Разрушение горных пород взрывом

Процессы в зоне гипергенеза

В зоне гипергенеза, соответствующей приповерхностной биокостной  части литосферы, выведенные на поверхность либо на дно морского бассейна горные породы стремятся прийти в равновесие с окружающей средой. Основными источниками энергии здесь являются солнечное тепло и в значительно меньшей степени внутренне тепло Земли. Важнейшую роль в гипергенных процессах играют органическое вещество и вода.

Верхней границей служит земная поверхность. Нижняя граница соответствует уровню затухания воздействия на горные породы фотосинтезирующей жизни, что сопровождается резким сокращением содержания кислорода и соответственно изменением химических условий среды (Eh, pH, угнетение процессов окисления, гидролиза, коллоидообразования). Обычная мощность зоны гипергенеза не превышает десятков метров, но иногда гипергенные процессы проявляются на глубинах в сотни и даже первые тысячи метров. Их проявление в глубинных зонах приурочено к зонам трещиноватости, карстовым полостям, поверхностям контактов пород, подземным горным выработкам, сохраняющим связь с земной поверхностью и служащим путями проникновения гипергенных агентов.

В зоне гипергенеза всегда присутствуют два принципиально различных комплекса минеральных образований: 1) материнские породы (субстрат) и 2) продукты гипергенеза.

В зависимости от условий процессы гипергенеза можно разделить на три группы:

поверхностный (или наземный) гипергенез – комплекс явлений и процессов, происходящих непосредственно на поверхности суши или связанных с проникающими в толщи пород инфильтрационными водами;

глубинный (или подземный) гипергенез — комплекс явлений и процессов, происходящих ниже земной поверхности и связанных с воздействием подземных вод, движущихся по водоносным горизонтам или восходящих по проницаемым зонам (заметим, что эти воды также имеют поверхностное происхождение);

подводный гипергенез (или гальмиролиз) — комплекс явлений и процессов, происходящих на дне морей и океанов при взаимодействии морских вод с горными породами.

Формирование продуктов поверхностного гипергенеза связано с процессами выветривания.

Выветривание – это процесс изменения и разрушения минералов и горных пород на земной поверхности под воздействием физических, химических и органических факторов.

В зависимости от того, какие факторы обуславливают процессы преобразования пород, выветривание можно подразделить на физическое (или механическое) и на химическое. Биогенные процессы, очень широко проявленные в процессах выветривания, проявляются как в механическом, так и в химическом воздействии на минеральный субстрат. Механическое разрушение пород при биогенном выветривании осуществляется, например, корнями растений, расширяющими трещины, или роющими организмами (черви, муравьи, термины, суслики, кроты и др.). Биохимические процессы активно воздействуют на минеральное вещество как в процессе жизнедеятельности (например, лишайники извлекают минеральные вещества из минералов, что приводит к разрушению последних), так и поставляя химически активные соединения в процессе разложения (органические кислоты, возникающие при разложении опавшей листвы и пр.).

Взаимодействие минерального и органического вещества приводит к возникновению почвы.

Что такое денудация?

На равнине обломки горных пород накапливаются там, где и образовались, предохраняя ниже лежащие породы от дальнейшего разрушения. Но везде, где имеется уклон, и особенно в горах, обломки под действием силы тяжести сползают все ниже по склонам. Способствуют этому перемещению подвижные стихии — вода, ветер, ледники. Совокупность процессов, благодаря которым обломочный материал перемещается вниз, называется денудацией (от латинского слова denudare, означающего «обнажать»). Действительно, в результате денудации обнажаются и становятся доступны выветриванию все новые слои горных пород, а это многократно увеличивает скорость их разрушения.

Разрушаются ли скалы и камни из-за деятельности человека?

Деятельность человека оказывает значительное воздействие на окружающую среду. С древних времен люди пытались изменить ландшафт для собственных нужд: они взрывали горы, изменяли русла рек, прорывали тоннели. На данный момент именно техногенное влияние играет главную роль в изменении земной поверхности.

С античных времен человек занимается добычей полезных ископаемых: руды, строительных материалов, драгоценных камней. Для этого разрабатываются рудники, строятся шахты и карьеры. Многие месторождения за сотни и тысячи лет использования были истощены.

Пик выработки приходится на ХХ век. Если раньше добыча производилась с помощью использования труда людей и животных, то в прошлом веке стали применять взрывчатку и различные механизмы. Появились буровые установки, машины, которые позволяют значительно увеличить объемы производства, а следовательно, и ускорить разрушение гор.

