Распределение воды на Земле

 

Роль океанов заключается и в том , что их вода , будучи теплее в среднем , чем атмосфера , на 3 ° С, непрерывно обогревают последнюю , имея запас тепла в 21 раз больше, чем в атмосфере . Между атмосферой и гидросферой все время осуществляется сбалансированный обмен теплом.

На Земле происходит постоянный и хорошо известный круговорот воды, включающий в себя океаническое и материковое звенья , которые связаны друг с другом, т.к. водяной пар переносится с океана на сушу и, наоборот , а также поверхностным и подземным стоком с суши в океан. Водяной пар, переносимый с океана на сушу составляет 47 км3, в то время как с поверхности Мирового океана ежегодно испаряется 505 тыс . км3 воды, а возвращается атмосферными осадками 458 тыс . км3. На поверхность суши ежегодно выпадает 119 тыс . км3 осадков. Поверхностный сток суши составляет 44,7тыс . км3/ год , а подземный – 2,2 тыс . км3/ год , из них водный сток рек – 41,7 тыс . км3/ год , а ледниковый сток – 3,0 тыс . км3/ год . Естественно, что ледниковый сток Антарктиды больше всего. Атмосферные осадки в каждом конкретном районе суши складываются из влаги, испарившейся в этом районе и влаги, привнесенной извне.

 

ВЫВЕТРИВАНИЕ.

Большинство геологических процессов на поверхности Земли обусловлены действием солнечной энергии и силы тяжести . Такие процессы называются экзогенными . Все горные породы под воздействием целого ряда факторов постепенно разрушаются –выветриваются . Образовавшиеся мелкие обломки – дресва , песок, глина смываются дождем, водными потоками, т.е . перемещаются. Этот процесс называется денудацией ( денудо – смыв, лат.). В дальнейшем весь рыхлый материал где- то накапливается – происходит его аккумуляция. Процесс разрушения первоначально монолитных горных пород – выветривание является очень важным в ряду выветривания , денудации и аккумуляции . Приходя в контакт в поверхностной части Земли с атмосферой, гидросферой и биосферой горные породы, ранее находившиеся на глубине , подвергаются изменению своего состояния, нарушению сплошности и, наконец, дезинтеграции, разрушению на мелкие частицы . Какие же процессы приводят к выветриванию горных пород ? Прежде всего это физическое , механическое разрушение, а также химическое и биохимическое разложение минералов и горных пород . Воздействие этих факторов усиливается тем , что как в магматических, так и в осадочных породах, всегда присутствуют первичные трещины или трещины отдельности, возникшие при сокращении объема породы, после ее остывания или образования. Следовательно, увеличивается площадь соприкосновения породы с воздухом и водой , в трещины легко проникают корни растений. Механическое разрушение породы связано, как усилия давления и расширяются , разрушая материнские породы. Однако, наиболее существенным физическим фактором, вызывающим дезинтеграцию пород , являются температурные колебания, как суточные, так и сезонные . Темная поверхность горной породы летом может нагреваться до +60 ° С, а в пустынях и выше. В тоже время внутренняя часть породы гораздо холоднее . Ночью температура падает , а днем снова возрастает . Так происходит температурное « раскачивание » не только разных частей породы, но и ее минеральных составляющих, особенно в полиминеральных породах, таких как граниты , гнейсы, лавы с крупными кристалликами- вкрапленниками. Разные минералы обладают различными коэффициентами объемного расширения, причем даже в одном минерале этот коэффициент меняется в зависимости от направления. Расширяясь и сжимаясь в разной степени минералы провоцируют микронапряжения в горной породе , которые расшатывают ее « скелет » и она рассыпается

на мелкие обломки – дресву . Когда поверхность горных пород в каком -либо обнажении нагревается сильнее внутренних частей и, соответственно , расширяется больше, то наблюдается отслаивание, шелушение породы параллельно поверхности обнажения . Такой процесс называется десквамацией .

Механическое, химическое и биологическое выветривание .

