<<
tagasi
MURENEMINE: RABENEMINE JA
PORSUMINE
MURENEMISTUNDLIKUS. MURENEMISE
STADIAALSUS
MURENEMISKOORIKUD
JA MULLAD
Murenemisena käsitletakse
kivimite(litosfääri), õhu(atmosfääri), vee(hüdrosfääri)
ja organismide(biosfääri) koos- ning vastasmõjust tingitud
protsesse Maa pinnal, millede tulemusena kivimid/setendid ehk murenemise
lähtekivimid purunevad (desintegreeruvad) ning muutub nende keemilise
ja mineraalne koostis.
Põhimõtteliselt on murenemisprotsessid tingitud lähtekivimi püüdest murenemise näol saavutada (pindmiste) keskkonnatingimustega tasakaalulist seisundit.
Murenemise intensiivsust ja kulgu kontrollivad kolm peamist faktorit:
1.
RABENEMINE
Peamised kivimite mehaanilist desintegreerumist põhjustavad protsessid:
bioerosioon. Kivimite rabenemist põhjustavad ka mitmesugune bioloogiline aktiivsus bakteriaalsetest organismidest juurteni (sh. vihmaussid ja krabid...). Peamine osa bioerosioonist on seotud taimede (juurestiku) tungimisega kivimite lõhedesse, kuid siiski on organismide elutegevus ja lagunemine olulisema kaaluga keemilise murenemise juures.
NB! Eelnimetatute juurde võib lugeda ka liustike, vee ja tuule kulutavat ning purustustavat tegevust.
Rabenemisprotsesside saaduseks on koostismineraalide või kivimitükikeste tasemele desintegreerunud materjal - murend. Kui murend on säilinud oma esialgses positsioonis (lähtekivimi peal) siis nimetatakse seda eluuviumiks. Murendi püsivus nõlvadel sõltub murendi looduslikust varikaldenurgast (25-35°). Konkreetne varikaldenurk sõltub omakorda kivimitükkide suurusest ja kujust ning nõlva erodeeritavusest sademete või tuule poolt.
Piisavalt järskudel nõlvadel
hakkab murend raskusjõu mõjul liikuma ning võib moodustada
nn kivivooluseid e. kurumme. Nõlvade jalamile varisenud murendit
nimetatakse kolluuviumiks e. rusukuhikuks. Kui murendi kuhjumisel
on osalenud ajutised vooluveed, siis räägitakse ka deluuviumist
e. uhtekuhikust.
2. PORSUMINE:
Porsumise tulemusena toimub
lähtekivimi lagunemine tema koostismineraalide keemilise koostise
muutumisel teel. Porsumisel laguneb lähtekivim keemilisteks(mineraalseteks)
komponentideks, mis on ümbritseva keskkonnaga tasakaalus või
sellele lähedases seisundis.
Tard-, moonde- ja samuti paljusid settekivimeid moodustavad mineraalid ei ole
maapinnal termodünaamiliselt stabiilsed. Lisaks sellele on kõik mineraalid
vihma- ja/või pinnavees ning mullavees alaküllastatud.
Porsumisprotsesside kõige
olulisemaks faktoriks on reaktsiooni keskkonna - vaba vee - olemasolu. Vesi on
porsumise tähtsaim tingimus, sest seda:
- leidub külluslikult,
- ta on väga tugev lahusti/solvent ja
- sisaldab lahustunud komponente, mis muudavad vee reaktiivseks, nt. SO2,
CO2
Vastavalt on keemilise murenemisega seotud protsessid ülekaalus
aladel kus on piisaval hulgal sademeid (vihmana) ning kus valitseb suhteliselt
soe kliima. Kuid Maal valitsevates tingimustes kaasneb rabenemisega ka kõige külmemates
ja kuivemates tingimustes porsumine. Seega on küsimus vaid selles, milline
neist protsessidest siin-ja praegu-valdab (aga, kuidas toimub murenemine
Kuul???).
