Биокосные системы Земли

Кора выветривания

Граниты, базальты, известняки и другие скальные горные породы на земной поверхности разрушаются с образованием рыхлых продуктов. Этот процесс получил наименование выветривания, а образующаяся рыхлая толща — коры выветривания.

При благоприятных условиях, как, например, во влажном и жарком климате тропиков, выветривание охватывает толщу пород мощностью в десятки и даже сотни метров.

Изучение выветривания сделало большие успехи еще в XIX в., однако в то время часто не отличали почву от коры выветривания. Докучаев первым, как уже говорилось, обосновал понятие о почве как об особой природной системе. После его работ в русской, а позднее и в зарубежной науке стали четко разграничивать эти два образования.

Большинство геологов и почвоведов в настоящее время понимает под корой выветривания рыхлые продукты разрушения горных пород, образующиеся под почвой за счет поступающих из нее растворов. И для элювиальной почвы, и для залегающей под ней коры выветривания характерны инфильтрация атмосферных осадков, выщелачивание растворенных соединений, выветривание первичных силикатов с образованием глинистых минералов, формирование профиля, расчленяющегося на горизонты.

Поэтому надо отличать процесс выветривания, который протекает и в почвах, и в илах, и в других системах земной коры, от коры выветривания — особой природной системы.

Что же в таком случае отличает кору выветривания от почвы?

Для почвы характерна биогенная аккумуляция химических элементов под влиянием растительности, которая отсутствует в коре выветривания. Подвижность ряда элементов фосфора, калия, кремния и др. в процессах выветривания и биогенной аккумуляции различна (рис. 9).

В районах теплого и влажного климата под почвой часто образуется мощная, хорошо выраженная кора выветривания, в то время как в полярных районах, пустынях, районах развития многолетней мерзлоты, на крутых склонах гор кора выветривания как особая система маломощна или даже отсутствует.

Термин «кора выветривания» иногда употребляют в широком смысле, понимая под ним также и перемещенные рыхлые продукты, т. е. отложения склонов, речных долин, озер и т. д. Б. Б. Полынов в связи с этим различал остаточную (элювий) и аккумулятивную кору выветривания (делювий, аллювий и т. д.). В аналогичном смысле употреблял термин «кора выветривания» В. И. Вернадский.

Из современных ученых такую терминологию применяют акад. АН БССР К. И. Лукашев и его школа. Однако подавляющее большинство геологов понимает под корой выветривания остаточные продукты, залегающие на месте выветривания, т. е. элювий. В этом смысле термин «кора выветривания» используется и в данной книге.

Рис. 9. Миграция химических элементов в элювиальной почве (П) и залегающей под ней коре выветривания (КВ).

На горизонталях помещены обобщенные ряды элементов по убыванию интенсивности миграции. 1 — выветривание минералов, выщелачивание растворимых соединений; 2 — биогенная аккумуляция химических элементов под влиянием растительности

Изучение современной коры выветривания сделало за последние десятилетия большие успехи, главным образом в связи с решением практических вопросов — поисками полезных ископаемых, строительством дорог, каналов, зданий.

Некоторые виды коры выветривания содержат руды алюминия, никеля, железа, редких элементов, представляют интерес как сырье для керамической промышленности (каолин) и т. д.

Древняя кора выветривания. Выветривание протекает на земной поверхности уже несколько миллиардов лет — с момента формирования литосферы, атмосферы и гидросферы.

В отдельные геологические периоды условия для выветривания были особенно благоприятны, и мощная хорошо разложенная кора выветривания существовала на огромных пространствах. К таким периодам, например, относится промежуток времени в несколько десятков миллионов лет с конца триасового периода до начала юрского (Т₃—J₁). В это время, около 180 млн. лет назад, во многих районах Земли господствовал влажный и теплый тропический климат, преобладал равнинный рельеф. На месте современного великого пояса азиатских степей и пустынь в верхнем триасе и нижней юре росли тропические леса, текли полноводные реки, было много озер и болот.

В этих ландшафтах нижнего мезозоя формировалась мощная кора выветривания, остатки которой обнаружены во многих районах Урала, Казахстана, Западной Сибири. Местами она перекрыта молодыми отложениями, но часто выходит и на земную поверхность. Подобные образования получили наименование древней коры выветривания. Помимо триас-юрской коры известны и более молодые и более древние коры — докембрийские, палеозойские, меловые и т. д. (рис. 10, 11).

На древние коры выветривания обращали внимание еще ученики Докучаева К. Д. Глинка и П. А. Земятченский, известный немецкий географ Ф. Рихтгофен, однако создание особого раздела геологии — учения о древней коре выветривания — связано с именем выдающегося советского ученого И. И. Гинзбурга (1882—1965). В 1912 г. вышла из печати его книга «Каолин и его генезис», которая столь обстоятельно трактовала вопрос, что трудно было поверить, что ее автор студент Петербургского политехнического института. В дальнейшем изучение древней коры выветривания становится главным делом жизни ученого.

