«Все течет, все изменяется» — это, ставшее крылатым выражение, высказанное философами в античное время, очень точно отражает непостоянство природных условий и всех внешних оболочек Земли. Все люди привыкли считать земную поверхность чем-то прочным, надежным и незыблемым. Но стоит в какой-то части планеты произойти катастрофическому землетрясению или извержению вулкана, как мы чувствуем себя неуютно и беспомощно перед стихией. Извержения вулканов и землетрясения, так же как и кратковременные, но грандиозные атмосферные явления — смерчи, тайфуны, циклоны и антициклоны, на глазах людей сильно изменяют земную поверхность. Но вместе с кратковременными и значительными воздействиями на земную поверхность стихийных природных явлений на нее медленно, постепенно, в течение многих тысячелетий действуют самые разнообразные геологические процессы. Под их воздействием разрушаются горы, расширяются ущелья рек, видоизменяются очертания морских побережий, возникают и исчезают пустыни.
Поверхность Земли видоизменяется под действием климата (действие сезонных и суточных температур и влажности), ветра, ледников, поверхностных и подземных вод, разнообразных организмов и т. д. Однако как же ученые смогли определить даже не деятельность, скорее, результаты того или иного процесса? Ведь когда говорят, что река размывает берег, переносит камни, окатывает их, постепенно истирает, выносит в море, то это вовсе не значит, что геологи годами сидели на берегу реки или ходили вдоль русла, а тем более опускались на дно моря, чтобы увидеть и проследить весь процесс образования галек, превращения их в песок и формирование осадков в русле, пойме или в море. Вовсе нет. Для того чтобы вывести эту закономерность, ученые сравнивали между собой форму камней, их величину от истоков рек до устья, анализировали минеральный состав песка, видели, как иногда река подмывает берег и происходят обвалы или меняются направления русла. Эти превращения хоть и происходят на наших глазах, но идут очень медленно. Ведь для того чтобы превратить обломок гранита в гальку, а тем более истереть его песок, необходимо не одно столетие.
Точно таким же образом поступают геологи, когда изучают геологическую деятельность ледников, морей и озер, ветра и организмов. Они видят различные фазы развития на разных объектах, затем мысленно нанизывают их на воображаемую непрерывную ленту, и тогда все фрагменты оказываются связанными единой логической последовательностью.
Выветривание и почвы
Твердую наружную оболочку Земли, или литосферу, наряду с коренными монолитными породами слагают рыхлые образования, возникшие путем разрушения подстилающих их коренных пород или принесенные издалека ветром, водой или льдом. Рыхлые породы часто изменены до состояния почвы. Превращение твердых пород в почву обусловлено преобразованием физической формы и химического состава под действием воздуха, воды и микроорганизмов. Этот длительно развивающийся процесс носит название выветривания. Каким же образом осуществляется процесс выветривания? Какой бы твердой и монолитной не была горная порода, с течением времени она рассекается множеством трещин. Последние возникают в основном в результате различного коэффициента расширения минералов, слагающих горную породу. Стальные конструкции мостов, бетонные тротуары, стальные рельсы увеличиваются в объеме в жару и уменьшаются в холод. Для того чтобы сохранить их целостность, в определенных местах устраивают зазоры. Однако горные породы, состоящие из зерен или обломков минералов, таких зазоров не имеют, и чередование нагревания и охлаждения, вызванное суточным и сезонным колебанием температур, приводит к возникновению в монолитных глыбах серии трещин. Это начальная стадия физического выветривания. В трещины проникает вода, которая растворяет и преобразует минералы, при замерзании увеличивается в объеме и расширяет трещины. В конце концов твердые горные породы разрушаются или, как говорят геологи, происходит их дезинтеграция. Это означает, что произошло механическое разрушение породы с образованием частиц меньшего размера, но одинакового минерального и химического состава.
Дезинтеграцию горных пород производят также растения и животные. Будете на Южном берегу Крыма, обратите внимание на то, как борется за свое существование крымская сосна на глыбах известняка. Ее корни прорастают в трещины и расщелины, расширяют их, распирают, а иногда и выталкивают отдельные куски породы на поверхность. О силе корневой системы можно судить по целому ряду случаев. Например, довольно часто деревья, вросшие в расщелину, раскалывают отдельные глыбы твердых известняков и даже гранитов, а в городах корни деревьев приподнимают и разрушают бетонные тротуары. Механическому разрушению способствуют земляные черви, муравьи, грызуны и другие землеройные животные, а также копытные животные. Значительную лепту в дезинтеграцию массивных пород вносит человек, когда он пробивает тоннели, разрабатывает рудники и карьеры, прокладывает дороги. Под действием воды и перепада температур (суточных, месячных, сезонных) от монолитной породы часто отслаиваются чешуйки или отдельные пластины, при этом они обнажают для дальнейшего выветривания свежий участок. Иногда некогда твердая порода, залегающая горизонтально, разбивается сеткой трещин и принимает вид булыжной мостовой.