Porsumisel toimuvaid keemilisi
reaktsioone võib iseloomustada järgimise skeemiga:
PRIMAARSED + REAKTIIVNE = SEKUNDAARSED
+ LAHUSTUNUD AINETEST
MINERAALID LAHUS MINERAALID
KÜLLASTUNUD LAHUS
Sisuliselt on õige vaadelda
mineraalide porsumist lähtudes mineraalide ja pindmistes tingimustes
valitsevate geokeemiliste tingimuste termodünaamilisest
tasakaalust.
Enamus tahkeid aineid (mineraale) ei ole maapinnal termodünaamiliselt
stabiilsed ning neid võib vaadelda kui teatuid metastabiilseid süsteeme.
Metastabiilsuse "aste" ehk mineraalide murenemistundlikus on seotud otseselt
keemiliste reaktsioonide mehhanismi ja reaktsioonide kiirusega.
Olulisemad protsessid/reaktsioonid
porsumisel:
Lahustumisel on
tavaliselt tegemist mineraalsete komponentide ionisatsiooniga vesilahustes.
Sellise protsessi heaks näiteks on kerglahustuvate soolade (haliit
- NaCl, kips CaSO4*H2O jn.) lahustumine. Tavaliselt
on (vihma) veel selles lahustunud CO2, SO2 arvelt tekkivatest hapetest tingituna nõrk happeline reaktsioon ning ta
on võimeline lahustama ka rasklahustuvaid ühendeid (karbonaate,
oksiide, silikaate).
Oksüdatsioonil
toimub vees lahustunud O2 (+O2 õhust) arvelt
reaktsioon milles üks osapool (keemiline element) loovutab elektrone.
Reaktsiooni kontrollib keskkonna redokspotentsiaal (Eh), mis sõltub
vaba hapniku kättesaadavusest ja orgaanilise ainese hulgast.
Tüüpiliseks näiteks on Fe oksüdeerumine, kus Fe loovutab elektrone hapnikule ning seejuures kasvab Fe valents (Fe-Fe2+, Fe2+-Fe3+). Eelkõige oksüdeeruvad sulfiitse koostisega ja muutuva valentsiga katioonidega (Fe, Mn, Cu) mineraalid. Sulfiidide oksüdatsiooni üheks produktiks on ka H2SO4, mis omakorda toimib reaktiivselt lähtekivimisse.
4Fe3O4 + O2 = 6Fe2O3
magnetiit hematiit2FeS2 + H2O + 9O2 = Fe2O3 + 4SO42- + 2H+ - selle reaktsiooni käigus tekib uus reaktiivne lahus - väävalhape!
püriit hematiit4FeSiO3 + O2 = 2Fe2O3 + 4SiO2aq
Fe-pürokseen hematiit lahust. räni
Hüdrolüüsina
vaadeldakse dissotseerunud vee ja keemiliste (mineraalsete) ühendite
keemilist reaktsiooni. Reaktsioon toimib kristallstruktuuris sisalduvate
katioonide asendumisena dissotseerunud H+ ioonidega. Sellega kaob struktuuri stabiilsus
ning mineraal laguneb. Looduslikes tingimustes
osalevad selles reaktsioonis ka mitmed vees lahustunud ioonid (HCO3-,
SO42-, Cl-,Ca2+, Mg2+,
K+), mis võivad samuti asendada struktuuri komponente.
Hüdrolüütiliselt lagunevad soolad.