Энтузиаст и труженик пауки, Гинзбург изучал Древнюю кору выветривания на Урале, Украине, в Казахстане и других районах СССР. Он привлек к этой работе молодых геологов, создал группу по изучению древней коры в Академии наук СССР, организовал выпуск специальных сборников «Кора выветривания», выходящих и в настоящее время, лично опубликовал более 260 работ.

Благодаря работам И. И. Гинзбурга и его школы учение о древней коре выветривания оформилось в СССР в самостоятельный и важный раздел геологии. В 1967 г. В. П. Петровым была опубликована первая в мировой литературе монография, излагающая основы этого учения.

Рис. 10. Геоморфологические условия распространения древней коры выветривания в Казахстане (по В. Н. Разумовой, 1952).

Рис. 11. Древние коры выветривания в степях и пустынях Австралии (по М. А. Глазовской, 1973).

а — Центральная Австралия, горы Макдоннелл в районе Алис-Спрингс; б — Центральная Австралия, окраина пустыни Симпсона; в — Южная Австралия, между заливом Спенсера и котловиной озера Торренс

Геохимические идеи в изучении коры выветривания. В XX в. методология геохимии оказала большое влияние на изучение процессов выветривания и коры выветривания.

Возникло особое научное направление — геохимия коры выветривания, основателем которого был Б. Б. Полынов (1877—1952). Он начинал свою деятельность в качестве почвоведа-географа, проводя обследование почв Черниговской губернии и совершенно в то время не изученной Тырминской горной тайги на Дальнем Востоке (район нынешней трассы БАМа).

В 1917 г. в журнале «Природа» была напечатана статья ученого «Кора выветривания и почва», а в 1934 г. Академия наук опубликовала широко известную монографию «Кора выветривания», в которой была изложена новая геохимическая концепция развития этой биокосной системы. Геохимические подходы к выветриванию наблюдались и в более ранних работах — в трудах основателей геохимии Вернадского и Ферсмана, Коссовича, немецких ученых Гаррасовитца и Бланка, американцев Ван-Хайза и Смита. Но только в работе Полынова эта концепция была разработана глубоко и детально, как самостоятельное направление науки.

Первый вопрос, который рассмотрел Полынов, касался интенсивности миграции химических элементов при выветривании изверженных пород. Еще американский геолог Смит в 1917 г. применил оригинальный прием для решения этого вопроса. Он сравнил средний состав изверженных пород со средним составом речных вод, дренирующих такие породы, и пришел к выводу, что быстрее всего при выветривании покидают породы хлор и сера, затем кальций, натрий и марганец и слабее всего мигрируют железо и алюминий. Смит не развивал далее это направление научной мысли, и его труды не привели к разработке самостоятельной научной теории.

Б. Б. Полынов использовал пересчет Смита, развил его, но самое главное — положил в основу теории формирования коры выветривания (табл. 2).

Вот что писал сам ученый: «Мы видим, что состав растворенной в речной воде минеральной части существенно отличается от состава тех пород, которые отдают воде свои минеральные части. Мы видим, что хлор, составляющий ничтожную часть массы свежих, не тронутых выветриванием, первичных пород, в минеральном остатке речной воды превышает 6%. Это произошло, понятно, не потому, что в речную воду попал откуда-либо новый хлор, но потому, что его соединения в породах растворились в воде гораздо скорее, чем соединения других элементов.

Таблица 2. Относительная подвижность элементов при выветривании

Представим себе, что в некоторый определенный срок времени какая-либо определенной величины масса горной породы отдает в раствор речной воды весь заключавшийся в ней хлор. Если бы соединения серы этой породы обладали бы такой же подвижностью, как и соединения хлора, то количество SO₄^2-, растворенного в речной воде, должно было быть в три раза больше, чем количество хлора, как это мы наблюдаем в составе горных пород (0,15 : 0,05 = 3), т. е. оно должно было бы составлять 20,25% всего минерального остатка. В действительности же оно, как мы видим, составляет только 11,6%, т. е. сера, выраженная в ионах SO₄^2-, перешла за этот же промежуток времени в раствор лишь в количестве 57% ее массы, заключенной в горной породе. Распространяя этот прием исчисления на все другие соединения и элементы, мы получаем числа, приведенные в 3-м столбце. Мы видим, что числа можно расчленить на несколько групп соответственно их порядку. Расположенные таким образом, они дают ясное представление о последовательных фазах, которые переживают накопления продуктов выветривания, а именно:

Первая фаза знаменуется тем, что продукты выветривания лишаются соединений хлора и серы. Само собой разумеется, что с этими анионами уходит и некоторое количество катионов, но значительная часть последних остается еще связанной с другими анионами и главным образом, понятно, в форме силикатов.

Во второй фазе продукты выветривания, уже лишенные соединений хлора и серы, лишаются щелочных и щелочноземельных оснований. Эта фаза расчленяется на две стадии, соответственно более высокой подвижности кальциево-натриевых соединений по сравнению с магнезиально-калийными.

В третьей фазе лишенные в значительной части щелочных и щелочноземельных оснований продукты выветривания лишаются кремнезема силикатов. И, наконец, в последней — четвертой стадии, когда продукты выветривания слагаются почти исключительно полуторными окислами, последние также подвергаются большому или меньшему перемещению»[8].

