни, что обусловливает действие остальных агентов O2, CO2 и органических кислот, обладающих большой активностью. Их присутствие в водном растворе в несколько раз повышает диссоциацию воды. Особенно возрастает интенсивность химического выветривания при повышении температуры, вызывающем увеличение концентрации водородных ионов, т.е. степени кислотности воды.
Количественно кислотность и щелочность среды характеризуются обычно показателем pH, значения которого равны взятому с обратным знаком десятичному логарифму концентрации водородных ионов. У воды с нейтральной реакцией pH равно 7, с кислой реакцией – меньше 7, с щелочной реакцией – больше 7. В зависимости от реакции среды в процессе выветривания возникают те или иные характерные ассоциации минералов. Наиболее благоприятные условия для химического выветривания существуют в гумидных областях и особенно влажных тропических и субтропических зонах, в которых имеет место сочетание большой влажности, высокой температуры и огромного ежегодного отпада органической массы (в тропических лесах), в результате разложения которой значительно возрастает концентрация улекислоты и органических кислот, а, следовательно, возрастает и концентрация водородных ионов. Процессы, протекающие при химическом выветривании, могут быть сведены к следующим основным химическим реакциям:
- окислению,
- гидратации,
- растворению,
- гидролизу.
Свойства рыхлых пород в значительной степени зависят от размера и соотношения составляющих их частиц. Соотношение частиц разного размера, выраженное в процентах, называется механическим составом, а отдельные частицы более или менее одинакового размера — механическими элементами. Механический состав почвы существенно влияет на ее водные, воздушные, механические и химические свойства, а также отражает минеральный состав. Камни, галька и хрящ обладают «провальной» водопроницаемостью и образуются из крупных обломков первичных минералов и горных пород. Песок состоит преимущественно из первичных минералов, быстро пропускает воду, плохо ее удерживает, поэтому песчаные отложения обычно хорошо аэрированы. По мере уменьшения размеров песчаных частиц уменьшается скорость впитывания воды и увеличивается влагоемкость.
Пыль содержит значительное количество вторичных минералов, которые в присутствии воды могут разбухать, в таком случае появляются новые свойства почв—пластичность и липкость.
Ил содержит вторичные глинистые минералы, очень сильно разбухающие в воде и почти не пропускающие воду и воздух. Илистые частицы обладают коллоидными свойствами: имеют заряд, способны к обменным реакциям, свертываются под влиянием солей. Именно они в основном удерживают в поглощенном состоянии элементы питания.
Таким образом, механические элементы в зависимости от размера обладают совершенно различными физическими свойствами и химическим составом. Поэтому очень важно знать количество механических элементов того или иного размера в горной породе или почве.
Для характеристики механического состава почв используют двух- и трехчленные классификации почв по механическому составу. В настоящее время для классификации почв и грунтов используют трехчленную классификацию Н. А. Качинского. Однако самое большое распространение имеет двучленная классификация почв, разработанная сначала Н. М. Сибирце-вым, а затем Н. А. Качинским.
В двучленной классификации выделяют две группы частиц:
- физический песок — более 0,01 мм,
- физическую глину — менее 0,01 мм.
В трехчленной — три:
- песок 1,0—0,05 мм,
- пыль 0,05—0,001 мм,
- ил — менее 0,001 мм.
Почвы разного механического состава обладают различной пластичностью в зависимости от содержания физической глины, т. е. способностью скатываться в шнур, шар и т. д. Используя это качество, разработали простые способы определения механического состава почв в лесу или поле. Для того чтобы определить механический состав почв полевым методом, образец (комочек) увлажняют до тестообразного состояния, а затем раскатывают ладонями.