Looduslike hüdrolüüsi protsesside oluliseks osaks on atmosfäärse CO2 lahustumisel tekkiv nõrk süsihape - H2CO3, mille happelisus normaaltingimustel (tasakaalus õhu CO2 sisaldusega) on pH 5.7
Kõrvuti süsihappegaasiga mängivad olulist rolli ka teised gaasid, millede lahustumisel sademetevees moodustuvad tugevad happed:
SO2 + ½O2 + H2O = H2SO4 = 2H+ + SO42-
NO + ½O2 + ½H2O = HNO3 = H+ + NO3-
NH4+ + 2O2 = NO3- + 2H+ + H2O
Hüdrolüüs on
kõige olulisem silikaatide keemilise murenemise protsess ning selle
peamisteks saadusteks on sekundaarsed savimineraalid (kaoliniit, smektiit,
segakihilised savimineraalid)
2KAl2Si3O8 + 2(H+ + HCO3-) + H2O = Al2Si2O5(OH)4 + 2K+ + 2HCO3- + 4SiO2aq
K-päevakivi süsihape vesi kaoliniitCaAl2Si2O8 + 2(H+ + HCO3-) + 3H2O = Al2Si2O5(OH)4 + Ca(HCO3)2
anortiit kaoliniit Ca-bikarbonaatNB! väga intensiivsel porsumisel (leostumine) lagunevad savimineraalid omakorda lihtsamateks ühenditeks (oksiidid/hüdroksiidid) ja lahustunud katioonideks/anioonideks. Nt moodustub kaoliniidi edasisel hüdratiseerumisel Al-hüdroksiidide mass - boksiit.
Al2Si2O5(OH)4 + 5H2O = Al2O3·3H2O + 2SiO2aq (võib kirjutada ka H4SiO4)
Hüdrolüüsuvate alumosilikaatide inkongruentse lahustumise ja sama aegselt tekkiva (meta-)stabiilse faasi settimise termodünaamiliseks iseloomustamiseks kasutatakse mitmesuguseid aktiivsus e termodünaamilise tasakaalu diagramme, mis väljendavad uuritava mineraali stabiilsust (st. püsivust) sõltuvalt sellega tasakaalus oleva lahuse koostisest.
Aktiivsusdiagrammid määratlevad uuritavas geokeemilises süsteemis kaks tingimust:
1. millistel geokeemilistel tingimustel eksisteerivad (antud süsteemis) primaarsed kui ka sekundaarsed mineraalid tasakaaluliselt,
2. millised mineraalid on määratletud geokeemilistel tingimustel stabiilsed ja millised ebastabiilsed
Lisaks sellele näitavad aktiivsusdiagrammid ka seda milliseid ioone/molekule tarbitakse kui ebastabiilne mineraal antud geokeemilistel tingimustel reageerib ning moodustub sekundaarne faas/faasid; kuidas muutub (evolutsioneerub) vee keemiline koostis kui reaktsioonid toimuvad suletud süsteemis (ja madala fluidi/kivimi suhte juures).
Aktiivsusdiagrammid konstrueeritakse tuginedes massbalansi seadusele ja uuritavate keemiliste reaktsioonide vabaenergia muudu ning tasakaalukonstandi vahelisele seosele (antud temperatuuril, tavaliselt 25°C).
NB! aktiivsusdiagrammid ei väljenda hüdrolüütiliste reaktsioonide kiirust. Reeglina nõuab alumosilikaatide lahustumine ja settimine (ka savimineraalid on alumosilikaadid) lisaks kontsentratsioonide erinevusele ning transpordile ka kõrget kineetilist energiat (energeetilise barjääri ületamist) ning madalatel temperatuuridel (~20-25°C) on silikaatide lahustumine aeglane. Seepärast on tekkivad lahused tavaliselt küllastatud (nt. reeglina kvartsi suhtes).
Hüdratatsioonil
seotakse (adsorbeeritakse) mineraalide poolt vee molekule. Selle tulemusena
moodustuvad uued nn. hüdratiseerunud mineraalid (hüdrosilikaadid,
oksühüdraadid). Kergesti hüdratiseeruvad mitmesugused soolad
(kips, haliit jn.).
CaSO4 + 2H2O = CaSO4*2H2O
anhüdriit kips
Organismide
osa keemilisel murenemisel võib toimida nii nende elutegevuse,
kui ka nende laguproduktide kaudu. Peamiselt on need nähtused seotud:
Kivimitmoodustavate
mineraalide murenemis(porsumis) tundlikkus.