Табл. 3. Ряды миграции химических элементов в коре выветривания силикатных пород

В дальнейшем автор показал, что об интенсивности миграции химических элементов можно судить по отношению их содержания в минеральном остатке вод (речных, грунтовых, подземных) к содержанию в горных породах.

Это отношение — коэффициент водной миграции (K_x) — рассчитано для большинства химических элементов; установлена его связь с показателем, используемым Полыновым.

Как следует из табл. 3, интенсивность миграции элементов колеблется в очень больших пределах — хлор и сера выщелачиваются в тысячи раз быстрее, чем кремний, алюминий, железо. Поэтому общая тенденция формирования коры выветривания — вынос наиболее подвижных элементов и относительное накопление наименее подвижных, особенно кремния, алюминия, железа.

Часть химических элементов поступает в воды не только за счет выветривания горных пород, но и из атмосферы, с осадками. Это особенно относится к хлору и сере, которые получили наименование «циклические элементы». Их связь с атмосферными осадками отмечалась еще П. С. Коссовичем, Г. Н. Высоцким, американским геохимиком Е. Конвеем и многими другими учеными. Важную роль серы атмосферных осадков в питании речных и грунтовых вод показали Ф. В. Чухров с сотрудниками с помощью изотопных измерений (изучалось отношение S³² : S³⁴ в различных водах). Поэтому интенсивность водной миграции хлора и серы, определенная с помощью пересчетов, вероятно также фтора, брома, йода и некоторых других элементов, несколько завышена. Однако поправки на «атмосферный принос» не меняют принципиальной стороны выводов Полынова: при выветривании интенсивность выноса элементов резко различна, она колеблется на несколько порядков и в той последовательности, которая была намечена уже первыми работами Смита (железо, алюминий наименее подвижны, хлор, сера — наиболее).

Табл. 4. Фазы развития коры выветривания изверженных пород (ортоэлювин)

Табл. 5. Фазы развития коры выветривания изверженных пород в зависимости от климатических условий

Большая заслуга Полынова состояла в том, что он широко применил концепцию развития при изучении коры выветривания, положил в основу своей теории. Ученый полагал, что выветривание изверженных пород проходит ряд стадий от обломочной обызвесткованной (вынесены только хлор и сера) до сиаллитной (вынесена значительная часть катионов) и аллитной (вынесена большая часть катионов, кремнезема, в коре накапливаются гидроокислы алюминия и железа). Следовательно, по Полынову, направление выветривания, тенденция выветривания едины, но различия в климате определяют скорость процесса и конечную стадию — в пустыне аллитная стадия не достигается (табл. 4, 5).

Кора выветривания и почвы постоянно подвергаются воздействию поверхностных и подземных вод (почленных, грунтовых), верхние горизонты почвы смываются. За счет их размыва и переотложения, а частично и за счет размыва невыветрелых пород в понижениях рельефа образуются различные континентальные отложения — делювий (отложения склонов), аллювий (речные отложения) и др. В этих отложениях аккумулируется часть растворенных соединений, вынесенных из коры выветривания (рис. 12).

Полынов создал представление о закономерном геохимическом сопряжении коры выветривания (элювия) и континентальных отложений. Так, например, в сухих степях и пустынях элювий относится ко второй фазе и содержит CaCO₃ (обломочная обызвесткованная кора), а в континентальных отложениях накапливаются продукты первой фазы — легкорастворимые хлориды и сульфаты (рис. 13).

Рис. 12. Схема миграции веществ в коре выветривания и континентальных отложениях.

1 — коренная порода; 2 — кора выветривания; континентальные отложения: 3 — делювий; 4 — аллювий; 5 — поступление веществ в кору выветривания из атмосферы (H₂O, CO₂, O₂ и др.); 6 — вынос веществ из коры выветривания поверхностным и подземным стоком; 7 — аккумуляция веществ из грунтовых вод; 8 — аккумуляция легкоподвижных продуктов выветривания и взвешенного материала из поверхностных вод

В таежной зоне элювий в своем развитии достигает третьей фазы и производные аккумуляции имеют глинистый состав.

Кору выветривания изверженных и метаморфических пород Полынов назвал ортоэлювием. Изверженные породы формировались в условиях, отличных от земной поверхности, и поэтому они изменяются особенно сильно. Кора выветривания резко отличается от материнской породы.

Для развития элювия характерна обломочная стадия, которая в горных и аридных районах существует неопределенно долгое время. Производными от ортоэлювия являются ортоделювий, ортопролювий, ортоаллювий и другие континентальные отложения.

Кора выветривания морских осадочных пород называется параэлювием. Изменение осадочных пород при выветривании по сравнению с изверженными породами часто менее значительно. Поэтому кора выветривания не всегда резко отличается от материнских пород (например, при выветривании глин), но все же некоторые типы осадочных пород сильно изменяются на земной поверхности, особенно в условиях влажного климата. Обломочная стадия при выветривании глин отсутствует.

Рис. 13. Обызвесткованный ортоэлювий степей и пустынь и его производные.

