Физическое выветривание

Процессы физического выветривания приводят к механическому разрушению минералов и горных пород — их измельчению и превращению исходной породы в зоне выветривания в щебень, дресву, песок или глину. Основными факторами, приводящими к механическому разрушению горных пород, являются колебания температуры, механическое воздействие воды при ее замерзании в трещинах и порах горных пород, кристаллизация солей, клинообразное действие развивающейся корневой системы растений, жизнедеятельность роющих животных.

В зависимости от природы воздействующего фактора выделяют разновидности физического выветривания: температурное и морозное.

Температурное выветривание. Этот вид физического выветривания происходит в результате колебания суточных и сезонных температур, вызывающих переменное нагревание и охлаждение горных пород, что приводит то к расширению и увеличению, то к сжатию и уменьшению их объема. В результате многократно повторяющихся растягивающих и сжимающих напряжений горные породы растрескиваются и дробятся на обломки различных размеров.

Особенно интенсивно при температурном выветривании разрушаются полиминеральные горные породы (граниты, сиениты, гнейсы, песчаники) вследствие различных коэффициентов объемного расширения минералов (у кварца он равен 0,00031, полевого шпата (ортоклаза) — 0,00017, у роговой обманки — 0,000234). Так как изменение объемов различных минералов происходит весьма неравномерно, то в породе возникают внутренние напряжения, ослабляющие силу сцепления между минеральными зернами, и порода разрушается.

Мономинеральные горные породы (мрамор, кварцит, известняк) также подвержены температурному выветриванию, так как большинство минералов обладают анизотропией теплофизических свойств по разным кристаллографическим направлениям. Поскольку в любой породе ориентировка зерен весьма разнообразна, при температурном выветривании в мономинеральных агрегатах возникают разнонаправленные напряжения, что в итоге приводит к их разрушению. На интенсивность температурного выветривания влияет и окраска минералов. Темноцветные минералы нагреваются сильнее, чем светлоокрашенные, а охлаждаются те и другие примерно одинаково. А так как интенсивность физического выветривания прямо пропорциональна амплитуде колебания температуры, темные минералы быстрее и разрушаются. Например, габбро, в составе которого до 50 % темноцветных минералов, разрушается быстрее гранита при одних и тех же температурных колебаниях.

Интенсивность температурного выветривания зависит от строения (структуры) и сложения (текстуры) горных пород. Равнозернистые породы выветриваются медленнее пород с порфировой структурой, а крупнозернистые разности значительно быстрее мелкозернистых или стекловатых. Породы с массивной текстурой более устойчивы к перепадам температур, чем породы со сланцеватой и пористой текстурой. Кроме того, в породах со сланцеватой текстурой нагревание и охлаждение по сланцеватости происходит в два-три раза быстрее, чем в перпендикулярном сланцеватости направлении.

Выветривание горных пород под влиянием колебания температур начинается с их поверхности, постоянно проникая вглубь, вплоть до пояса постоянных температур. Однако, будучи плохими проводниками тепла, внешние нагреваемые солнцем поверхности горных пород расширяются значительно больше внутренних частей. В результате между поверхностными и глубинными участками породы возникают трещины, идущие вдоль поверхности. Породы по этим трещинам начинают шелушиться и отслаиваться. Подобный процесс отслаивания поверхностных частей горных пород называется десквамацией (от лат. десквамаре — снимать чешую). В результате неправильные по форме глыбы со временем превращаются почти в правильные шары, каменные пушечные ядра. В Восточной Сибири, в долине реки Нижняя Тунгуска, на пластовых диабазовых интрузиях — силлах — такие шары разбросаны в огромных количествах. Их даже принимали за валуны, окатанные водой (рис. 13.1).

Поскольку прочность и монолитность даже у одной и той же горной породы разная, то одни ее участки поддаются выветриванию быстрее, чем другие. Благодаря такому избирательному выветриванию появляются разнообразные «чудеса» природы в виде арок, ворот, столбов (рис. 13.2). Своеобразные формы, напоминающие грибы, пирамиды часто наблюдаются в Приольхонье (центральная часть Западного Прибайкалья). Сложены они пегматитами или мраморами и носят название «останцов»-свидетелей (рис. 13.3).

Морозное выветривание — периодически повторяющиеся расширения и сжатия, сопровождающие процесс замерзания и оттаивания воды в трещинах и поровых пространствах горных пород при колебаниях температуры около точки замерзания воды. Так как при замерзании и превращении в лед вода расширяется примерно на 9 % своего первоначального объема, то образовавшийся лед производит давление (до 1000 кг на 1 см2) на стенки трещин, разрывая даже самые твердые породы.

Процессы физического выветривания протекают быстрее, если породы обладают трещиноватостью. Важную роль при этом играют трещины отдельности, образующиеся при уменьшении объема породы в процессе ее остывания. Каждая магматическая порода обладает свойственной ей системой трещин отдельности, по которым процессы выветривания проявляются прежде всего. Так, для базальтов характерна столбчатая отдельность (шестигранные столбы) (рис. 13.4), для гранитов — матрацевидная (рис. 13.5). Наиболее подвержены морозному выветриванию микропористые, влагоемкие осадочные породы (глины, суглинки, мергель, мел, глинистые и мелкозернистые пески, трещиноватые карбонатные породы).

Одним из результатов механического выветривания является образование — «каменных морей» — сплошных россыпей глыб и щебня на плоских поверхностях скал и курумов — «каменных потоков» на склонах гор (рис. 13.6). В гольцах Прибайкалья и Северного Забайкалья курумы — одно из самых распространенных образований — они занимают от 11—15 до 50—55 % площадей в районе развития многолетнемерзлых пород. Зоны трещиноватости подвергаются выветриванию под действием расклинивания пород тонкими водными пленками, роль которых особенно важна в мерзлых зонах и чрезвычайно интенсивна при низких температурах. Такие процессы выветривания происходят в толще от верхней поверхности мерзлоты до глубины нулевых годовых колебаний температуры в горных породах.

Скорость перемещения курумов неравномерна: максимальная скорость в Восточном Саяне на склонах крутизной 40—45° достигает 145 см/год, скорость в Забайкалье — 45—64 см/год, а на Алданском щите и Становом Хребте — соответственно 5—20 и 20—80 см/год.

Еще одним следствием морозного выветривания, распространенного в областях развития многолетнемерзлых пород, является образование повторно-жильных льдов в результате морозобойного растрескивания. Вертикальная протяженность таких жил льда достигает иногда 40 м при поперечной мощности до 6—8 м (рис. 13.7).

Физическое выветривание приводит к дезинтеграции (разрушению) горных пород без изменения их химического и минерального состава.