Морозное или механическое выветривание связано с увеличением объема воды, попавшей в трещины , при замерзании . Вода, замерзая превращается в лед, объем которого на 10% больше и при этом создается давление на стенки , например, трещины , до 200 Мпа, что значительно больше прочности большинства горных пород . Такое же расклинивающее действие на породы оказывают кристаллы соли при их росте из раствора . Механическое расклинивающее воздействие на горные породы оказывают корни деревьев и кустарников, которые увеличиваясь в объеме создают большое добавочное напряжение на стенки трещины . Хорошо известно как раньше раскалывали гранитные блоки . В них забивали дубовые клинья , поливали их водой и разбухший клин разрывал породу на блоки . Даже мелкие грызуны , а также черви, муравьи и термиты оказывают механическое воздействие на горную породу, роя ходы до 1,5 м глубиной. Земляные черви способны переработать до 5 т почвы на 1 га за 1 год . При этом поверхностные слои почвы обогащаются гумусом . Улитки высверливают глубокие ходы в карбонатных породах, а муравьи роют неглубокие , но многочисленные ходы, разрыхляя почву и способствуя проникновению в нее воздуха.

Очевидно, что температурное выветривание шире всего проявляется в условиях жаркого климата, особенно в пустынях, где велики перепады дневных и ночных температур , достигающие 50° С. Морозное выветривание свойственно полярным и субполярным областям , а также высокогорьям, для которых характерны развалы обломков горных пород .

Химическим выветриванием называется разрушение горных пород под воздействием воды, кислорода, углекислоты и органических кислот , содержащихся в воздухе и воде и воздействующих на поверхность пород , растворяя их.

Химические выветривание представлено несколькими основными типами: растворением , окислением, гидратацией, восстановлением, карбонатизацией, гидролизом.

Хорошо растворяются соли хлористо - водородной и соляной кислот . Хуже растворяются карбонатные породы: известняки , мергели, доломиты. Однако, если растворение продолжается длительное время , то возникает большое разнообразие карстовых форм рельефа, включая глубокие , многокилометровые пещеры. Окисление представляет собой взаимодействие горных пород с кислородом и образование оксидов или гидрооксидов , если присутствует вода . Сильнее всего окисляются закисные соединения железа , марганца , никеля , серы, ванадия и других элементов, которые легко соединяются с кислородом.

Таким образом, на «выходе», после окисления получается такой распространенный минерал как лимонит или бурый железняк . На многих месторождениях сульфидных руд встречается « шляпа» или « покрышка» из бурого железняка – результат одновременных окисления и гидратации . Для нижних частей почвы характерны отрзанды, корки лимонита, цементирующего песка. Следы окисления в виде пород , окрашенных в бурый , охристый цвет наблюдаются везде, где в породах содержатся железистые минералы или их включения . Во влажном и жарком климате при испарении воды образуются бедные водой минералы группы гематита Fe2 O3, обладающие красной окраской . Вот почему в тропических областях коры выветривания превращаются в твердую красную породу – латерит ( латер – кирпич, лат.).

Восстановление происходит в условиях отсутствия химически связанного кислорода, когда сильным восстановителем является органическое вещество , сформировавшееся в результате отмирания болотной растительности . При этом необходимы анаэробные условия в неподвижной , застойной воде , например, в болотах. Восстановительные процессы превращают породы с оксидом железа , окрашенные в бурые , желтые и красноватые цвета, в серые и зеленые . Под торфом иногда возникает серо - зеленая глинистая масса, называемая глеем .

Гидролиз – это довольно сложный процесс, особенно затрагивающий минералы из группы силикатов и алюмосиликатов. Происходит он при взаимодействии ионов Н+

и ОН- с ионами минералов, следовательно, для гидролиза всегда необходима вода . Гидролиз приводит к нарушению первичной кристаллической структуры минерала и возникновению новой структуры уже другого минерала. Наиболее распространенный пример – это гидролиз ортоклаза, одного из полевых шпатов, часто встречающегося в горных породах, особенно в гранитах . Гидролиз в присутствии СО2 приводит к образованию нерастворимого минерала каолинита и выносу бикарбоната калия и кремнезема. Каолиновая глина , покрывая панцирем выветривающуюся породу, препятствует ее дальнейшему разрушению Будучи довольно устойчивым минералом , каолинит при определенных условиях способен к дальнейшему разложению с образованием еще более устойчивых минералов, например, гиббсита – AlO(OH)3, входящего в состав боксита, основной руды для получения алюминия.