1 — коренная изверженная порода; 2 — обызвесткованньй ортоэлювий; 3 — карбонатный делювий. Область аккумуляции легкорастворимых солей: 4 — озерный аллювий — хлоридно-сульфатные аккумуляции; 5 — соленое озеро

Для параэлювия характерны те же геохимические типы коры выветривания, что и для ортоэлювия, однако нередко они отмечены специфическими особенностями. Кроме того, имеются еще и новые геохимические типы: соленосный элювий, элювий гипсоносных пород («гипсовая шляпа») и др. Производными от параэлювия являются параделювий, парааллювий и другие континентальные отложения.

Элювий континентальных отложений именуется неоэлювием. Эти отложения образовались на земной поверхности или в водоемах суши. Поэтому неоэлювий часто выражен неотчетливо, так как континентальные отложения сами являются переотложенными продуктами выветривания и в элювиальных условиях изменяются слабо. Нередко выветривание захватывает только почвенную толщу, и кора выветривания не образуется. Но все же имеются случаи достаточно резкого проявления выветривания, например образование кислой коры на лессовидных суглинках в таежной зоне. При этом суглинки теряют карбонаты и приобретают бурую окраску. Континентальные отложения, производные от неоэлювия, в общем, аналогичны производным от параэлювия. В отдельных случаях можно говорить о неоделювии, неопролювии с особыми геохимическими свойствами (отложения некоторых содовых озер и др.).

В итоге Полынов создал представление о трех циклах формирования коры выветривания — фазах развития элювия и их производных.

До сих пор мы в основном рассматривали явление выноса химических элементов из коры выветривания. Однако в коре выветривания протекают и прямо противоположные процессы аккумуляции веществ, поступающих из атмосферы. Это в первую очередь относится к кислороду воздуха, воде, углекислому газу, а также хлору и сере.

Кора выветривания — это область широкого развития процессов окисления. Например, железо, марганец и сера в изверженных породах в основном находятся в двухвалентной форме Fe²⁺, Mn²⁺, S^2-, а в коре выветривания, окисляясь, дают соединения Fe³⁺, Mn⁴⁺, S⁶⁺(Fe₂O₃, MnO₂, Na₂SO₄, CaSO₄ и т. д.). Не менее характерны для коры выветривания и процессы гидратации — почти все вторичные минералы содержат воду (гидратную, кристаллизационную и др.), в то время как в большей части первичных минералов ее нет. В районах с засушливым климатом для коры выветривания характерно также образование различных карбонатов, главным образом CaCO₃.

Такие химические элементы горных пород, как кальций, натрий, калий, магний, сера и хлор, в процессе выветривания сравнительно легко покидают кристаллические решетки первичных минералов (полевых шпатов, слюд и т. д.) и образуют в коре выветривания простые легко- и труднорастворимые соли (CaCO₃, Na₂SO₄, NaCl и т. д.). Часть атомов этих элементов находится в природных водах в виде простых или комплексных ионов (Na⁺, Са²⁺, SO₄^2-, Cl^- и т. д.), а часть поглощается организмами и коллоидными системами. В отличие от этих элементов окислы кремния, алюминия, железа, титана и марганца, составляющие 84,11% земной коры, значительно хуже растворимы, в связи с чем содержание их в природных водах, а также в организмах значительно ниже; они образуют меньше растворимых солей. В ходе выветривания эти элементы чаще всего дают богатые водой коллоидные осадки (гели), со временем теряющие часть воды и приобретающие упорядоченную (кристаллическую) структуру. Если кристаллическая структура былых гелей обнаруживается невооруженным глазом или под микроскопом, то они называются метаколлоидами. Поскольку элементов второй группы в земной коре значительно больше, чем первой, преобладающая часть твердых продуктов выветривания находится в коллоидном или метаколлоидном состоянии, а меньшая — в виде простых солей. Некоторые формы коры выветриваний практически не содержат простых солей.

Таким образом, коллоидное и метаколлоидное состояние вещества чрезвычайно характерно для коры выветривания: при интенсивном выветривании почти все твердые составные части коры находятся в коллоидном состоянии или же при своем образовании проходят через коллоидное состояние. Таковы многочисленные глинистые минералы, гидроокислы кремния, железа, алюминия и марганца, гумусовые вещества и др. Впервые в очень яркой форме эту мысль выразил крупный австрийский минералог Ф. Корню. «Подобно коре, окружает земной шар царство гелей», — писал ученый в 1909 г.

Применение электронного микроскопа, рентгенографии и других методов изучения вещества позволило разобраться в казавшейся во времена Корню «бесформенной массе минеральных коллоидов», выделить среди них минералы, создать особую отрасль минералогии — коллоидную минералогию, имеющую большое практическое значение.

Большие изменения произошли во взглядах на механизм выветривания силикатов изверженных пород — их превращения в глины. Е. Г. Куковский развивает представление о том, что эти процессы протекают в твердом веществе, в результате диффузии («дрейфа») ионов. Важная роль придается поверхностным явлениям на границе минерал—раствор, в построениях учитываются размеры ионов, строящих кристаллическую решетку глинистых минералов. В решении всех этих сложных и тонких вопросов огромная роль принадлежит кристаллохимии — науке, изучающей положение ионов и атомов в кристалле, их взаимные связи.

