Область, населяемая «живым веществом», носит название биосферы. Биосфера охватывает всю гидросферу,3 нижние слои атмосферы и верхнюю оболочку литосферы. Эта охватываемая биосферой оболочка литосферы, простираясь на глубину, до которой проникают корни растений и распространяются микроорганизмы, составляет, очевидно, часть коры выветривания. Кора выветривания, таким образом, не совпадает вполне с биосферой, но, во всяком случае, та ее часть, которая входит в состав биосферы, отмечается всеми свойственными живому веществу процессами. Здесь происходит и зарождение, и развитие, и распространение организмов, причем громадное количество их проводит в коре выветривания все стадии своего развития, вырабатывая специфические, приспособленные к существованию в земле, формы (например, земляные черви, низшие грибы и микроорганизмы почвы). В коре же выветривания протекают как разложение трупов и органических остатков, так и другие формы их превращения, которые оставляют скопления углерода в форме лигнита, антрацита, каменного угля, шунгита, углеводородов в форме нефти, озокерита, битуминозных сланцев и т. п. образований. И необходимо отметить, что эти последние формы скопления космической энергии уже выходят из пределов активной биосферы и являются, таким образом, средством проникновения запасов космической энергии в нижние части коры выветривания, а затем и более глубокие оболочки земной коры.
Впервые понятие о биосфере, как особой оболочке земной коры, было введено известным геологом Э. Зюссом (1875 г.). Однако, геологическая роль биосферы и живого вещества" в земной коре получила свое освещение лишь в самое последнее время в замечательных работах акад. В.И. Вернадского. Эти работы на русском и французском языках начали появляться всего лишь с 1922 г. Наиболее полно взгляды В.И. Вернадского изложены в издании 1926 г. "Биосфера" (Ленинград, изд. ВСНХ) и "Очерках геохимии" (Ленинград, 1927).
Раньше полагали, что органическая жизнь в море не простирается глубже 600-1000 м, н только в конце XIX столетия экспедиция на корабле «Челленджер» обнаружила жизнь на величайших глубинах океана.
Все это дает нам право утверждать, что в коре выветривания наряду с расходованием и рассеянием энергии происходит и поглощение ее, и наряду с экзотермическими протекают эндотермические реакции. Эти эндотермические реакции не ограничиваются синтезом органических соединений в живом веществе, но, как это мы впоследствии узнаем ближе, проявляют себя во многих процессах, охватывающих и минеральные соединения. Так, например, наряду с окислением ювенильных сернистых соединений (FeS2,H2S), в коре выветривания под влиянием разложения органических остатков возникают процессы восстановления, и в частности сернокислые соли переходят в более активные сернистые соединения и даже свободную серу. В противоположность обычным при выветривании процессам образования гидратных соединений и карбонатов, здесь имеют место также процессы обезвоживания и освобождения углекислоты карбонатов. И даже инертный азот воздуха проходит в коре выветривания при содействии микроорганизмов целый ряд форм своих соединений, обусловливающих достаточно энергичные процессы.
Теперь подведем итоги всему сказанному о коре и зоне выветривания. Итак, кора выветривания -- это верхняя часть литосферы, попадая в которую, твердый массивный, материал более глубоких зон земной коры превращается в рыхлое пластическое состояние и увеличивает поверхность своего соприкосновения с газообразной, парообразной и жидкой средой более внешних оболочек земной коры. Этот процесс протекает во времени, и в данный историко-геологический момент мы можем наблюдать в различных местах самые разнообразные степени развития коры выветривания. Во многих случаях обнаженный гранит, гнейс или какая-либо другая изверженная или метаморфическая порода обнаруживается на самой поверхности литосферы. Это значит, что обнажившаяся порода еще не успела превратиться в кластическое состояние, но процесс ее раздробления и разрушения, несомненно, уже протекает. И действительно, если мы внимательно исследуем обнаженные части таких пород, мы всегда найдем те или другие признаки их разрушения: трещины, скопления крупных каменистых обломков у подножия скал или так называемые россыпи, щебень, гравий и в большем или меньшем количестве еще более мелкий обломочный материал в форме песка или глинообразной массы.