Карбонатизация представляет собой реакцию ионов карбоната и бикарбоната с минералами, которая ведет к образованию карбонатов кальция, железа , магния и других . Большая часть известных нам карбонатов хорошо растворяется в воде и выносится из зоны выветривания . Именно поэтому грунтовые воды в таких местах обладают высокой жесткостью. Гидратация – это процесс присоединения воды к минералам и образование новых минералов. Объем породы при гидратации увеличивается, что может привести к деформациям отложений . Биологическое выветривание . Живое вещество , с точки зрения В.И.Вернадского, создает химические соединения , которые могут производить большую геологическую работу .

Горные породы на своих поверхностях содержат огромное количество микроорганизмов. На 1 г выветрелой породы может приходиться до 1 млн . бактерий . Как только порода начинает выветриваться, на ней сразу же поселяются бактерии и сине -зеленые водоросли, затем лишайники и мхи , которые растворяют и разрушают поверхностный слой породы и после их отмирания на ней образуются углубления , ямки, борозды , заполненные сухой биомассой отмерших организмов . Изучение поверхности камней под микроскопом , слагающих древние храмы , дворцы, церкви , жилые здания и т.п. показывает , что на них находится множество разнообразных организмов – бактерии ( цианобактерии, актиномицесты ), водоросли, грибы , протисты, членистоногие, лишайники и др. Наиболее распространены грибные гифы (ветвящиеся тяжи) и микроколонии из округлых клеток . Грибы , как правило, интенсивно окрашены различными пигментами – меланином , каротиноидами , микроспоринами, которые вызывают потемнение трещин и придают поверхности мрамора , например, красновато - бурый , бурый – почти черный цвет . Еле заметные трещинки на поверхности камней обладают другими экологическими обстановками , нежели обстановки на гладкой поверхности породы. Там больше влаги и меньше света. Поэтому в субаэральных пленках на поверхностях камней преобладают микроскопические грибы , гифы которых активно растут , удлиняются и, в конце концов, покрывают все поверхность камня . Таким образом, на поверхности горных пород формируются сообщества микроорганизмов, играющие важную роль в процессах выветривания . Биота, поселившаяся на поверхности горных пород , извлекает из нее необходимые для жизни химические элементы – Р, S, K, Ca, Mg, Na, B, Sr, Fe, Si, Al и др., что подтверждается их большим содержанием в золе растений , выросших на горных породах. Даже Si извлекаются из кристаллических решеток алюмосиликатов. Следовательно, организмы участвуют в разложении минералов. Однако, они и возвращают новые химические элементы в геологическую среду. Тем самым происходит круговорот веществ , обусловленный активностью биоты . Следует отметить , что в процессах химического выветривания организмы участвуют и косвенным путем выделяя , например, кислород при фотосинтезе, образуя

СО2 при отмирании растений , провоцируя образование весьма агрессивных органических кислот , которые резко усиливают растворение и гидролиз минералов.

Такое воздействие наиболее интенсивно происходит во влажном , тропическом климате, в густых болотистых лесах, в которых опад ( отмершие растения , листья и др.) составляет почти 260 ц/ га . Вода в подобных джунглях обладает кислой реакцией и активно растворяет горные породы, нарушая связи в кристаллической решетке минералов.

 

Процессы гипергенеза и коры выветривания

Под зоной гипергенеза понимается поверхностная часть земной коры непрерывно подвергаемая воздействию различных экзогенных факторов и в которой горные породы стремятся войти в равновесие с непрерывно изменяющейся окружающей геологической средой . Термин «гипергенез », введенный А.Е. Ферсманом , знаменитым Российским минералогом , по существу является синонимом термину « выветривание ». Гипергенные процессы проникают далеко вглубь поверхностной части земной коры и видоизменяют ее в сильно расчлененном горном рельефе на сотни метров и даже первые км.

