1.2. Процеси вивітрювання та їх значення для ґрунтоутворення

Початок ґрунтоутворюючого процесу стає можливим лише на достатньо рихлій подрібненій масі, яка здатна утримувати певну кількість вологи, поживних елементів, пропускати повітря, і утримувати кореневі системи рослин. Таких властивостей гірські породи набувають в результаті досить тривалого вивітрювання.

Вивітрювання (гіпергенез) гірських порід - складний процес їх подрібнення і зміни хімічного складу під впливом перепадів температури, дії вітру, розклинюючої дії води (льоду), що замерзає у тріщинах, хімічної взаємодії складових порід - мінералів з водою, вуглекислотою і з утворенням нових вторинних мінералів, водороз-чинних солей, вільного кремнезему та інших сполук.

Виділяють три форми вивітрювання (в залежності від дії зов-нішнього природного фактора, що переважає) - фізичне, хімічне та біологічне. Найчастіше різні його форми поєднуються, доповнюючи або посилюючи одна одну.

Фізичне вивітрювання гірських порід і мінералів - це механічне подрібнення гірських порід і мінералів майже без зміни їх хімічного складу. Основні фактори фізичного вивітрювання зумовлюють руйнування магматичних порід, їх подрібнення: зміна об’єму при коливанні температури нагрівання і охолодження порід і мінералів, розклинююча дія води і кристалів солей, дія морських хвиль (у прибережній зоні), рух води, повітря і льодовиків.

Гірські породи складаються з мінералів: граніт (порода) містить кварц, слюди і польові шпати. Різним мінералам властиві неоднакові коефіцієнти об’ємного розширення або зменшення об’єму при почерговому їх нагріванні-охолодженні (так кварц має коефіцієнт температурного розширення удвічі більший як ортоклаз і т.п.). Тому при перепадах температур породи розтріскуються і перетворюються на уламки - рухляк вивітрювання.

Перехід води з рідкого у твердий стан при замерзанні супро-воджується збільшенням її об’єму (до 1/10 від початкової). Вода, що замерзає у тріщинах, чинить тиск на їх стінки і продовжує розкли-нювати породу. До тріщин з льодом продовжує поступати рідка вода, кристали льоду збільшуються і посилюють розклинюючу дію. Подібний вплив спричиняють і солі, що викристалізовуються з розчинів у тріщинах. Так, безводний гіпс (CaSО₄), приєднуючи во-ду виступає як (CaSО₄ х Н₂О) і збільшує початковий об’єм на 33 відсотки.

Продукти фізичного вивітрювання гірських порід і мінералів не залишаються на місці їх утворення, а переміщаються на різні відстані (водою при формуванні поверхневого стоку або вітрами).

У гірських регіонах, вище лінії снігів, у процесі формування льодовики під впливом земного тяжіння і власної ваги ущільнюються, набирають властивостей пластичності і рухаються вниз по схилах, зносячи з собою утворені внаслідок фізичного вивітрювання продукти, подрібнюючи їх. В процесі переносу льодовик їх не сортує. Після танення і відступу льодовиків поверхня Землі покривається несортованими відкладами продуктів фізичного вивітрювання. При цьому формується характерний льодовиковий ландшафт з озами, друмлінами, камами.

На відміну від твердого стану (льоду) вода в рідкому стані, переносячи продукти вивітрювання, їх сортує - зі зменшенням швидкості руху води каміння, пісок осідають на дно потоку (або біля нього), дрібні - глинисті частки виносяться на більшу віддаль і осаджуються з води майже при повній втраті швидкості руху.

Як і вода, вітер частково руйнує породи і переносить продукти вивітрювання. Його наноси, що відклалися: пісок, пил, глинисті частки названо еоловими відкладами (від давньогрецького Еол - бог вітрів). Механічна дія часток, які переносяться вітром, впливає на поверхню скель, ґрунтів і спричиняє їх руйнування, що відоме під назвами абразії, ерозії і дефляції.

На відміну від вихідних гірських порід, продуктам фізичного вивітрювання, які утворилися і потім перевідклалися на поверхні Землі, властива здатність водопроникності, тобто вони можуть пропускати і частково утримувати воду. Ця різниця між гірською породою і відкладами, є важливою для наступних процесів ґрунтоутворення і формування твердої і водної (рідкої) фаз ґрунтів.

Хімічне вивітрювання - це хімічні зміни складу гірських порід і мінералів, які відбуваються при взаємодії порід і мінералів з водою, вуглекислотою, оксигеном і розчиненими у воді сполуками. Інтенсивність і напрямок процесів хімічного вивітрювання залежить від вологості (опадів) і температурних умов. Складний процес хімічного вивітрювання це сукупність багатьох реакцій: розчинення, гідролізу, гідратації, відновлення, окиснення тощо. Під дією води і розчиненого в ній вуглекислого газу вони не тільки розчиняють первинні мінерали, з яких складаються магматичні породи, а й сприяють формуванню нових хімічних сполук.