Экологи бьют тревогу, ведь такое быстрое изменение ландшафта ведет к уничтожению экосистем. Многие виды животных и растений оказались под угрозой исчезновения, потому что их место обитания изменилось. Вырубка лесов и разработка полезных ископаемых приводят к увеличению опасности схождения лавин и селей, обрушения гор.

Однако человек не только разрушает горы, но и создает новые. Так называемые антропогенные горы, терриконы – это отвалы пустых пород, извлеченных при добыче полезных ископаемых в шахтах или карьерах. Терриконы рекультивируют, засаживают деревьями, делают из них культурные объекты, и наиболее старые из них уже трудно отличить от естественных холмов.

https://youtube.com/watch?v=SXUT9OLTtjE

Может ли ветер разрушить гору?

Да, может, но не сам по себе, а, подобно текущей воде, используя для этого «подручные» средства — песчинки и мелкие камешки. Ветер с силой швыряет их о скалы, и они выбивают в камнях постоянно расширяющиеся ячейки. Слои горных пород снимаются, словно наждаком, а ветер тут же подхватывает и уносит образовавшуюся пыль и песок. Этот процесс получил название дефляции (от латинского слова deflatio, что означает «сдувание», «развевание»), а иногда его называют ветровой эрозией. Процесс этот очень медленный, но в запасе у ветра миллионы лет. За такой срок ветер, действуя совместно с выветриванием и текущей водой, способен стереть в песок и отдельные скалы, и целые горные массивы.

Горы сложены из разных пород. Мягкие, рыхлые породы разрушаются быстро, прочные — медленнее. Поэтому на месте разрушенных гор могут остаться формы рельефа, которые называют столбами, но выглядеть эти столбы могут самым причудливым образом. Такие столбы характерны для многих пустынь, где властвуют ветер и песок. В самом жарком районе Китая, в Турфанской котловине, есть долина, где песчаные бури выточили из скал причудливые изваяния, и ветер, блуждая между ними, наполняет окрестности странными звуками. Местные жители приписывали эти звуки злым духам пустыни, поэтому и назвали долину Долиной бесов.

Поделиться ссылкой

Как воды камень точит?

Движущаяся вода способна размывать и разрушать горные породы. Этот процесс называется эрозией (в переводе с латыни это означает «разъедание»). Эрозионной способностью обладает любая река — и горная, и равнинная. Но разрушительная сила горных потоков особенно велика, так как из-за большого перепада высот они отличаются сильным течением и способны нести не только ил и песок, но и камни, а это как раз тот абразивный материал, с помощью которого горная река «прогрызает» проход даже в горных хребтах, медленно поднимающихся в процессе горообразования на пути уже сформировавшегося горного потока.

Большой каньон (Гранд-Каньон)

Самое впечатляющее ущелье, созданное горной рекой, — это Большой каньон (Гранд-Каньон), рассекающий плато Колорадо на юго-западе США. Его протяженность — 515 км, а ширина в некоторых местах достигает 30 км. Около 60 млн. лет назад равнина, несколько возвышавшаяся над уровнем моря, разделяла реку Уалпай, стекающую со Скалистых гор, и бассейн реки Колорадо. Век за веком река Уалпай вгрызалась в равнину, сложенную рыхлыми слоями осадочных пород. Процесс эрозии привел к тому, что две реки слились, образовав современную реку Колорадо. Миллионы лет дно каньона продолжало углубляться, и в настоящее время достигает фантастической глубины в 1600 м.

Физическое выветривание

Физическое выветривание подразделяется на температурное и морозное.

Температурное выветривание – разрушение горных пород и минералов на поверхности Земли под влиянием колебаний температуры. Известно, что при нагревании и охлаждении твёрдые тела изменяют свой объём. Не являются исключением горные породы и минералы. В результате суточных колебаний температуры в массиве горных пород возникают напряжения двух типов.

Напряжения первого типа (называемые объёмно-градиентными) связаны с неравномерным нагреванием поверхностной и более глубоких частей массива; различие температур (и, соответственно, различное расширение) в этих частях массива приводят к образованию трещин, направленных параллельно его поверхности. Вследствие этого происходит шелушение и отслаивание пород, называемое десквамацией.

Десквамация в слоистой карбонатной породе (плато Лаго-Наки, Большой Кавказ)

Десквамация вулканических пород (вулканический массив Карад-Даг, Крым)

Второй тип напряжений в пределах объёма породы и минерала связан с различием коэффициентов теплового расширения-сжатия минералов. Напряжения этого типа приводят к раскалыванию до уровня минеральных зёрен и далее, по трещинам спайности, до образования частиц размером до сотых долей мм. Быстрее разрушаются темноокрашенные минералы и породы, а также крупнокристаллические полиминеральные породы с большими различиями коэффициентов расширения составляющих их минералов.