Типы гипергенеза, установленные Б .М .Михайловым, включают в себя следующие обстановки . Поверхностный ( континентальный ) гипергенез происходит на поверхности суши и проникает вглубь с помощью нисходящей воды. К наиболее важным образованиям поверхностного гипергенеза относятся:

1. Элювий или кора выветривания представляет собой геологическое тело , развитое на определенной площади или вдоль какой- либо зоны в горных породах, сложенное продуктами переработки поверхностных горных пород процессами физического, химического и биохимического выветривания . Элювий не перемещается , он остается на месте разрушенных пород . Естественно, что процессы формирования элювия развиваются на слабо расчлененном, выровненном рельефе, достигшем стадии зрелости . Именно в таких условиях и формируются коры выветривания , представляя собой остаточные продукты разрушения пород . Кора выветривания , как и ее мощность зависит от ряда факторов . Наиболее благоприятные условия создаются при высокой температуре, высокой влажности и выровненном рельефе. В таких условиях жаркого гумидного климата образуются латеритные красные коры выветривания , состоящие из минералов гидрооксидов и оксидов алюминия, железа и титана с примесью каолинита

В связи с тем , что верхняя часть коры выветривания обладает наибольшей степенью разложения первичного материала, в ней присутствуют глинозем (Al2 O3) и гидроокислы железа , которые придают элювию в сухом состоянии высокую прочность, напоминая красный кирпич. Эта твердая самая верхняя часть латеритной коры выветривания называется панцирем или кирасой ( кираса – панцирь , фр.). Нижняя часть латеритной коры выветривания имеет неровную границу , с глубокими карманами над более раздробленными участками пород , где залегает дресва – мелкие обломки этих же коренных горных пород . В областях с гумидным климатом распространен глинистый элювий – слой или толща глин , в которых сохраняется реликтовая структура коренных пород . Над рудными залежами сульфидных руд иногда образуются рудные «шляпы », специфические коры выветривания , прочные корки из разложившихся сульфидных минералов.

2. Иллювий или инфильтрационная кора выветривания , еще один из типов гипергенеза, в котором вещество , замещающее коернные породы, привнесено извне. Иллювиальные коры выветривания имеют различный состав и мощность в зависимости от химического состава инфильтрующего раствора , физико- химических и климатических обстановок . Встречаются сульфатные, карбонатные , кремнистые и соляные ( солончаки и солонцы ) иллювиальные коры выветривания . Выделяется также подводный гипергенез или гальмиролиз. Этот процесс связан с воздействием морской воды на отложения океанского или морского дна. Магматические породы в этом случае располагаются с образованием глин , а вулканические пеплы

превращаются в особую глинистую массу. Современные коры выветривания обладают небольшой мощностью и они , как правило, еще не сформировались, т.к. время было недостаточно. В далекие геологические времена , когда большие пространства континентов обладали слабо расчлененным, выровненным рельефом, в условиях благоприятного климата формировались мощные до 100 и более метров коры выветривания , обладающие характерным вертикальным профилем. В их основании располагалась дресва коренных пород , сменяемая выше зоной с гидрослюдами и в верхней части разреза находилась толща каолиновых глин . Подобный стиль разреза древней, мезозойской коры выветривания характерен для гранитных пород Урала, а для других коренных пород зональная последовательность в коре выветривания может быть иной. С древними корами выветривания связаны разнообразные полезные ископаемые, такие как, бокситы , основное сырье для получения алюминия; гидроокислы и окислы железа , марганца ; гидросиликаты никеля , развитые по ультраосновным породам и многие другие .

В настоящее время мы наблюдаем лишь сохранившиеся остатки древних кор выветривания , уцелевших от эрозии в западинах и карманах рельефа. А раньше они были площадными , занимая большие пространства или , наоборот , имели линейный характер , будучи приуроченными к раздробленным зонам крупных разломов . Чаще всего перечисленные выше типы выветривания действуют одновременно. Однако, под воздействием климата, водного режима, смены суточной и сезонной температур , решающим становится какой- нибудь один тип , подчиняясь климатической зональности. Так, во влажной тропической зоне химическое выветривание , благодаря высокой температуре протекает интенсивно , с максимумом выщелачивания . Несколько менее энергично такое же выветривание происходит в таежно- подзолистой зоне . В пустынях, полупустынях и тундре преобладает физическое выветривание , тогда как химическое сходит на нет.

Выветривание происходит всегда и везде. Даже на пирамиде Хеопса в Гизе , в предместье Каира, за последние 1000 лет потеря материала поверхности известняковых блоков составила 0,2 мм, а гранитных облицовочных плит - 0,002 мм/ год . Современное загрязнение воздушной среды способствует быстрому выветриванию древних каменных скульптур, храмов и памятников.