Обломки породы, состоящие из крупных зерен (например, граниты), после шелушения при продолжающемся процессе физического выветривания испытывают дальнейшую дезинтеграцию, вплоть до обособления минеральных зерен. Мелкие зерна удаляются водой или ветром а крупные остаются на месте и подвергаются новому воздействию. Таким путем образуется дресва. В приполярных странах и на высокогорье широко распространена гранитная дресва.
Одним из основных агентов выветривания является вода. Растворяя химические элементы, насыщаясь углекислым газом, вода постепенно становится агрессивной и воздействует на горные породы уже как слабая кислота Действие химического выветривания протекает постепенно, стадийно. Вначале в результате гидролиза разрушается кристаллическая структура минералов. Вода диссоциирует на ионы водорода и группы гидрофильного ряда (ОН), затем вступает в реакцию с кристаллическими веществами. Ионы замещают атомы в кристаллах или вступают с ними в реакцию, тем самым нарушается кристаллическая структура. Кальции, магнии, натрий и калий растворяются, а соединения алюминия и железа образуют гидроксиды. Процесс образования последних носит название гидратации. Кроме того, при химическом выветривании происходит окисление соединений двухвалентного железа в трехвалентное. При этом меняется не только внутренняя структура горной породы, но и ее цвет, и физические свойства.
В результате химического выветривания от твердой горной породы остается рыхлый глинистый материал, химический и минеральный составы которого зависят от первичного состава материнской породы и климата. Глина служит сырьем для керамической промышленности. Особенно ценна каолиновая глина, обладающая огнеупорными качествами.
В процессе выветривания не все минералы и химические соединения преобразуются. Имеются так называемые устойчивые минералы, на которые не могут воздействовать химически активные растворы, и по мере выноса и растворения слабоустойчивых минералов и соединений они постепенно накапливаются.
При выветривании магматических пород освобождаются и накапливаются золото, алмазы и многие драгоценные камни.
Одним из главных факторов выветривания является климат. Он регулирует скорость и направление выветривания. Для полного преобразования горных пород и глубокого проникновения агентов выветривания очень благоприятен жаркий влажный климат экваториального пояса. Сухой и жаркий климат пустынь сильно ограничивает химическое выветривание, так как отсутствует один из важных факторов выветривания — вода. Имеющаяся все-таки в небольших количествах капиллярная вода медленно поднимается к поверхности, откладывает соли, которыми цементируются рыхлые пустынные пески, в результате чего довольно часто образуются гипсовые или соляные корки.
Падение температур даже при высокой увлажненности снижает интенсивность выветривания и уменьшает его скорость. В умеренном относительно влажном климате химическое выветривание постепенно прекращается, и на первый план выступает физическое. Особенно интенсивно дезинтеграция горных пород протекает в холодном климате.
Почва образует тонкий слой и формируется при выветривании горных пород. Она состоит из нескольких горизонтов: верхнего (перегнойно-элювиальный) — богатого органическими веществами и почвенными организмами; среднего (элювиальный), или подпочвенного - состоящего из глин, окисленных и выщелоченных; нижнего — представленного рыхлой размягченной породой, сходной по составу с залегающей под ней материнской породой. Состав почв и их продуктивность зависят от климата, растительности, рельефа, материнских пород и почвенных организмов.
Поверхностные и подземные воды
Эрозия земной поверхности начинается с момента удара дождевых капель о землю.
Обратите внимание на обнаженную, лишенную растительного покрова землю после дождя. Вокруг каждого камешка земля вынесена, лишь под ним, как бы под его защитой, сохраняется крошечный участок почвы. Когда дождевой воды выпадает больше, чем она может впитаться в почву, то избыток ее начинает стекать по наклонной поверхности. Стекая по склону, она вызывает плоскостную эрозию, или плоскостной смыв. Чем больше воды стекает по склону, тем сильнее эрозия, За год вниз по склону перемещаются десятки тонн плодородной почвы с каждого гектара земли. На склоне от стекающих ручейков воды образуются небольшие промоины. Собирающаяся в ручейки вода обладает большой разрушающей силой и воздействует на склон как активный агент эрозии. Ручейки изменяют конфигурацию склона, размывают мелкие промоины и овражки, превращая их в маленькие долинки.