Так в процессе температурного выветривания массив пород разрушается с образованием обломочных пород различного размера – от щебня до алевритового материала. Суточные колебания температуры проявляются до глубины 1 м, что определяет максимальную мощность возникающих таким путём обломочных отложений.

Наиболее активно температурное выветривание протекает в пустынях и, в несколько меньшей степени, в нивальных областях и в высокогорных районах, не покрытых снегом. Этому способствует сочетание двух факторов: 1) резкие суточные колебания температуры, достигающие 50оС и 2) обнажённость горных пород ввиду отсутствия растительного покрова и почвенного слоя.

Морозное выветривание – разрушение горных пород в результате периодического замерзания попадающей в трещины воды.

Попадая в трещины, в холодное время суток вода замерзает – превращается в лёд, объём которого, как известно, значительно выше, чем исходный объём воды. Кристаллизующийся лёд оказывает на стенки трещин весьма существенно давление, достигающее 1000 кг/см3 и более, что значительно выше прочности большинства горных пород. Давление льда приводит к расширению трещин и раскалыванию пород на крупные обломки размером от десятков сантиметров до метров в диаметре. Отсутствие более мелкого материала обусловлено тем, что свободная вода не способна проникать в микротрещины.

Наиболее активно морозное выветривание протекает в холодных и умеренных областях с резкими суточными колебаниями температуры, а также в области развития вечной мерзлоты и в зоне деятельности ледников.

Образующиеся в ходе физического и химического выветривания продукты разрушения могут быть перемещены с места своего образования под действием водных потоков, ветра, движущихся ледников и других экзогенных факторов  (процесс перемещения продуктов разрушения горных пород называется денудация) или остаться на месте своего образования. Продукты выветривания, залегающие на месте своего образования, называются элювий. К элювию относят продукты выветривания, не смещённые за пределы площади развития материнских пород (субстата за счёт которого они образовались).

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».

Характерным ландшафтом зон физического выветривания являются каменистые пустыни, или, как их называют в Сахаре, гаммады. Гаммады представляют собой нагромождения глыб и щебня, образующиеся за счёт выветривания горизонтально лежащих платов горных пород и выноса ветром  пылеватых и песчаных продуктов их разрушения. Краю пластов часто расчленены на останцы конусовидной формы, понижения между которыми заполнены россыпями каменных глыб и щебнем.

Говоря о физическом выветривании необходимо подчеркнуть, что оно приводит к механической дезинтеграции пород и минералов, но не приводит к их химическому преобразованию.

Почему и при каких условиях камни могут разрушаться?

Разрушение камней – это длительный процесс, который продолжается миллионы лет. Он происходит под воздействием окружающей среды, и чем оно агрессивней, тем быстрее происходит преобразование породы. Процесс разрушения пород и минералов в природе называется выветриванием. От чего же разрушаются кажущиеся вечными скалы? Основной причиной выветривания является совокупность физических, химических и биологических явлений.

Воздействие атмосферных явлений

Чем вызвано изменение земной коры и горных пород? На горную породу воздействуют такие атмосферные явления, как ветра, колебания влажности, осадки, изменения температуры. Больше всего страдают от выветривания те скалы, которые находятся в регионах с большими перепадами температур, например в пустынях. Нагреваясь в дневное время суток, камни расширяются. Ночью, когда температура падает на 20, а в некоторых регионах и на 30 градусов, происходит охлаждение и резкое сжатие тела. Все это приводит к образованию трещин.

В трещины камней попадает вода. В отличие от других веществ, она при замерзании не уменьшается, а, наоборот, расширяется на десятую часть от своего изначального объема. Таким образом замерзшие частицы льда распирают камень изнутри, и рано или поздно он ломается.

Если на глыбу камня постоянно воздействует вода (например, когда скала расположена у моря или реки), то она постепенно обтачивается. Сила тяжести, ветер, ливни, сели, землетрясения тоже играют значительную роль в разрушении породы.

Химическое выветривание – это разрушение камней, которое происходит в результате химических процессов. Основными факторами химического выветривания в природе являются:

• вода – растворитель, приводит к гидролизу или гидратации;
• углекислый газ – образует карбонаты;
• кислород – окисляет минералы.

