Вивітрювання гірських порід і основні його чинники

Під процесами вивітрювання більшість дослідників розуміють сукупність фізичних, фізико-хімічних та біохімічних процесів, які змінюють склад, стан і властивості гірських порід у верхній частині земної кори під впливом коливань температури, підземних вод, діяльності організмів і техногенних факторів.

Процеси вивітрювання, руйнуючи гірські породи, формують новий генетичний тип континентальних відкладів — елювій різного віку, фацій і умов залягання. На всіх стадіях інженерно-геологічних досліджень і для різних видів будівництва вивчаються процеси розущільнення і вивітрювання порід і сформовані ними елювіальні утворення.

Основними питаннями в цьому напрямку є наступні:

встановлення будови і закономірностей поширення зон і горизонтів вивітрювання в різних породах і тектонічних розривах, на різних геоморфологічних елементах і в мікрокліматичних умовах;

обґрунтування віку елювію і характеристика швидкостей процесів вивітрювання у порівнянні з інтенсивністю процесів знесення в різних породах і умовах, а також оцінка зміни властивостей і стану порід в часі під їхнім впливом;

встановлення зовнішніх ознак і класифікаційних показників стану і властивостей порід з різним ступенем вивітрілості та виявлення кореляційних зв`язків із геофізичними характеристиками (наприклад, зі швидкістю пружних хвиль);

розробка регіональної схеми розчленування кори вивітрювання на зони і горизонти з характеристикою фізико-механічних і фільтраційних властивостей порід;

виявлення приуроченості зсувів, обвалів, осувань різних типів і об`ємів до зон вивітрювання різного віку, будови і потужності;

оцінка порід різного ступеня вивітрілості стосовно їх опору ерозійному і абразійному розмиванню, розвитку процесів вилуговування і карсту, осипанню, спливанню і стійкості у відслонених укосах і схилах;

на підставі детального інженерно-геологічного вивчення розрізу кори вивітрювання оцінка деформаційних властивостей по різному вивітрілих порід. Це необхідно для визначення глибини їх зняття в основі споруд або для вибору заходів укріплення різними методами;

встановлення можливості використання по різному вивітрілих порід як будівельних матеріалів при зведенні земляних споруд (дамб, гребель, насипів), для створення протифільтраційних завіс.

Дія сонячних променів на породи залежить від інтенсивності випромінення, довжини хвилі променів, характеру й кольору поглинаючих поверхонь. Інтенсивність і довжина хвиль сонячного випромінювання, яке отримує земна поверхня, залежить перш за все від географічної широти місцевості, висоти її над рівнем моря, висоти сонцестояння, товщини шару і стану атмосфери (вміст водяних парів, атмосферний пил, азон і т.д.).

Коливання температури обумовлює ряд фізичних процесів, що впливають на фізико-механічні властивості гірських порід: теплова зміна об`єму мінералів і гірських порід, а також води і газів, що містяться у породах; випаровування і конденсація вологи; прискорення або уповільнення хімічних реакцій.

При нагріванні мінерали і породи змінюють свій об`єм. Величина зміни об`єму при нагріванні неоднакова не лише у різних порід і мінералів, але й у одного і того ж мінерала вздовж різних кристалографічних осей. В зв`язку з цим у полімінеральній гірській породі, особливо на межі стикання окремих мінералів, величина розширення буде неоднаковою у різних точках моноліту. Тому породи, які складаються з багатьох мінералів, виявляють менший опір температурному впливу і легше розпадаються на окремі мінерали.

Вода, що замерзає, завдяки збільшенню об`єму створює розклинюючий тиск як між окремими брилами, так і між елементарними частками породи: руйнує структуру породи, збільшує в ній вміст дрібних часток, зменшує її міцність, знижує несучу здатність і змінює фільтраційні властивості.

При випаровуванні вологи (висушуванні) відбувається розтріскування рихлих гірських порід через усідання (зменшення об`єму). Випаровування вологи у посушливих безстічних районах викликає засолення верхніх зон земної кори. Це надає породам специфічних фізико-хімічних властивостей (солончаки, солонці, інкрустація пор і т. ін.).

Склад атмосфери досить різноманітний, але з усіх її складових найбільшу роль у процесах вивітрювання відіграє кисень. Окислювально-відновні процеси за участю кисню викликають різноманітні зміни гірських порід. Найпоширеніший у природі процес — окислення вуглецю з утворенням вуглекислоти (під час дихання організмів і гниття вуглецевих речовин). Вуглекислота в підземних водах збільшує їхню розчинну здатність, сприяючи більш інтенсивному розчиненню мінералів і гірських порід.

Складний процес взаємодії між гірськими породами і газоподібними агрегатами вивітрювання призводить до утворення нових мінеральних сполук (вторинні мінерали або мінерали вивітрювання). Таких мінералів досить багато і всі їх можна розділити на 3 групи:

розчинні у воді (гіпс, кальцит);

нерозчинні у воді (монтморилоніт, каолініт, серицит, галуазит, опал, лимоніт, боксит і т.п.);

різні органічні сполуки.

Вода бере участь у переважній більшості процесів вивітрювання. Вода у твердому стані інколи безпосередньо впливає на ці процеси, а інколи є їх безпосереднім чинником. Наприклад, сніговий покрив до деякої міри регулює глибину і інтенсивність промерзання порід, впливаючи і на діяльність живих організмів. Вода, яка тече по поверхні землі, крім подрібнювальної дії, зв`язаної з процесами денудації, сприяє вилуговуванню водорозчинних солей і подальшій зміні фізико-механічних властивостей вивітрілої породи.

Підземна вода є своєрідним регулятором тепла, а також потужним механічним руйнівником, що обумовлює процеси суфозії і кольматації. Вода, особливо слабко мінералізована, проникаючи в гірські породи, розчиняє їх, створює розклинюючу дію, понижує концентрацію електролітів у підземних водах, а отже, призводить до пом`якшення колоїдних плівок, що огортають частки гірських порід.

Велику роль у вивітрюванні відіграють живі організми. Вони справляють як хімічний, так і механічний вплив на гірські породи. Механічну дію виконує коренева система рослин (розклинювання) і різноманітні землерийні тварини. Крім цього, органічні речовини, що виділяються живими організмами, або розкладають гірські породи, або ж збагачують їх різними речовинами (наприклад: порода, перероблена черв’ячками, збагачується на вапно — карбонатні сполуки).

Всі зміни, що їх зазнають породи у процесі вивітрювання, можна об`єднати в наступні основні групи:

подрібнення порід;

цементація порід;

розкладення первинних мінералів;

утворення вторинних мінералів;

зволоження або висушування порід.

Зазвичай перетворення гірських порід супроводжується істотними змінами їх фізико-механічних властивостей. Наприклад, спостереження показали, що в глинах, аргілітах, тонкозернистих пісковиках і мергелях позмінне зволоження і зневоднення мають більше значення для руйнування цих порід, ніж така сама кількість циклів замерзання і відтанення.