Розчинення. Більшість мінералів і речовин у воді розчиняються важко, (карбонати, сульфати кальцію), проте вода завжди містить певну кількість вуглекислого газу та інших сполук, що призводить до різкого підвищення розчинності ряду солей і, зокрема, карбона-тів:

СаСО₃ + Н₂О + СО₂ ↔ Са(НСО₃)₂

У процесі хімічного вивітрювання порід і мінералів, з яких вони складаються, відбувається вилуговування лужних елементів, у першу чергу натрію і частково калію, які з іншими елементами (Ca, Mg) залучаються водою у великий геологічний колообіг між суходолом і морями, до формування різноманітних ґрунтотворних, або материнських порід (табл. 1.1).

Таблиця 1.1

Грунтово-геохімічна мобільність основних продуктів ґрунтоутворення (за В. А. Ковдою)

Група мобільності	Хімічні сполуки
І - Дуже висока	Нітрати, хлориди, йодити, бромати, суль-фати, карбонати, борати, силікати, лужно і лужноземельні фосфати.
ІІ – Висока	Гіпс, бікарбонати, Mg, Ca, алюмінати
ІІІ – Поміркована	Бікарбонати, фульвати і фосфати Mg та Fe
ІV – Низька	Гумати важких металів
V – Дуже низька	Кварц, SiO2, TiO2, ортосилікати, Fe, Al, Ca - глинисті мінерали, сульфіди

Гідроліз. При розчиненні силікатів і алюмосилікатів, крім їх електролітичної дисоціації, має місце так звана гідролітична дія води при якій іони водню (гідрогену) заміщують катіони у сполуках, що гідролізуються. Як приклад гідролізу можна навести процес каолінізації (утворення каолініту - глинистого мінералу) з польового шпату (ортоклазу) - складової частини граніту в умовах гумідного вологого клімату земної кулі :

K₂Al₂Si₆O₁₆ + 2HOH = H₂Al₂Si₆O₁₆ + 2KOH

ортоклаз кислий луг

ортоклаз

Подальша взаємодія кислого ортоклазу з водою призводить до утворення каолініту і виділення вільної кремнекислоти :

H₂Al₂Si₆O₁₆ + 2 HOH = H₂Al₂Si₂O₈ + К₂СО₃ + SiО₂

кислий каолініт сіль пісок

ортоклаз (поташ) (кварц)

Кремнекислота, кварц - основна складова частина піщаних часток твердої фази ґрунту і ґрунтоутворюючих порід.

У жаркому тропічному кліматі хімічне вивітрювання алюмосилікатів відбувається за типом десилікатизації, при якій з ортоклазу утворюється пірофілліт, карбонат калію і кремнієва кислота :

K₂Al₂Si₆O₁₆ + 2HOH + 2СО₂ = H₂Al₂Si₄O₁₂ + 2КНСО₃ + 2SiО₂

ортоклаз пірофілліт

Пірофілліт (H₂Al₂Si₄O₁₂) переходить у подальшому у мінерал діаспор і вільну кремнекислоту Al₂О₂(OH)₂ + 4SiО_2.

Гідратація (оводнення). Це процес приєднання води до часток мінералів. Якщо мінерал містить ферум, у складі гематиту, то в процесі гідратації він трансформується у гетит - червоно-бурий мінерал, який надає осадовим породам і ґрунтам, що на них утворюються, червоно-бурого забарвлення:

2Fe₂О₃ + 3HOH = 2Fe₂О₃ · 3H₂O

Порода, що утворюється з гетиту і лепідокрекиту - лимоніт, може накопичуватись в умовах надлишкового зволоження в ґрунтах, у дренажних трубках (що закладаються у перезволожені ґрунти при їх гідротехнічній меліорації з метою регулювання рівня ґрунтової води, вологості ґрунту), закупорюючи їх (Ф. Р. Зайдельман, 2003).