Кора выветривания как биокосная система. Биокосная природа коры выветривания выражена менее отчетливо, чем в почвах и илах, но все же и здесь наблюдается деятельность микроорганизмов, которые окисляют сульфиды и органические соединения, поступающие из почвы. Еще в 1903 г. американский ученый Холланд предполагал, что латеритное выветривание горных пород обязано микроорганизмам, что это своеобразная «тропическая болезнь» базальтов и других изверженных пород. Позднее аналогичные идеи высказывал крупный русский минералог ученик Вернадского Я. В. Самойлов (1870—1925).

«Процессы выветривания, в частности, резко выраженные в биосфере, всегда биогенны и биокосны. Микроскопическая жизнь в них играет ведущую роль», — Писал В. И. Вернадский в своей последней работе — «Химическое строение биосферы Земли и ее окружения», опубликованной в 1905 г. (М., «Наука», с. 155). Как отмечал Б. Б. Полынов, миллионы микроорганизмов были обнаружены в 1 г каолинизированного гранита на глубине 12—17 м от поверхности. Хорошо изучена группа так называемых тионовых бактерий, окисляющих сульфиды металлов.

Профессор Томского политехнического института П. А. Удодов с сотрудниками сделали в последние годы интересное открытие — микроорганизмы были найдены в поровых водах коры выветривания глинистых сланцев нижнего карбона. Кроме известных видов тионовых бактерий открыты и неизвестные науке виды, обладающие высокой геохимической активностью. М. А. Глазовская обнаружила разнообразные микроорганизмы (до 1 млн. в 1 г) в корочках выветривания на скалах Тянь-Шаня на высотах более 4200 м (рис. 14).

Среди микробиологов вопрос о роли микроорганизмов в выветривании, очевидно, первым поставил один из основателей отечественной микробиологии — В. Л. Омелянский (1867—1928). Таким образом, оправдывается известное правило: «новое — это хорошо забытое старое». К сожалению, и в наши дни вопрос о роли микроорганизмов в формировании коры выветривания все еще изучен слабо, и мы чаще делаем заключения из общеметодологических соображений («так должно быть»), чем на основании конкретных исследований. Поэтому можно сказать, что биокосная природа коры выветривания не вызывает сомнений, но конкретная роль микроорганизмов в формировании отдельных видов коры, за немногими исключениями, еще нуждается в изучении.

Кроме основного биологического агента — микроорганизмов в коре выветривания имеются и макроорганизмы, как, например, различные землерои — сурки и др. Следы их нор в виде так называемых кротовин часто обнаруживаются глубоко под почвой. Недаром известный геолог Г. Ф. Мирчинк называл сурка-тарбагана «лучшим геологом Забайкалья», так как в местах тарбаганьих нор на поверхность вынесены образцы горных пород с глубины в несколько метров (значительно глубже каштановой почвы).

Меньшая биогенность коры выветривания по сравнению с почвами и илами определяет и меньшее ее разнообразие. Это выявилось особенно наглядно при сравнении зональности почв и коры выветривания. Еще Г. Н. Высоцкий и другие ученики Докучаева установили, что кора выветривания и континентальные отложения в своем распространении подчиняются закону зональности. Однако эти зоны не соответствуют зонам почв — они значительно шире. Например, все степи и пустыни относятся к одной зоне коры выветривания, хотя на этой территории и умещаются четыре почвенные зоны. Поэтому на изверженных породах и под черноземной, и под каштановой, и под сероземной почвами образуется одна и та же кора выветривания — обломочная обызвесткованная.

Рис. 14. Гидраты окислов железа (а), диатомовые водоросли и фитолитарии (б) в корочках выветривания на скалах в высокогорьях Тянь-Шаня.

Хорошо видна органогенная структура этих образований (по М. А. Глазовской, 1953)

Кора выветривания не только более однообразна по сравнению с почвами и илами (беднее информацией), она также содержит меньше свободной энергии, т. е. менее неравновесна.

Как и почва, кора выветривания имеет определенный профиль, т. е. состоит из горизонтов различного минерального и химического состава. Эти различия могут быть достаточно большими. Так, например, довольно распространена кора выветривания, верхние горизонты которой характеризуются кислой, а нижние — слабощелочной реакцией.

Используя принцип централизации и вводя понятие о центре коры выветривания, за основу геохимической классификации автор принял особенности наиболее выветрелого горизонта (центра). Таким горизонтом является верхняя подпочвенная часть элювия. Книзу процессы выветривания затухают, и самые нижние горизонты элювия обычно изменены слабо, представляя собой те или иные варианты обломочной коры. Это нашло отражение и в тех наименованиях, которые установились в геологии и геохимии: латеритная, каолиновая и другие коры. Они получили названия по химико-минеральному составу верхнего горизонта (нижние горизонты латеритной и каолиновой коры часто имеют гидрослюдистый состав).

Мощность верхнего (подпочвенного) горизонта, определяющего геохимический тип коры, может быть самой различной — от нескольких десятков сантиметров до нескольких десятков метров (во влажных тропиках).

