Роль органического вещества в процессе выветривания

    Растительный отпад и разлагающиеся остатки растений играют большую роль в сохранении влаги, которая в свою очередь способствует выветриванию.

    Очень важным является влияние растительности в образования растительного отпада, который служит генератором «листовых экстрактов» («leaf leachates»), служащих источником хелатных комплексов. Мобилизация полуторных оксидов в почвах объяснялась воздействием коллоидального гумуса или кремнезема, однако К. Блумфилд не смог обнаружить эффект мобилизации ни одного из этих соединений. С другой стороны, было установлено, что асептические растворимые компоненты негумифицированного растительного материала растворяют в значительных количествах железистые и другие оксиды, и это воздействие было еще большим в нестерильных условиях. По - видимому, эти свойства листовым экстрактам придают в основном полифенолы.

    Листовые экстракты могут ускорять процесс подзолообразования до большой глубины, причем разные виды деревьев оказывают различное воздействие на подзолообразование. Деревья, которые могли бы давать подзолы (о чем свидетельствуют эксперименты с листьями), в действительности никогда не встречаются на подзолистых почвах. Так как все растения, испытанные в лабораторных условиях, дают экстракты, способные мобилизовать железо, независимо от их поведения в природных условиях. Такие факторы, как способность фенольных соединений к окислению и пригодность листового отпада для почвенной фауны, возможно, в конечном счете, будут определять наличие или отсутствие подзола под конкретными видами растений.

    С. Нг и К. Блумфилд показали, что помимо железа еще Ряд микроэлементов мобилизуется (переводится в растворимое состояние) разлагающимися растительными остатками. В раствор переходили Mn, Zn, Pb, Ni, Со, Mo, V и Сu, независимо от того, присутствовали ли они в виде чистых оксидов или в тех формах, в которых они встречаются в некоторых почвах. Так же как и в случае железа, эти металлы образовывали комплексы, но в протии [6].

    Таким образом, растения в процессе своей  жизнедеятельности, проникая в трещины  и поры горных пород, разрушают  их не только механически, но  и химически, разъедая их кислотами, выделяемыми концами корешков. Одновременно с этим растения извлекают различные минеральные элементы горной породы в качестве питательных веществ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. РОЛЬ ЖИВОТНЫХ

    Физическое разрушение пород или обломков может быть вызвано сверлящими животными или даже пропусканием пород через кишечный тракт червей и других организмов. Однако главный вклад организмов в выветривании, по - видимому, состоит в неоднократном перемешивании почвенных материалов, в результате которого свежий материал постоянно подвергается воздействию агентов выветривания, и к минеральным частицам более легко проникают воздух и вода. Органическое вещество может быть внесено в нижние горизонты почвы и способствовать выветриванию на больших глубинах. Дыхание почвенной фауны, подобно дыханию растений, может увеличивать содержание СО2 в почвенном воздухе что играет значительную роль в химическом выветривании.

    Однако почвенная фауна обычно не спускается ниже определенного уровня, даже в рыхлых породах дневной поверхности, которые обычно свободно дренируются. Например, в тропических районах деятельность термитов можно объяснить сортировку верхней части почвенного профиля. Термиты могут переносить частицы величиной только до 1 мм для постройки термитников. Термитники, в конце концов, обрушиваются и на их развалинах возводятся новые. Со временем земля окажется, покрыта слоем материала, нанесенным термитами. Ниже слоя перерабатываемого термитами будут накапливаться камни и более крупные обломки [7].

    Земляные черви создают норки в почве (глубиной не менее 60 - 80 см, крупные виды — до 8 м), способствуя её аэрации, увлажнению и перемешиванию. Черви продвигаются через почву, расталкивая частицы или заглатывая их. В некоторых иллинойских почва поверх кислой подпочвы образуются  некислотные верхние слои в результате накопления карбонатных конкреций (размером песчаной фракции), которые представляют собой окаменевшие копролиты отмерших земляных червей [5]. 

     Ходы грызунов оказывают разное воздействие [Приложение 4]. Кролики предпочитают рыть норы в песчанистых почвах, в которых воздействие на выветривание, вероятно, будет слабым, но в других почвах эффект перемешивания может иметь существенные значения. Шакалы и другие животные черноземной полосы обитают в колониях, занимающих участки площадью до 20 га. Они обычно разрушают структуру почвы и постоянным перемешивание почвы препятствуют развитию процессов выщелачивания и формированию зольного профиля.

     Улитки, обитающие в районах богатых известью, могут высверливают глубокие ходы в известняках. Экскременты птиц служат источником органического вещества и играют определенную роль при зарождении процессов почвообразования и выветривания, а в Антарктиде главным источником поступления органических веществ являются пингвины. Орнитогенные почвы образуются за счет гуано и кератина перьев при вспомогательной деятельности сине - зеленых водорослей. На некоторых островах гуано птиц слагают огромные залежи, которые способствуют выветриванию известняков и образованию новых минералов путем реакции с карбонатам. Гуано летучих мышей в пещерах может способствовать появлению ямок растворения в кровле пещер и выветриванию дна пещер с образованием новых минералов. В некоторых лавовых пещерах были найдены редкие минералы — результат взаимодействия между гуано летучих мышей и базальтом.