Mineraalide porsuvusvõime ja porsumise kiirus sõltub nende lahustuvusest ja lahustumise kiirusest.

Karkass-struktuuriga silikaatide murenemistundlikus sõltub valdavalt nende koostisest ning see kahaneb reas Ca - Na - K-päevakivid. Kõige kergemini murenevad kerglahustuvad soolad - haliit (NaCl), sülviin (KCl) jt.
Magmaliste mineraalide murenemistundlikkuse seaduspära (Goldich, 1938) väljendab kristallisatsiooni temperatuuride erinevust. Kõrgemal temperatuuril moodustunud mineraalid, mis on kõige "kaugemal " maapinnal valitsevatest termodünaamilistest tingimustest on vastavalt ka kõige vähempüsivamad.
Klimaatilised
tingimused
Murenemise intensiivsust ja kulgu kontrollivad temperatuur ja niiskus (sademete hulk), mis mõjutavad murenemise intensiivsust nii otseselt, kristallstruktuuri destruktureerimiseks vajaliku energeetilise baasi ja reaktsioonikeskkonna loomise näol, kui ka kaudselt mõjutades taimestiku arengut.
Porsumiseks on optimaalseteks tingimusteks maksimaalselt kõrge temperatuur ja võimalikult suur sademete hulk. Nii on porsumine kõige intensiivsem ekvatoriaalses kliimavöötmes.
Sõltuvalt atmosfääriniiskuse sisaldusest ja temperatuurist eristatakse
Humiidses st. niiskes
kliimas kulgevas murenemises on märkimisväärne osa biogeensetel
protsessidel. Seda murenemise tüüpi iseloomustab poorivete happeline
reakstsioon ning intensiivne leostumine (lahustuvate komponentide ärakanne)
.
Ariidse murenemise korral on biogeensete agentide osakaal väiksem, poorivete reaktsioon on neutraalne või nõrgalt aluseline ning murenemiskoorikus kuhjuvad ka üldiselt kerglahustuvad ühendid.
Maapinna
morfoloogia (reljeef) mõjutab murenemise kulgu samuti
kas otseselt (reljeefi liigestatusest sõltub lähtekivimi paljanduvus
ja leonduvuse intensiivsus) või kaudselt - temperatuuri, sademete
hulga ning taimestiku leviku mõjutamisega.
Iga geoloogilise protsessi toimumiseks on vaja aega. Aega on vaja ka (1) lähtekivimi rabenemiseks, (2) porsumiseks ja (3) murenemiskooriku tekkeks.
Tinglikult võib murenemisel ajaliselt eristada nelja arengustaadiumit.
Seetõttu oleks õigem
rääkida ainult keemilistest või füüsikalistest
osaprotsessidest ja nende valdavusest konkreetsetes keskkonnatingimustes,
mitte otseselt keemilisest ja füüsikalisest murenemisest ning
nende erinevatest staadiumitest.
Murenemise
staadiumid:
1. Purdmaterjali staadium s.o. valdavalt lähtekivimi rabenemine ja murendi teke.2. Karbonaadistumise staadium. Toimub leelis-, leelismuldmetallide (Na, Ca, K), kloori, väävli väljakandumine murenemisprofiili ülemisest osast, mis tähistab silikaatide porsumise algust. Mureneva kivimis (profiili alumises osas) moodustuvad karbonaatide väljasettimisel (kaltsiit, dolomiit) kiled ja konkrektsioonid.
3. Peliidistumise (savide) staadium. Toimub silikaatide primaarse kristallstruktuuri põhjalik muutumine. Intensiivne Ca, Mg, Na, K leostumine valdavalt hüdrolüüsi protsessides, mille tulemuseks on savimineraalide (smektiit, kaoliniit) teke. Murenemiskooriku ülemine osa rikastub Si/Al-ga.