Кора выветривания — преимущественно трехфазная система (твердая+жидкая+газообразная), и поэтому в ее верхней части господствует окислительная среда. В районах влажного климата и затрудненного дренажа в нижней части коры развивается оглеение, в коре формируется окислительно-восстановительная зональность. Известны случаи, когда глеевый горизонт располагается непосредственно под почвой, когда в нижних горизонтах развивается восстановительная сероводородная среда и кора приобретает черный цвет за счет сульфидов железа. Все это позволяет при систематике коры выветривания выделить уже известные нам ряды: окислительный и глеевый, а для нижних горизонтов коры — и сероводородный (сульфидный).

Возможно, что ряды следует разделять на типы по гидротермическим условиям (коры выветривания холодного, умеренного, жаркого поясов и т. д.). Так как этот вопрос нуждается в дополнительной проработке, в дальнейшем в пределах рядов рассматриваются лишь классы. Выделяя классы коры выветривания по содержанию в ней наиболее подвижных компонентов, не следует забывать, что она содержит и другие, менее подвижные компоненты, геохимическое значение которых не столь велико. Например, хлоридно-сульфатный элювий почти всегда содержит карбонаты и, как правило, силикатную часть, которая преобладает по массе и т. д. Здесь мы сталкиваемся с уже известной нам закономерностью: более подвижный компонент как бы снижает, нейтрализует действие менее подвижного, геохимическая роль которого может сказаться только после удаления более подвижной части.

Классы коры выветривания, в общем, аналогичны классам почв и илов.

Кора выветривания первого ряда с окислительной обстановкой. Она широко распространена, хорошо изучена и наиболее разнообразна.

Сернокислый класс возникает при выветривании пород, богатых дисульфидами (в первую очередь пиритом). Окисление этих минералов, в котором участвуют особые тионовые бактерии, приводит к появлению свободной серной кислоты, понижению pH до 1—2. Начинается сернокислое выветривание, легкая миграция многих металлов, особенно железа, цинка, кадмия и др. Этот тип коры выветривания лучше всего изучен на рудных месторождениях, содержащих сульфиды; он получил наименование «зона окисления сульфидных месторождений». Яркоокрашенные пестрые зоны окисления с характерным комплексом вторичных минералов железа, меди, свинца, цинка и прочих металлов резко отличаются от других классов коры выветривания и служат важным признаком при поисках рудных месторождений.

Сернокислые коры образуются также при выветривании пиритизированных глин и сланцев, серных руд. В Центральных Каракумах, в районе Серных Бугров, А. Е. Ферсман в 1925 г. обнаружил свободную серную кислоту, заполняющую поры в песчаниках. Это открытие произошло при разборе каракумской коллекции в Ленинграде, когда выяснилось, что оберточная бумага, в которую были завернуты образцы сероносных песчаников, обуглена: ее разъела свободная серная кислота, продукт окисления серы:

2S + 2Н₂O + 3O₂ → 2H₂SO₄.

Распространение сернокислой коры выветривания определяется размещением сульфидных руд и пород. Роль климата второстепенна, так как и во влажных тропиках, и в пустыне окисление сульфидов приводит к образованию серной кислоты. Во влажных тропиках этот тип коры резко отличается от латеритов, в пустыне — от карбонатной коры выветривания. Но все же и климат оказывает значительное влияние на сернокислую кору выветривания, так как формирование зоны окисления в тундре, влажных тропиках, степях и пустынях различно. Следовательно, данный класс коры выветривания подчиняется закону зональности, но этот закон действует на фоне более общих закономерностей, определяющих распространение сульфидных пород и руд. Такой общей закономерностью является распределение складчатых поясов, к которым приурочена подавляющая часть сульфидных рудных месторождений.

Рис. 15. Геохимические классы современной коры выветривания.

А — кора выветривания окислительного ряда: 1 — кислая, преимущественно гидрослюдистая; 2 — кислая каолинитовая и галлуазитовая (влажных субтропиков); 3 — кальциевая кора (карбонатная и бескарбонатная); 4 — хлоридно-сульфатная кора;

Б — кора выветривания глеевого ряда и комплексы глеевой и окислительной коры: 5 — кислая и нейтральная глеевая кора; 6 — кислая глеевая и кислая кора; 7 — карбонатная глеевая и карбонатная коры; 8 — кора выветривания в условиях засоления—рассоления (карбонатные, гипсовые, хлоридно-сульфатные, солонцовые в сочетании с глеевыми)

Кислый класс коры выветривания формируется в условиях влажного климата и сквозного промачивания. Богатый растительный покров в этом случае определяет энергичное поступление в кору из почвы углекислого газа, гумусовых кислот и других продуктов разложения растительных остатков. Количество катионов в грунтовом растворе недостаточно для нейтрализации этих кислых продуктов, в результате чего реакция вод сохраняется кислой и разложение минералов происходит в кислой среде. Это определяет вынос большинства металлов и замещение водородным ионом обменных катионов в поглощающем комплексе.