    Крупные животные уплотняют почву, увеличивая тем самым поверхностный сток и эрозию почвы. К этому же приводят разрушения или сокращение растительного покрова при выпасе скота. Эрозия повышает интенсивность удаления выветрелых продуктов, что в свою очередь воздействует на скорость выветривания. Необычное явление было описано на горе Элгон, где слои вулканического пепла чередуются с агломератом. Пепел легко вымывается, хотя он также растворим в некоторой степени. Стенки пещер покрыты кристаллами мирабилита (сернокислым натрием), которые слизываются коровами. Ново поколение кристаллов вырастает за несколько дней, образующиеся ниже латеритных железистых панцирей [6].

    Итак, разрушению  пород способствует рытье нор  и ходов земляными червями, улитками, грызунами и вытаптывание растительного покрова копытными млекопитающими.

 

4. МОРСКОЕ БИОГЕННОЕ ВЫВЕТРИВАНИЕ

    Некоторые морские беспозвоночные (например, Pholas и Patella) сверлят отверстия в породах либо механически, либо путем выделения кислот [Приложение 5]. Морские ежи являются наименее селективными (избирательными) сверлильщиками, так как они действуют чисто механически, сильными острыми зубами, которыми могут прокусить любую породу, оставив отпечаток в виде пятилучевой звезды.

    Такое первоначальное  разрушение породы обусловливает  более легкий доступ другим  агентам выветривания. Вследствие  дыхания животных и растений  образуется СО2, способствующий растворению известняка. Некоторые авторы заходят настолько далеко, что относят всю береговую коррозию известняков на счет водорослей, однако это не так, поскольку часть коррозии, особенно в зоне разбрызгивания, является результатом чисто химических процессов.

    Животные также  могут вызвать разнообразное  разрушение пород в незначительной  степени. Крабы могут расширять  трещины, залезая внутрь трещин, и таким образом расталкивать  блоки пород. Некоторые рыбы поедают кораллы, и живущий риф разбивается на куски. Многие животные заглатывают и перерабатывают мелкозернистые осадки. На береговых платформах маты из водорослей и двустворчатых моллюсков предохраняют породы от абразии и, кроме того, способствуют сохранению воды в небольших водоемах, предотвращая их усыхание. Эти факторы играют важную роль в образовании таких платформ и Е. Хиллс так писал о биогенном воздействии на выветривание береговых платформ: «Хотя можно показать, что абразия не играет особой роли в образовании или изменении локальных участков платформ и что растворение уменьшается в волноприбойной нише у края платформы, не было дано нигде никакого рационального объяснения, основанного на научных гипотезах, повсеместно выдержанному уровню платформ. Действительно, известно, что единственными агентами, которые имеют столь строгую приуроченность, являются организмы, произрастающие на платформах, и эти организмы несомненно должны изучаться специалистами по морской экологии».

    Биологическая  деятельность контролирует концентрацию  кремнезема в морской воде. Неорганическими реакциями, в том числе синтезом силикатов, нельзя объяснить содержания кремнезема в морской воде, а перестройка глинистых минералов, вероятно, представляет собой вторую стадию диагенетических изменений. Идеи С. Калверта оказываются весьма плодотворными в расчетах цикла кремнезема в глобальном масштабе и заставляют предполагать, что морское накопление кремнезема до возникновения жизни происходило в совершенно иных условиях. Интересно отметить, что древнейшие из известных окаменелостей встречаются в кремнистых породах [6].

Итак, выветриванию так же способствуют морские организмы. Они сверлят отверстия в породах механическим или путем выделения кислот. Крабы зализая внутрь трещины в породе расталкивают блоки породы, рыбы поедая кораллы, разбивают риф на куски.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. РОЛЬ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ В ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЯХ ПРИ ВЫВЕТРИВАНИИ

    Роль органического вещества также проявляется химических реакциях при выветривании таких как хелатизация, окислительние и восстановление, гидролиз.

           

             5.1.  Хелатизация

    Хелатизация (или комплексообразование) — это образование вокруг какого - либо комплексируемого иона, обычно металла, кольцевой постройки органического вещества. Хелатизирующие агенты могут извлекать ионы из твердых веществ, обычно нерастворимых, и способствовать переносу ионов в такие условия, в которых они обычно осаждаются химическим путем [4]

    Растения используют хелатизирующие агенты для того, чтобы извлечь ионы (питательные вещества) из минералов, и таким образом способствуют более быстрому выветриванию минералов по сравнению с тем, которое происходило бы только неорганическим путем. Детальный механизм этого процесса не известен. Разлагающееся растительное вещество (гумус) богато хелатизирующими агентами, которые возможно способствуют подготовке ионов для поглощения их живыми растениями, и которые также усиливают дифференциальное выщелачивание ионов в профиле выветривания. Например, лесная подстилка может обусловить быстрое перемещение железа вниз по профилю и привести к очень быстрому оподзоливанию. Разные виды деревьев оказывают различное влияние на этот процесс, и посредством хелатизации возникают разнообразные «фитогенетические» типы почв на одном и том же материнском материале.