Отсюда следует, что мы должны строго различать два понятия: 1) область или зону выветривания, т. е. ту верхнюю часть литосферы, которая в отдельных частях и в отдельные геологические моменты может слагаться из различного материала, как изверженных и метаморфических массивных, так и рыхлых осадочных пород, но в пределах которой процессы направлены в сторону разрушения и раздробления пород и образования коры выветривания, и 2) современную кору выветривания, т. е. те части поверхностной оболочки литосферы, которые в данный геологический момент уже сложены из рыхлых, раздробленных продуктов выветривания -- иначе говоря, из всякого рода осадков, наносов и не подвергшихся еще метаморфизму осадочных пород. Мощность зоны или пояса выветривания определяется глубиной, на которую проникают факторы выветривания, способствующие раздроблению, размельчению и разрушению горных пород, т. е. температурные колебания, действие растворов, кислорода и углекислоты воздуха и проч. агентов. Эту мощность исчисляют, как мы уже отметили выше, до 0.5 км от поверхности литосферы, т. е. или от поверхности суши или от поверхности дна океанов и морей. К более точному определению этой величины мы еще вернемся впоследствии. Что касается мощности современной коры выветривания, то по понятным причинам она не может превосходить таковой пояса или зоны выветривания, но зато в сторону сокращения она может уменьшаться до размеров 1м и менее. Такими представляются выходы скал изверженных и метаморфических пород, недавно излившиеся и только что остывшие лавы, где юный покров коры выветривания представляется пока еще ничтожным и неразвившимся.
3.4 Структура коры выветривания.
Сформировавшаяся кора выветривания не представляется однородной. Уже на основании изложенного, мы можем выделить в ее пределах достаточно обособленную верхнюю, обозначенную биосферой, часть, которая носит название, почвы.
Вся вообще кора выветривания представляет собой, как мы видели, сложную дисперсную систему, в которой твердая фаза занимает в среднем около 70% всего пространства, остальное же приходится на долю жидкой и газообразной фазы. Между элементами этих фаз возникают взаимодействия, и грандиозная поверхность раздела между ними увеличивает количество и интенсивность этих взаимодействий. Энергия взаимодействий и движений в зоне и коре выветривания имеет два различных источника: первый -- это более глубокие зоны литосферы, откуда материя приходит с запасом энергии, переходящей в зоне выветривания в различные активные формы; вторым источником является лучистая космическая и особенно солнечная энергия, которая поглощается внешними оболочками земной коры и в том числе зоной выветривания и также подвергается трансформации. Особенно крупную, но отнюдь неисключительную роль в этой трансформации играет биосфера, а в коре выветривания, следовательно, почва.
Соответственно протекающим в зоне выветривания поглощению и рассеянию энергии, все процессы и реакции, совершающиеся в ее пределах, можно разделить на две категории: выделяющие энергию -- экзоэнергетические и поглощающие энергию -- эндоэнергетические. К первой категории относятся процессы, направленные к понижению дисперсности материальной среды, а именно переход из газообразного в жидкое и из жидкого в твердое состояние, поглощение газов и паров жидкими и твердыми телами, реакции гидратации, окисления и в том числе дыхание организмов и тление их трупов, целый ряд последовательных реакций, направленных к образованию наименее растворимых нейтральных солей и т. п.
Все эти процессы дают наименее работоспособные формы весомой материи, которые, однако, не образуют склада косной материи, но вовлекаются снова во взаимодействия и движения, благодаря процессам второй категории, а именно: повышению дисперсности материальных систем, т. е. раздроблению твердых тел, переходу их в жидкое и газообразное
В.И. Вернадский различает три источника энергии геологических процессов: космическую (в том числе солнечную), земную и внутреннюю энергию материи (см. «Очерки геохимии»). Мы не сомневаемся в едином начале всех видов энергии и даем деление лишь по пространственному признаку, имеющему значение только для данного состояния данной системы.
Эти экзо- и эндоэнергетические взаимодействия, тесно переплетаясь одни с другими, и создают те частные циклы и те части общих циклов превращения материи, которые свойственны коре выветривания (Полыванов, 1934).
3.5 Кора выветривания и почвообразование.
Важнейшим звеном геологического круговорота веществ на Земле является процесс выветривания горных пород и формирования коры выветривания.
Типы пород. Вулканогенно-обломочные породы образуются из обломков, выброшенных во время извержения вулканов. Метаморфические породы -- продукт изменения других пород под влиянием давления и высоких температур без расплавления и притока или оттока веществ, кроме газообразных. Метасоматические породы, в отличие от последних, образуются в условиях, обеспечивающих приток или отток веществ и сохранение первоначального объема, несмотря на повышенное давление и температуру.
