Методы исследования выветривания пород
В течение длительного времени изучение процессов разложения пород в поверхностных условиях базировалось на наблюдении природных явлений. Полученные результаты, охватывающие все главные регионы большинства климатических зон земной поверхности, были изложены в многочисленных работах. Некоторые из них представляют собой фундаментальные исследования.
Однако при этом исследователи постоянно сталкивались с затруднениями, связанными с тем, что представление об отдельных фазах развития процесса основывалось на изучении объектов, в которых этот процесс был уже завершен (почвы, коры выветривания). Как правило, такие объекты не сохраняют «воспоминаний» об отдельных этапах процесса выветривания и о тех факторах, которые его вызвали. В качестве примера можно привести процессы «подзолообразования», для объяснения которых привлекают данные изучения морфологии профилей подзолистых почв. Последние, однако, очень разнообразны по своему происхождению. Вероятно, этим объясняется то, что до сих пор еще точно неизвестны первопричины и характер начальных стадий развития этих процессов. Другим примером может служить «латеритизация», которая стала объектом большого числа исследований, основанных исключительно на наблюдениях над железистыми панцирями или латеритными почвами. Постепенно многое в этом вопросе прояснилось, но даже сравнительно недавно опубликованные наиболее детальные работы, по-видимому, не могут внести ничего нового в дело изучения поверхностных образований. До сих пор остается еще много проблем, решить которые только на основе изучения природных объектов нам представляется невозможным.
В связи с этим возникла необходимость в других методах изучения; среди них весьма перспективным оказался экспериментальный метод. Собственно, это вполне закономерно, так как попытки изучить в лабораторных условиях влияние тех или иных реагентов (вода — CO2 — различные кислоты) на поведение различных минералов или пород предпринимались уже давно. Однако условия проведения этих опытов были очень далеки от природных поверхностных условий. Правда, Демолон пытался в своих опытах приблизиться к природным условиям. В 1930 г. он поместил в лизиметр гранит, который в течение 30 лет подвергался воздействию климата Версаля. Этот метод изучения можно было бы считать идеальным, если бы разложение вещества в поверхностных условиях происходило с достаточной скоростью и если бы аналогичные опыты можно было поставить одновременно в разных областях Земли с различными климатическими условиями.
В ходе эксперимента, поставленного в Версале и являющегося до сих пор единственным в своем роде, не произошло заметных изменений химического и минерального составов гранита.
Таким образом, возникла необходимость вновь обратиться к изучению процессов выветривания пород в лабораторных условиях, используя при этом так называемые методы экспериментального почвоведения. Задача заключалась в том, чтобы создать «модель», которая позволила бы легко оперировать всем комплексом воздействующих на породу факторов. Постепенное накопление экспериментальных данных, раскрывающих значение различных факторов, должно сыграть важную роль в создании общей теории процессов выветривания.
Основное затруднение, возникающее при проведении всех экспериментов, — необходимость интенсификации процессов разложения пород, протекающих в природных условиях с очень малой скоростью. Это в свою очередь ставит под вопрос возможность проведения аналогии между «моделью» и природным явлением. Только непосредственное сравнение результатов экспериментов с данными, полученными при изучении природных явлений, позволит решить, приемлемы ли условия опыта. Совпадение результатов указывает на достаточную надежность экспериментальных данных.
Для того чтобы избежать ошибок, свойственных лабораторному синтезу, был принят ряд предосторожностей и выработаны следующие основные принципы, которые выдерживались при выполнении экспериментальных работ.
1. В ходе эксперимента всегда должны поддерживаться условия, близкие к природным; они должны воспроизводить явления экзогенного цикла. Если интенсивность воздействия факторов заметно усиливалась (например, увеличивалось ежедневное количество «атмосферных осадков»), тогда условия приложения этих факторов по возможности приближались к условиям земной поверхности. Например, вода падала на породу капля за каплей, так же как это наблюдается при выпадении дождя.
2. Породы, которые подвергались экспериментальному выветриванию, брались в виде обломков, а не порошка, как это до сих пор делали в большинстве опытов. Такой выбор позволял, во-первых, не слишком сильно изменять исходный материал, который, таким образом, приближался к природному (продукты физического выветривания). Кроме того, известно, что при растирании породы в порошок нарушается кристаллическая структура составляющих ее минералов. Следовательно, опыты, поставленные с растертой породой, должны давать результаты, отличные от опытов, проведенных с массивными породами. Кроме того, материал в виде обломков можно изучать непосредственно под микроскопом до и после опыта, а это дает экспериментальному исследованию определенные преимущества.
3. Опыты продолжались до тех пор, пока исходные породы не претерпевали достаточно глубокого преобразования. Нужно быть уверенным в том, что появление каких-то новых признаков не является результатом изменений, затрагивающих только самую поверхность обломков, или связано с присутствием в породах инородных примесей. Количество вещества, подвергшегося разложению в процессе опыта, должно было составлять во всех случаях большую часть первичной массы породы. Это было необходимым условием, помогающим снивелировать первичную гетерогенность исходного материала и неточности методов подсчета.
Для получения представительных результатов нельзя было сводить выветривание лишь к процессу простой химической деградации первичных минералов с переходом в раствор некоторого количества элементов. Чаще всего необходимо было продолжать эксперименты до появления в остаточной твердой фазе новообразованных минералов, которые можно считать единственными настоящими свидетелями глубокого разложения первичных пород.
В заключение следует отметить, что поскольку экспериментальный метод применялся нами при строгом соблюдении вышеперечисленных принципов, то полученные в конечном счете данные были достаточно надежными и позволили внести существенные поправки в основные положения теории выветривания пород, основанные на полевых наблюдениях. Ниже дается подробное описание экспериментальной установки, которая применялась при различных лабораторных исследованиях.
