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
| Компонент | Средний состав массивных пород ax | Средний состав минерального остатка различных вод bx | Относительная подвижность элементов и соединений, по Б. Б. Полынову | Коэффициент водной миграции, по А. И. Перельману Kx = bx / ax |
|---|---|---|---|---|
| SiO2 | 59,09 | 12,80 | 0,20 | 0,21 |
| Al2O3 | 15,35 | 0,90 | 0,02 | 0,06 |
| Fe2O3 | 7,29 | 0,40 | 0,04 | 0,06 |
| Ca | 3,60 | 14,70 | 3,00 | 4,00 |
| Mg | 2,11 | 4,90 | 1,30 | 2,3 |
| Na | 2,97 | 9,50 | 2,40 | 3,2 |
| K | 2,57 | 4,40 | 1,25 | 1,6 |
| Cl- | 0,05 | 6,75 | 100,00 | 133 |
| SO42- | 0,15 | 11,60 | 57,00 | 77 |
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 SO42-, 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 SO42-, 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»