    Поучительный пример хелатизации приведен В. Келлером. Порошкообразный кальцит размешивается в водном растворе натриевой соли этилен - диамин - тетрауксусной кислоты (обычный хелатизирующий агент), никакой СО2 не выделяется, рН сохраняется при 10 – 11 (высокощелочная среда), кальций переходит в раствор в результате хелатизации, а ион карбоната остается в растворе.

 

            5.2. Окисление и восстановление

    Исходя из позиций простого выветривания, окисление означает реакцию с кислородом с образованием оксидов или, если присоединяется вода, гидроксидов. Поскольку реакция с атмосферным кислородом является одной из обычных форм природного выветривания, то можно термин «окисление» охарактеризовать    этим определением .

    Окисление минералов газообразным кислородом, вероятно, всегда происходит через стадию промежуточного воздействия воды «в которой сначала растворяется кислород. Воды может быть много или она образует только пленку» но основное окисление происходит в зоне аэрации. Воздействие окисления особенно четко фиксируется присутствием оксидов железа и гидроксидом, которые придают характерные красные и желтые окраски многим породам и почвам. Эта окраска может маскироваться черным гумусом, однако в тропиках встречается бесцветный гумус, а красноцветные почвы являются характерной особенностью крупных территорий. Красная «окраска (и, следовательно, окисление) может проникать до значительных глубин. К. Рич указывает, что в аридных районах глубокие колодцы, пройденные до уровня грунтовых вод часто достигают зеленовато - серых пород, расположенных ниже зоны окисления.

    Хотя неорганическое окисление — вполне обычный и важный процесс, множество процессов окисления протекает под воздействием бактериальной деятельности, причем бактерии получают энергию за счет окисления железа, марганца, серы и, возможно, других элементов, включая фосфор (при образовании вивианита). Окисление сульфидов приводит к образованию серной кислоты, которая, вероятно, играет важную роль в дальнейшем выветривании.

    Химики применяют термины «окисление» и «восстановление», «чтобы описать удаление электронов или их добавление к атомам некоторых элементов, претерпевающих химическое изменение, причем кислород может не участвовать совсем в этом изменении. Например, железо может взаимодействовать с серой с образованием FeS, при этом железо окисляется. Оно может быть еще больше окислено в форме FeS2 и в еще большей степени в соединениях с кислородом. Таким образом, в сульфиде железо является окисленным по сравнению с металлическим железом, но восстановленным по сравнению с гематитом.

    Восстановление — это процесс, противоположный окислению» и «обычно оно осуществляется в анаэробных обстановках в условиях застойных вод. Восстановление оксидов железа представляет собой одно из очевидных изменений; красные и желтые окраски в восстановительных условиях сменяются зелеными и серыми окрасками. Восстановление в значительной мере осуществляется бактериями; например, органическое вещество (гумус) восстанавливается ферментирующими бактериями, а сульфаты — бактериями в сульфиды. Многие силикатные минералы содержат катионы, которые легко меняют состояние окисления, например Fe2+/Fe3+, Cr2+/Cr3+. Приме изменении восстановительного потенциала минералы, содержащие эти катионы, могут окисляться или восстанавливаться. Для сохранения электронейтральности кристаллической структуры в решетку должны внедриться или покинуть ее другие ионы. Это приводит к тому, что кристаллическая решетка становится неустойчивой и болee восприимчивой к другим реакциям выветривания, таким как гидролиз, или к переходу в другие минералы.

    В почвах окислительно - восстановительный потенциал определяется главным образом наличием кислорода и СО2, растворенными в почвенных водах, а также органическим веществом. Следовательно он зависит от парциального давления газообразных кислорода и СО2 в почвенном воздухе и от рН почвенного раствора [6].

         

         5.3.Гидролиз

    Гидролиз - это химическое взаимодействие между минералом и водой, т.е. между ионами воды Н+ или ОН- и ионами минерала. Эта реакция происходит всюду, где минерал находится в контакте с водой. Реакции гидролиза характерны для силикатов, алюмосиликатов и ряда других минералов.  
    При гидролизе ионы OH- образуют с щелочными и щелочноземельными металлами легко подвижные соединения, которые выносятся из пород. Глинистые, алюминистые, железистые окисные минералы, образовавшиеся при гидролизе, труднорастворимы (каолинит, гидрослюда, диаспор, лимониты и др.). Они выносятся в виде взвеси или остаются на месте.  
    Живые растения и нитрифицирующие бактерии представляют собой постоянный источник ионов Н+, которые создают кислую среду и выветривают близлежащие минералы. Растения обменивают Н+ на питательные вещества и за счет удаления Н+ реакция постоянно остается несбалансированной, так что выветривание продолжается на протяжении всей жизни растения, причем фронт выветривания распространяется в стороны от границы раздела между корнем и глиной  [4].