Влияние биологических организмов

Другим фактором выветривания в природе является воздействие на горные породы биологических организмов. В трещины камней нередко попадают семена растений, которые прорастают внутри камня. Обычно травы, кустарники и деревья, произрастающие в горах, имеют небольшую корневую систему, однако по мере роста растения разрастаются и его корни. Со временем трещины становятся глубже и шире, что приводит к разрушению камня.

В биогенном выветривании значительную роль играют микроорганизмы. В процессе жизнедеятельности они производят метаболиты – химические соединения, которые влияют на структуру камней и минералов. Постепенно происходит преобразование одной породы в другую или ее разрушение.

Как живые организмы могут разрушить горную породу?

Лишайники, поселившиеся на голых скалах, разрушают их и привносят органические соединения, подготавливая почву, в которой могут прорасти семена растений. Поэтому лишайники и называют пионерами освоения жизненных пространств.

Особенно упорно горные породы разрушают корни растений, проникающие в мельчайшие трещинки и расширяющие их в процессе роста. У различных видов растений, приспособленных к жизни среди скал, кончики корней выделяют органические кислоты растворяющие горные породы. Эти кислоты выделяют и селящиеся на камнях виды мхов и лишайников. Очень велико участие в биогенном выветривании бактерий, одноклеточных водорослей, низших грибов. Посильное участие принимают в нем и животные — моллюски, просверливающие отверстия в прибрежных скалах, грызуны, устраивающие подземные норы и выбрасывающие на поверхность камни.

Как происходит выветривание, и какие остаточные продукты оно формирует?

В классическом понимании продукты, задержавшиеся в породе, принято именовать элювием. По большей части так называют скопления рыхлых обломочных пород с разным составом, будь то глина или глыбы. Также это обломочные накопления солидных продуктов инсоляции (горизонты, корки и калькреты) и метасоматиты.

Выветриваемые продукты формируются в ходе естественных исторических изменений земной коры. Со временем меняется рельеф, климат местности, структура почвы и тектонический режим. Здесь формируются переотложенные скопления, различающиеся между собой вариантом переноса и садиментационными окружающими факторами.

Так, например, одна из разновидностей выветривания горных пород – эрозия. По сути, это выветривание минеральных элементов движущимися ледниками, потоками воды, ветра и гравитацией. Также подобные процессы иногда называют денудацией, то есть, не выветривание, сопровождающееся сносом.

При выветривании имеют место два ключевых условия. Разрушение материнской породы (процессы физического характера), а также химические процессы, включая реакции сообщения/обмена, окисления и гидратации. Как правило, эти два аспекта сочетаются друг с другом в различных соотношениях. При этом первый, как правило, становится подготовкой к химическому этапу.

Подводный тип

Процессы выветривания горных пород имеют место не только на суше, но, как уже было сказано выше, на дне различных водоёмов, преимущественно океанов и морей. Если рассматривать последние, то при наличии морской воды, богатой минералами, а также при смене температур, газовых режимов и давления происходит растворение горной породы и минералов. При этом формируются новообразования элювиального типа с продуктами биологической, метасоматической и химической природы.

Сочетание всех этих процессов в подводной среде приводит к изменению состава минеральных разностей, которые могут присутствовать здесь на дне либо во взвешенном состоянии. Такую совокупность принято называть гальмиролизом. При этом он относится не только к минеральным образцам на морском дне, но и к продуктам вулканической активности.

К числу ключевых факторов разложения минералов в подводной среде принято относить:

• воду;
• состояние газов;
• биос;
• давление;
• степень солёности;
• температурный режим и его изменения.

В зависимости от глубины водоёма, на которой происходят процессы разложения, схема воздействия этих факторов меняется. В зоне подводного разложения температура, при которой происходят процессы распада и выветривания, более низкая, если сравнивать её с температурным режимом химического выветривания в континентальной среде.

С увеличением глубины, на котором формируется донный осадок, растёт показатель давления. На 200 метрах он составляет порядка 20 атмосфер, а на глубине 10 тысяч метров – до 1000 атмосфер. Таким образом, растворимость газов и твёрдых веществ возрастает. Более активно и в краткий период проходят химические процессы. Также меняется их эффективность и направление.

Высокая скорость скопления осадков не влияет на развитие процессов выветривания под водой. Это обусловлено тем, что осаждаемые материалы долгое время не контактировали с природными водами, вследствие их перекрытия новыми осадочными слоями. При этом солёные воды не успевают оказывать выраженного химического воздействия на эти материалы.

По мере удаления от линии берега на море и в океанах, скорость накопления осадков снижается. По этой причине гальмиролиз проявляется более активно на глубоководных участках водоёмов. Также его активность обусловлена от жизнедеятельности микроорганизмов и скорости осадочного скопления.