В кислой коре выветривания протекает глинообразование (каолинит, галлуазит, гидрослюды и т. д.). Кислый ортоэлювий характерен для большей части Урала, Балтийского щита, гор Дальнего Востока и многих районов Кавказа, Крыма, гор Южной Сибири. На севере Русской платформы преобладает кислый неоэлювий — продукт выветривания морены и других ледниковых отложений. Наиболее энергично кислое выветривание во влажных субтропиках Аджарии и Талыша; слабее оно протекает во влажном умеренном климате, например на Русской равнине, в Карпатах и еще слабее в холодном климате горных хребтов Севера (рис. 15).

Размещение кислой коры выветривания подчиняется климатической зональности, которая в значительной степени нивелирует роль пород. При длительном выветривании и на гранитах, и на базальтах, и на силикатных осадочных породах, и даже на известняках появляются в общем, сходные образования. Даже зона окисления сульфидов при длительном протекании процесса в условиях влажного климата и глубокого выщелачивания может в геохимическом отношении приблизиться к кислой коре выветривания силикатных пород. Однако на ранних стадиях развития кислой коры выветривания роль горных пород выявляется более отчетливо и, например, коры на гранитах и базальтах различаются достаточно резко. На известняках во влажном климате на первых стадиях выветривания образуется не кислая, а карбонатная кора.

Таким образом, в районах влажного климата зональность не единственная закономерность размещения коры выветривания: наряду с преобладающим кислым классом здесь встречается карбонатная кора выветривания (на известняках) и сернокислая кора (на участках развития сульфидных пород и руд). Следовательно, в размещении коры выветривания зональность выражена менее отчетливо, чем в размещении почв.

Рассмотрим образование коры выветривания в условиях влажного и жаркого тропического климата (рис. 16). Благодаря изобилию тепла и влаги процессы разложения и промывания пород здесь идут исключительно интенсивно. Изучение этого процесса в Гвинейской Республике привело советского геохимика С. Л. Шварцева к выводу, что важнейшую роль в выветривании играет угольная кислота, образующаяся при разложении растительных остатков (создается кислая и слабокислая среда с рН = 3,5—6,5). В результате почти все первичные минералы разрушаются, продукты их выветривания частично выносятся, кора выветривания обедняется подвижными элементами (кальций, магний, натрий, калий, кремний) и относительно обогащается слабоподвижными (железо, алюминий, титан).

Особенно велико накопление железа при выветривании ультраосновных пород (перидотиты и др.), богатых этим элементом. Местами кора выветривания используется в качестве хорошей железной руды. Таковы, например, железорудные месторождения острова Кубы, где кора выветривания имеет мощность от 5 до 25 м. На породах, бедных железом, но богатых алюминием (например, сиенитах), продукты выветривания особенно обогащаются гидроокислами алюминия, представляющими собой ценную алюминиевую руду (элювиальные бокситы).

Рис. 10. Профиль коры выветривания в ландшафтах влажных тропиков (в основе схема M. А. Глазовской с дополнениями автора)

В низах коры выветривания концентрируются некоторые подвижные элементы, вынесенные из верхних горизонтов. При выветривании ультраосновных пород, обычно несколько обогащенных никелем, последний концентрируется в нижних горизонтах коры, что приводит к образованию «силикатных руд никеля». С этими процессами, протекавшими в прошлые геологические эпохи, связаны никелевые месторождения древней коры выветривания Урала, Казахстана, Марокко.

На гранитах во влажных тропиках кора выветривания содержит много каолинита — продукта выветривания полевых шпатов (каолиновая кора).

Иной минеральный состав имеет кислая кора выветривания в условиях влажного умеренного пояса, например в таежной зоне. Однако есть и общие черты, присущие всем формам кислой коры выветривания, — она не содержит сколько-нибудь заметного количества легкорастворимых солей и CaCO₃, бедна катионами, особенно кальцием для нее характерна высокая миграционная способность многих элементов. Типоморфный ион — Н⁺.

Карбонатный (кальциевый) класс коры выветривания широко распространен в степях и пустынях, т. е. в районах сухого климата. Во влажном климате эта кора характерна для первых стадий выветривания известняков,

В условиях сухого климата процессы выветривания проникают неглубоко и кора выветривания имеет малую мощность. При выветривании скальных пород, например базальтов, кора представлена обломками пород, покрытыми корочкой углекислого кальция (обломочная обызвесткованная кора).

Наиболее подвижным и накапливающимся мигрантом здесь будет кальций, входящий в состав углекислой извести, а также в виде обменного катиона в поглощающий комплекс. Это богатство коры углекислой известью определяет ее слабощелочную реакцию, низкую миграционную способность железа и гумуса. Кальций является типоморфным элементом, хотя он и не преобладает по массе.

Карбонатный обломочный ортоэлювий скальных пород широко распространен в горных районах с засушливым климатом. Такова кора выветривания многих горных районов Средней Азии, Казахской складчатой страны, Южного Урала и Мугоджар, степей Забайкалья.

Кора выветривания осадочных пород в степях Русской платформы представлена карбонатным параэлювием. Это продукты выветривания палеогеновых и меловых пород Приволжской возвышенности, пермских красноцветов Заволжья. Так как эти породы содержат карбонат кальция, то в коре выветривания особенно много углекислого кальция.