Молекулам води, як диполям, властива здатність проникати у кристалічну решітку мінералів, особливо по її гранях і ребрах. Внаслідок цього змінюються їх властивості, або ж утворюються нові мінерали (утворення з безводного ангідриду гіпсу):

CaSO₄ + 2H₂O = CaSO₄ · 2H₂O

ангідрид гіпс

Окиснення - відбувається у породах і ґрунтах по всій зоні їх аерації - глибині проникнення в них повітря. Оксиген в них дифундує і ґрунтові розчини вступаючи у взаємодію з твердою фазою ґрунту, окислюють її (пірит FeS₂, що утворюється у анае-робних умовах, взаємодіючи з оксигеном і водою, перетворюється у сульфат феруму, сульфатну кислоту і інші сполуки):

2 FeS₂ + 7О₂ + 2 H₂O = 2 FeSО₄ + 2Н₂SО₄

12 FeSО₄ + 6 H₂O + 3О₂ = 4Fe₂(SО₄)₃ + 4Fe(ОН)₃

2Fe₂(SО₄)₃ + 9 H₂O =2Fe₂О₃ · 3H₂O + 6 H₂SО₄

У таких випадках сульфатна кислота, що утворилася, підкислює породи, бере участь в утворенні нових сполук. Окислені сполуки феруму надають породам і ґрунтам, які містять багато феруму, бурого, жовтого забарвлення або червоних відтінків.

Відновлення відбувається за участю певних груп мікроорганізмів, які населяють ґрунт і породу. Як наслідок, деякі хімічні елементи, що входять до складу сполук, що утворюють тверду фазу ґрунту, набувають меншого ступеня окислення. Для рослин відновлені форми елементів часто токсичні:

Fe ⁺³→ Fe₂О₃→ FeО + H₂O

Карбонатизація - це процес, пов’язаний з утворенням у ґрунтах і породах карбонатів або бікарбонатів. Катіони ґрунтового розчину, з’єднуючись з вуглекислим газом, утворюють карбонати. Надлишок СО₂, діючи на карбонати, переводить їх у бікарбонати, розчинність яких набагато вища, ніж карбонатів:

СаО + СО₂= СаСО₃

СаСО₃ + Н₂О + СО₂= Са(НСО₃)₂

За певних умов бікарбонати можуть розкладатись і переходити у нерозчинні карбонати, утворюючи при цьому у ґрунті карбонатні конкреції:

Са(НСО₃)₂→ СаСО₃ + Н₂О + СО₂

Поглинання (вбирання або сорбція). Глинисті мінерали внаслідок наявності на їх поверхні некомпенсованих зарядів енергії можуть поглинати і утримувати молекули газів або інші мікрочастки протилежного знаку заряду.

Для біологічного вивітрювання характерні такі процеси:

- фізичне подрібнення і механічне руйнування породи під впли-вом тиску кореневих систем рослин, які проникають у тріщини, а також під дією землериїв, дією лишайників, мохів, грибів;

- розчинення породи і окремих мінералів, які входять до їх скла-ду, мінеральними й органічними кислотами - продуктами життєдія-льності організмів і їх акумуляції у вигляді органо-мінеральних сполук;

- комплексоутворення і розчинення важкорозчинних сполук породи внаслідок життєдіяльності нітрифікуючих та маслянокислих бактерій, синьо-зелених, діатомових водоростей тощо.

Внаслідок хімічного вивітрювання змінюється фізичний стан і хімічний склад мінералів. Порода, збагачена новими (вторинними) мінералами, набуває зв’язаності, вологоємності, вбирної (поглинаючої) здатності по відношенню до води, газів (повітря), іонів.

Розглянуті форми вивітрювання кристалічних порід у природі проявляються одночасно і призводять до накопичення на поверхневій частині літосфери шару продуктів вивітрювання, які називають корою вивітрювання.

Розрізняють залишкову кору вивітрювання, яка складається з продуктів вивітрювання, що залишились на місці утворення, та відкладену кору вивітрювання, що сформована перенесеними і відкладеними на певній відстані продуктами вивітрювання.

Залишкова кора вивітрювання поділяється на:

- грубоуламкову. Утворюється переважно в гірських районах;

- карбонатно-уламкову. Утворюється в гірських районах з посушливим кліматом;

- силікатну. Утворюється в умовах помірно вологого та помірно теплого клімату. Містить як первинні мінерали та осколки порід, так і вторинні мінерали, переважно алюмосилікати.

- алітну - утворюється в умовах вологого і теплого тропічного клімату. Характерним є глибока трансформація мінерального складу і накопичення вторинних мінералів серед яких переважають гідроксиди феруму та алюмінію (лімоніт, гіпсит).

Відкладена кора вивітрювання поділяється на:

- сиалітні наноси - піски, суглинки, глини, які містять в своєму складі як первинні мінерали, так і вторинні алюмосилікати (монтмо-рилоніт, бейделіт, каолініт тощо);

- карбонатно-сиалітні наноси. Переважно суглинки та глини однорідного мінералогічного складу, що завжди містять карбонати;

- хлоридно-сульфатно-карбонатно-сиалітні наноси. Переважно суглинки та глини різного походження переважно аналогічні за складом сиалітним наносам, але містять певну кількість легкорозчинних солей (хлоридів, сульфатів, карбонатів).