Растворённое вещество имеет свойство мигрировать в вертикальном направлении, а его частицы – цементироваться. Под действием гидратации, гидролиза, миграции, восстановления и окисления гальмиролизированные осадки синтезируются в другие минеральные породы. К их числу можно отнести:

• фосфориты;
• гидроксид марганца и железа;
• цеолит;
• шамозит;
• карбонаты;
• глауконит;
• цеолит;
• глинистые породы.

Формируются преимущественно фосфатные породы. Бактериальная микрофлора выступает катализатором при гальмиролизе. Они ускоряют химический процесс, однако не изменяют направленность и продукты, которые они продуцируют в процессе.

Химико-физические условия водной среды непосредственным образом влияют на ход и проявление выветривания под водой. Последнее при этом достигает апогея в развитии при нулевых и малых скоростях накопления осадков в районах подводных хребтов и глубоководных областей.

Напоследок хотелось бы упомянуть о фумарольной и гидротермальной переработке осадочных образований в местах вулканической активности. Здесь преобладают сульфат-ионные составы, а также пирокластические осадки пепла, которые наряду с кислой средой и высокими температурами делают глинозём подвижным. Это, в свою очередь, формирует белоцветной и пестроцветной элюфий, который по Калугину называется сольфатарно-фумарольная кора выветривания.

Химическое выветривание

Химическое выветривание представляет собой процесс химического преобразования минералов и горных пород под воздействием воды, кислорода, углекислого газа, органических кислот, а также вследствие биогеохимических процессов.

Преобразование происходит вследствие реакций окисления и гидратации (например, преобразование пирита по схеме FeS₂ + mH₂O + nO₂ – FeSO₄ — Fe₂SO₄ – Fe(OH)₃ – Fe₂O₃.nH₂O), растворения и гидролиза. Особое место занимают реакции гидролиза — ионного обмена между веществами и водой, приводящие к разрушению даже весьма устойчивых структур силикатов, сопровождающемуся их гидратацией и выносом элементов из кристаллической решётки. Примером такой реакции, может служить разрушение каркасной структуры полевых шпатов (самых распространённых в земной коре минералов) с образованием глинистых минералов и, далее, гиббсита:

K[AlSiO₃] + CO₂ + H₂O – Al₄[Si₄O₁₀](OH)₈ + K₂CO₃ + SiO₂ – AlО(OH)₃ + SiO₂.

Необходимо отметить ещё одну функцию воды, без которой невозможно химическое преобразование пород: вода обеспечивает «доставку» агентов химического выветривания и вынос продуктов реакций. 

Транспортировка веществ происходит почвенно-грунтовыми водами в виде истинных и коллоидных растворов.

Важное значение в процессах химического выветривания имеют органические кислоты, активно способствующие разложению минералов. Процессы химического выветривания протекают ниже почвенного слоя, просачиваясь через который воды обогащаются органическими соединениями

Необходимыми условиями глубоко химического выветривания являются:

• климат, при котором достигается сочетание высоких температур и влажности (гумидный тропический);
• обилие и характер растительности (при её разложении образуются органические кислоты, активно разрушающие минералы);
• выровненный рельеф, обеспечивающий неподвижность продуктов разрушения;
• продолжительность выветривания.

Важно подчеркнуть роль ландшафтных условий. В гумидных ландшафтах развита лесная растительность, обладающая огромной биомассой и разлагающаяся почве микроорганизмами с образованием органических кислот, поэтому почвенные воды гумидных ландшафтов обладают кислой реакцией и активно воздействует на минералы исходных горных пород; в таких условиях выветривание протекает под воздействием постоянного промывания горных пород кислыми растворами

В аридных ландшафтах, отличающихся недостаточной увлажнённостью, распространена травянистая растительность. Её биомасса в десятки раз меньше биомассы лесов. Кроме того, почвенная микрофлора перерабатывает растительные остатки с образованием высокополимеризованных органических соединений, которые не обладают агрессивными свойствами по отношению к минералам. Почвенные воды имеют нейтральную или слабощелочную реакцию, поэтому интенсивного промывания выветривающейся толщи агрессивными возами не происходит, и в ней постепенно сохраняются относительно легкорастворимые соединения.

Процессы химического разложения приводят к разрушению кристаллических решёток минералов, даже весьма устойчивых, высвобождению из них химических элементов. Так выветривание гранитов может завершиться формированием за сёт слагающих их минералов толщи глин, обогащённых водными окислами алюминия.