На Средне-Русской, Волыно-Подольской возвышенностях, Окско-Донской низменности, на равнинах Крыма и Северного Кавказа выветриваются преимущественно лёссы и лёссовидные породы — продукты карбонатного выветривания прошлых эпох. В связи с этим современные процессы с трудом могут быть отделены от древнего выветривания и осадкообразования. Но все же и здесь под черноземными и каштановыми почвами формируется кора выветривания — карбонатный неоэлювий.

Основная закономерность размещения карбонатной коры выветривания — зональность. Влияние климата здесь еще более велико, чем в распространении кислой коры, напротив, роль пород минимальна. На породах любого состава (за исключением сульфидных руд) в сухом климате формируется карбонатная кора выветривания. Во влажном климате карбонатная кора выветривания формируется на известняках и других породах, богатых карбонатом кальция. Эта форма коры здесь неустойчива. Со временем, по мере выщелачивания углекислого кальция, на поверхности образуется глинистый элювий кислого типа.

За рубежом карбонатные коры изучены во многих аридных областях — на Ближнем Востоке, в Мексике, Австралии и т. д.

Соленосный класс образуется при выветривании соленосных пород в пустынях. Толщи пород, состоящие из слоев поваренной соли, гипса, засоленных глин и т. д., встречаются на территории Средней Азии и Казахстана. Такова, например, самая высокая соляная гора СССР — Ходжа-Мумын в Южном Таджикистане, достигающая относительной высоты 900 м и сложенная в основном поваренной солью и гипсом.

Пропитанная легкорастворимыми солями кора выветривания может длительно сохраняться только в пустынях, так как при значительном увлажнении (например, в лесной зоне) растворимые соли вымываются. Очень своеобразен рельеф района развития подобной коры выветривания: в результате размывающей и растворяющей деятельности воды образуются резкие гребни, глубокие ущелья, пики, «соляные ножи», «соляные грибы», воронки и другие специфичные формы микрорельефа (соляной карст).

Пропитанная солью сухая почва почти совершенно бесплодна, в связи с чем районы развития соленосной коры выветривания имеют крайне пустынный облик. Хлор, натрий и частично сера — типоморфные ионы этой коры выветривания.

Соленосная кора кроме натрия, хлора и серы обычно содержит и другие элементы, в частности кальций в виде гипса, а также кремний, алюминий и железо, входящие в состав глинистых примесей. Однако именно наиболее подвижные элементы определяют геохимическое своеобразие данной формы коры выветривания и особенно связанных с ней почв, вод и организмов.

Глеевая кора выветривания второго ряда. Она формируется под глеевыми почвами преимущественно на гумидных равнинах. Наиболее распространен кислый глеевый класс, для которого характерны кислая реакция среды, вынос катионов и образование глинистых минералов, преимущественно гидрослюдистого типа. Однако в отличие от кислой коры здесь приобретают высокую миграционную способность железо и марганец, частично также фосфор и некоторые редкие элементы.

Кислое глеевое выветривание широко распространено в северной части Русской платформы, на большей части Западно-Сибирской низменности. На плоских водоразделах здесь развит кислый глеевый неоэлювий (он формируется и под верховыми торфяниками). Эта кора представлена подпочвенными сизыми глеевыми горизонтами, обедненными железом и марганцем.

В районах многолетней мерзлоты мерзлый горизонт является естественным водоупором, вызывающим заболачивание. В связи с этим на границе с мерзлой толщей также энергично развивается глеевое выветривание.

Распространение кислой глеевой коры выветривания на севере Европы и Азии, несомненно, связано с климатом и подчиняется зональности. Важнейшим фактором распространения этой коры в Восточной Сибири и в горах Дальнего Востока наряду с климатом являются мерзлые толщи.

Карбонатное глеевое выветривание развивается в условиях нейтральной и слабощелочной восстановительной среды, определяющей миграцию железа и марганца. При этом миграция железа происходит на сравнительно небольшие расстояния и с малой интенсивностью, а марганец мигрирует энергично.

Кора выветривания сульфидного — третьего ряда. На земной поверхности эта кора не образуется, но горизонты с сероводородной обстановкой или сульфидами могут возникать в нижней части коры выветривания окислительного ряда. Так, в зонах окисления сульфидных месторождений сернокислые растворы, мигрируя вниз, реагируют с первичными сульфидами:

MeS + H₂SO₄ → MeSO₄ + H₂S.

Большое значение приобретают и различные микрогальванические пары, т. е. электрохимические явления, изученные Г. Б. Свешниковым, Л. К. Яхонтовой и другими учеными.

Горизонты с сероводородной средой известны также в низах коры выветривания углеродистых пиритизированных сланцев и других пород с сульфидами. Ю. Е. Сает и др. описали в коре выветривания медноколчеданных месторождений Мугоджар нижние сероголубые восстановленные глинистые горизонты с пиритом (верхняя часть коры, красная с гидроокислами железа). Л. Д. Кудерина описала аналогичные явления и зоне окисления месторождения Жайрем в Центральном Казахстане.