<< 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:

Kivimi litoloogiast (kõvadus, poorsus, lõhelisus ja mineraalne koostis, mineraalide lahustuvus) sõltub kivimi murenemistundlikus. Konkreetse piirkonna klimaatilised tingimused ja maapinna morfoloogia faktorid mõjutavad murenemise valdavat, kas füüsikalist või keemilist iseloomu.
 
Murenemise valdava iseloomu järgi eristatakse kahte murenemise tüüpi:
  1. füüsikaline murenemine e. RABENEMINE,
  2. keemiline murenemine e. PORSUMINE.


1. RABENEMINE
 

Rabenemise e. füüsikalise murenemise protsessid on ülekaalus aladel, kus on suhteliselt suure amplituudiga ja lühiperioodilised õhutemperatuuri kõikumised ning väike sademete hulk.

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            hematiit

2FeS2 + H2O + 9O2 = Fe2O3 + 4SO42- + 2H+ - selle reaktsiooni käigus tekib uus reaktiivne lahus - väävalhape!
püriit                             hematiit

4FeSiO3 + 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:


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       kaoliniit

CaAl2Si2O8 + 2(H+ + HCO3-) + 3H2O = Al2Si2O5(OH)4 + Ca(HCO3)2
anortiit                                                kaoliniit         Ca-bikarbonaat

NB! 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.

Enamlevimud magmaliste(silikaatsete) mineraalide murenemistundlikus on lihtsustatud lähenemise kohaselt pöördvõrdeline nende kristallisatsioonilisele järjekorrale (nn. Boweni reaktsiooniskeem). Murenemistundlikus kahaneb reas: saar - ahel - lint - kihtstruktuuriga silikaatideni. Kõige vastupidavam kivimitmoodustav mineraal on Boweni reas viimasena kristalliseeruv kvarts (SiO2). Kvartsist stabiilsemad, vähemlahustuvad on hematiit ja Al-oksiid (gibsiit). Täpsemalt väljendab murenemistundlikkus mineraalide lahustumise/hüdrolüüsumise kiirust. 

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.
 

3. MURENEMISE STADIAALSUS

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.

Samas peab arvestama asjaoluga, et eelpool loetletud protsessid, nii füüsikalised kui ka keemilised kulgevad reaalajas koos ja üheaegselt selliselt, et nende osamõju ei ole võimalik üksteisest eristada.

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:

Sõltuvalt orgaanilise ainese kuhje tingimustest, kivimi/mulla filtratsiooniomadustest ja tingimustest, põhjavee rezhiimist jms. võib mullaprofiil liigestuda veel mitmeteks teisteks horisontideks, näiteks: T - turba-, O - primaarse orgaanika ehk metsakõdu-, E - väljauhte- jn. horisondid.

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.

Kalle Kirsimäe