4. Lateriidistumise staadium. Murenemise lõppvaatus. Toimub silikaatide struktuuri lagunemine oksiidide (Fe2O3, Al2O3) tasemele (struktuurist hüdrolüüsub kollomorfne SiO2). Murenemiskoorikusse allesjäänud Al, Fe-oksühüdraadid, kvarts (osaliselt amorfiseerunud) moodustavad nn lateriitse murenemiskooriku.
4. MURENEMISKOORIKUD
JA MULLAD
Lähtekivimi kivimitmoodustavate mineraalide lagunemisel tekivate uudismineraalide (savimineraalide ja oksiidide ning oksühüdraatide) kuhjumisel kujuneb maapinnal murenemiskoorik, mille sügavuseline ulatus vastab murenemisprotsesside arengule.
Mulla moodustumine nagu ka murenemine üldse algab maapinnalt ja areneb ajajooksul sügavuti. Kõige enam muutunud mulla/murenemiskooriku osa on vahetult maapinnal ning sügavuse suunas murenemise intensiivsus järkjärguliselt kahaneb. Mulla (murenemiskooriku) läbilõikes eristatakse struktuuri/tekstuuri, koostise, värvuse jt tunnuste alusel erinevaid kihte ehk nn. mulla horisonte. Tavaliselt eristatakse neid kolm:
Muldade kujunemine ja profiilide ehitus (horisontide arv ja iseloom) sõltub lähtekivimist, reljeefist ning valdavalt kliimast ja murenemise kestusest. Üldise seaduspära järgi kuhjub orgaaniline aines (huumus) profiili ülemistes kihtides ja porsumisel lahustunud ained ja tekkinud uued (savi-)mineraalid uhutakse infiltreeruvate sademe/pinnavetega sügavamatesse kihtidesse.
Sõltuvalt aasta keskmise temperatuuri ja sademete vahekorrast kujunevad sarnaselt klimaatilistele vöönditele ka lateraalsed mullatüüpide vööndid. Väga üldistatult moodustuvad soojas ja niiskes ekvatoriaalses ja (sub-)troopilises kliimas tugevalt leostunud lateriitsed murenemiskoorikud/mullad, kuivas sub-troopilises kliimas reeglina lahustuvate ainete (soolade) ja karbonaatidega rikastunud mullad ning parasvöötmes selgelt diferentseerunud horisontidega mullad, millede ülemised horisondid rikastuvad Al ja Fe suhtes.
Lateriidid on tavaliselt punasevärvilised Al- ja Fe oksiidide/oksühüdraatide rikkad mullad, mis moodustuvad intensiivse leostumise tingimustes. Porsumine on lateriitides niivõrd aktiivne et kõik karbonaadid ja isegi ka räniaines on ülemistest mullakihtidest ärakantud. Intensiivse oksüdeerumise tingimustes ei toimu ka olulist huumuse akumuleerumist.
Karbonaatide ja lahustuvate sooladega rikastunud mullad kujunevad kuivas kliimas kus niiskuse puudumisel on murenemine pärsitud ja tekkiv mullakiht on õhuke. Sademete vaeguse ja intensiivse aurumise tõttu kuhjuvad nende muldade pinnakihis mitmesugused lahustuvad soolad (mineraalid). Nt on tavaliselt ülemised horisondid sekundaarselt rikastunud Ca-ga (karbonaatsed konkrektsioonid, mugulad jms), mis näiteks troopilises kliimas kantaks mullast välja esimesena.
Diferentseerunud mullad on tüüpilised parasvöötme kliimale (sh. Eestis) ja neid iseloomustab reeglina) hästi väljakujunenud mullahorisontide tsonaalsus. Nende A/O horisont on suhteliselt tugevalt leostunud kuid see on samas rikas huumusest. Ülemistest horisontidest väljauhutud materjal on akumuleerunud B horisondis, mis sisaldab vähem orgaanilist ainest ja on tavaliselt sisseuhutud osakeste tõttu märgatavalt savikam.