По характеру влияния на почвообразовательный процесс горные породы целесообразно разделить на 4 группы; 1) магматические породы и породы высокотемпературной метаморфизации, 2) рыхлые осадочные и метасоматические породы, 3) вулканогенно (или вулкано)обломочные породы, 4) плотные осадочные, метаморфические (низкотемпературной метаморфизации) и метасоматические породы.
Магматические породы (I отдел) подразделяются на 3 ряда по содержанию щелочей: нормальный, известково-щелочной и щелочной. Породы каждого из рядов делятся на группы по содержанию кремнезема: ультракислые, кислые, средние, основные и ультраосновные. Наконец, породы каждой группы по условиям кристаллизации магмы делятся на две подгруппы: интрузивные (глубинные, плутонические) и эффузивные (излившиеся, вулканические).
Метаморфические породы, сформировавшиеся при высокой температуре (400--800°), по составу и свойствам близки к интрузивным магматическим породам. Это гранито-гнейсы, гнейсы, кристаллические сланцы, амфиболиты, чарнокиты, мигматиты. Поэтому в классификации почвообразующих пород мы объединяем эти породы с магматическими. По почвообразующему эффекту они близки друг к другу.
В результате выветривания магматических пород образуются, прежде всего, рыхлые осадочные породы. Наиболее важны гранулометрические различия между ними, поскольку элементарные частицы разного размера обладают разным минералогическим и, следовательно, разным химическим составом. Камни размером, превышающим 3 мм, представлены главным образом обломками пород; гравий, дресва, хрящ -- частицы размером 1--3 мм состоят из обломков пород и в меньшей степени зерен минералов, из которых чаще всего преобладают кварц и полевые шпаты. Песчаные (1--0,05 мм) и пылеватые (0,05--0,001 мм) фракции в большинстве случаев состоят преимущественно из зерен кварца и полевого шпата с более или менее значительной примесью тяжелых минералов: слюд, амфиболов, пироксенов, рудных минералов и др. Илистая фракция (частицы <с0,001 мм) представлена глинистыми минералами с примесью кварца, полевых шпатов, аморфных веществ.
Породы разного гранулометрического состава обладают не только разным минералогическим и химическим составом, но и существенно различными водно-физическими свойствами, определяющими направление почвообразования и плодородие почв. Поэтому в предлагаемом руководстве рыхлые осадочные породы подразделяются, прежде всего, по гранулометрическому составу на следующие группы: грубообломочные, пески, пылевато-суглинистые (лёссы и лёссовидные суглинки), глины, валунные суглинки, многочленные породы.
Описание рыхлых пород начинается с лёссов и лёссовидных суглинков, поскольку именно на них зональные, биоклиматические факторы отражаются особенно ярко и именно на них формируется спектр почв, наиболее фундаментально изученных со времени В.В. Докучаева.
Рыхлые породы являются не только продуктом выветривания, но также образуются в результате метасоматических процессов -- глубинного преобразования различных пород гидротермальными водами. Так возникают, например, глины, особенно часто монтмориллонитовые. Поэтому II отдел почвообразующих пород представляют не только рыхлые осадочные породы, но и рыхлые метасоматические породы.
III отдел почвообразующих пород -- вулканогенно-обломочные породы. Они состоят из обломков, выброшенных во время извержения вулкана. По происхождению и свойствам занимают промежуточное положение между магматическими и осадочными породами.
В настоящее время эти породы изучены менее, чем породы другого генезиса, материала по почвообразованию на разных группах этих пород накоплено немного. В пособии основное внимание уделено эксплозивно-обломочным породам (пеплам, туфам), которые обладают наиболее своеобразными почвообразующими свойствами.
IV отдел -- плотные осадочные, метаморфические и ме тасоматические породы, представленные породами, разнообразными по происхождению, минералогии, химизму, физическим свойствам. Сюда входят такие осадочные породы, как обломочные глинистые сланцы и песчаники, карбонатные известняки, доломиты и мергели, кремнистые трепелы и опоки. К этому отделу принадлежат метаморфические породы, образовавшиеся в условиях низкой и средней температурной ступени метаморфизма (до 400°), -- филяиты, зеленые сланцы, кристаллические известняки и доломиты, кристаллические песчаники и такая метасоматическая порода, как серпентинит, пропилит и др.
3.6 Элементарные процессы выветривания минералов и пород.
Горные породы магматического происхождения образуются в совершенно иных термодинамических условиях по сравнению с теми, в которых они оказываются на дневной поверхности. Поэтому горные породы и минералы магматического происхождения подвергаются весьма глубоким изменениям под воздействием условий, свойственных наземной обстановке.