 

Образование почв и их свойства

Практически вся поверхность суши покрыта тонким слоем почвы , энергетически и геохимически весьма активным, в котором проявляется взаимодействие между живыми организмами , атмосферой, гидросферой и горными породами. Более 100 лет назад великий русский ученый В.В. Докучаев показал, что почва представляет собой самостоятельное, очень тонкое природное тело , созданное из почвообразующих пород , растительности , животного мира, климата и рельефа. Коренные горные породы, на которых формируется почва, играют решающую роль в химическом и минеральном составе почвы , а живые организмы обуславливают формирование органического вещества в почве – гумуса . Академик В.И. Вернадский когда- то назвал почву биокосным телом , подразумевая под этим взаимодействие как живых организмов , так и коренных ( косных) горных пород .

Почвы относятся к наиболее сложным природным телам и в настоящее время на мировой почвенной карте их выделено 133 типа , разделяемые еще более дробно. Почвы различных типов характеризуются набором горизонтальных слоев, называемых генетическими горизонтами :

А – гумусово - аккумулятивный поверхностный горизонт , в котором скапливаются органические вещества и элементы питания для растительности

Е - элювиальный или горизонт вымывания . Назван так потому, что нисходящий поток воды вымывает из него Fe, Mn, Ca, Mg.

В – иллювиальный или горизонт вмывания, т. к. в нем накапливаются вещества , вымытые из горизонта Е. ВСа – горизонт скопления карбонатов кальция

G - глеевый горизонт с восстановительной обстановкой, в которой Fe3+ восстанавливается до Fe2+

C и D – почвообразующие и подстилающие горные породы

Эти генетические горизонты в разных почвах различаются между собой и их сочетания отличаются большим разнообразием, но, что важно , наличие одного горизонта обусловлено существованием другого, например, иллювиальный горизонт В, в котором накапливаются вещества , не может существовать без горизонта Е, из которого эти вещества вымываются.

Во всех типах почв, в черноземах , подзолистых, тундровых , каштановых, тропических и субтропических , торфянистых , солончаковых, пойменных и других , содержатся все известные химические элементы. Первое место занимает кислород , затем

кремний , алюминий и железо . Все остальные элементы в сумме не превышают 5-6%, однако в торфянистых почвах много углерода . В каждом типе почв много органических веществ , но не тех, которые содержатся в растительных и живых организмах , а вновь образовавшихся . Это, прежде всего, гуминовые кислоты и фульвокислоты , являющиеся характернейшей особенностью почв. Гуминовые кислоты – темные органические соединения с 50-60% углерода и еще многих веществ . Темная окраска обусловлена длинной цепью сопряженных двойных связей – С =С – С = С -. Именно они придают черноземным почвам черный цвет Гуминовые кислоты растворимы только в водных растворах щелочей, а фульвокислоты также и в воде . Второй важнейшей составляющей любых почв является фракция, размер частиц которой 0,002-0,001 мм, состоящих преимущественно из глинистых минералов, например, каолинита и монтмориллонита . Присутствуют также частицы кварца , полевых шпатов, слюд, а в засоленных почвах – минералы – соли NaCl, KCl, MgCl2, CaCl2, которые в период дождей растворяются , а в сухое время кристаллизуются. Хорошие черноземные почвы – это основа плодородия, дающего возможность существованию человека . Деградация почв представляет собой катастрофу , вызываемую эрозионными и дефляционными (дефляро – сдувать,лат.) процессами, засолением, техногенными воздействиями. Почвенный гумус аккумулирует в себе колоссальные запасы углерода и биогенных элементов, а , следовательно, он является и аккумулятором солнечной энергии. Почвенный покров Земли обеспечивает существование биоценозов и является необходимым условием существования жизни на Земле . В почве непрерывно протекают сложные обменные процессы, в результате которых свойства почв меняются и может происходить саморазвитие почв. Почвенный покров создается тысячелетиями , но неразумная техногенная и сельскохозяйственная деятельность может разрушить его в считанные годы, несмотря на то . Что почвы , даже черноземы , способны к самовосстановлению – гомеостазу .

Следует отметить , что во многих разрезах четвертичных отложений наблюдаются горизонты погребенных почв , т.е . таких, которые уже не входят в сферу биологического круговорота, они не могут продуцировать гумус и являются « мертвыми» почвами .