Сходного рода глубокие качественные изменения происходят с метаморфическими и плотными осадочными породами, которые уже раньше подвергались выветриванию и которые вновь выветриваются после нового соприкосновения с наземными условиями.
Вся совокупность сложных и разнообразных процессов количественного и качественного изменения горных пород и слагающих их минералов под воздействием атмосферы, гидросферы и биосферы называется выветриванием. В процессах выветривания происходит разрушение одних горных пород и минералов и образование других пород и вновь синтезированных минералов.
Процессы выветривания горных пород происходили на Земле и до появления жизни, но они были стерильными. Возраст процессов выветривания необычайно велик и уходит далеко к началу истории формирования осадочных пород, т. е. до 3 млрд. лет.
Вся толща осадочных пород земной коры, а также оболочка гранитных и метаморфических пород прошли через длительные и неоднократные циклы выветривания и метаморфизма.
Первоначально выветривание захватило преимущественно породы магматического происхождения, так как осадочных пород (исключая осадки космического и вулканического происхождения) еще не существовало. Возникновение жизни на Земле качественно изменило и существенно ускорило процессы выветривания как путем непосредственного воздействия высших и низших организмов па горные породы, так и косвенно через воздействие продуктов их жизнедеятельности. По мере формирования на земной коре толщ осадочных и метаморфических пород выветривание в своем дальнейшем развитии захватывало и их. Однако далеко не вся толща осадочных пород подвергается современному выветриванию.
В сферу современного выветривания включаются лишь верхние свиты земной коры, находящиеся под непосредственным влиянием агентов атмосферы, гидросферы и биосферы.
К процессам выветривания необходимо относить также и те изменения горных пород, которые происходят под морскими или грунтовыми водами. Иногда эти изменения называют «гармиролизом». Разрушение горных пород водоносных горизонтов крайне усиливают минерализованные растворы, что, в свою очередь, ведет к появлению в грунтовых водах новых подвижных соединений.
Совокупность процессов выветривания горных пород настолько глубоко их преобразует, что возникает необходимость выделять особую геологическую формацию современных осадочных пород, образованную землистыми продуктами -- так называемую кору выветривания.
Мощность и минералогический состав коры выветривания зависят от интенсивности выветривания (особенно высокой во влажном теплом климате), продолжительности этих процессов, а также от условий сохранения и переноса продуктов, образующихся при выветривании.
На первый взгляд совершенно неизмененная поверхность скал магматических горных пород в действительности имеет тонкую (1--2 мм) пленку выветривания, образовавшуюся под воздействием климатических факторов и микроорганизмов.
Поверхность гранитов и гнейсов Скандинавии и Карелии, освободившихся от ледникового покрова 5--6 тыс. лет назад, зачастую имеет кору выветривания, равную 10--20 см. Красноцветная кора выветривания в субтропических районах Западней Грузии достигает мощности 7--10 му а третичные аллитные коры выветривания влажных тропических районов Азии и Африки достигают мощности 150 м.
Теплый влажный климат весьма увеличивает интенсивность и степень выветривания
Необходимо различать современные, древние и ископаемые коры выветривания. Современные коры выветривания образовались в четвертичном периоде или лишь в послеледниковое время. В некоторых районах, например в Западном Закавказье и Центральной Азии, кора выветривания сохранилась и продолжает формироваться непрерывно с третичного времени. В тропической Африке аллитные и бокситовые толщи существуют с третичного и, возможно, мелового периодов.
Мощные коры выветривания, как современные, так и древние, могут сохраниться только в условиях относительно равнинного рельефа или на склонах и, особенно под покровом лесов, защищающих мелкозем от смыва. Поднятие и расчленение суши, естественно, не способствует сохранению продуктов выветривания на месте и образованию мощной остаточной коры выветривания. Поэтому области поднятий и особенно горные безлесные территории характеризуются отсутствием мощной коры выветривания.
Погребенные и вторично вскрытые эрозией древние коры выветривания третичного, юрского, девонского и даже докембрийского возраста описаны на территории Центрального Казахстана, Урала, Украины. Это древние коры выветривания, имеющие мощность до 60--300 м (Гинзбург, 1947), переживали крайне сложную историю. При опускании суши они были закрыты новыми осадочными отложениями. Однако затем на многих пространствах Центрального Казахстана и Южного Урала древние коры выветривания были выведены эрозией на поверхность. Они являются субстратом для современного почвообразования. То же наблюдается и на других континентах (например, в Австралии).
