Выветривание – это экзогенный геологический процесс механического разрушения и химического преобразования минералов и горных пород, происходящих в верхней части земной коры под воздействием атмосферы, гидросферы и живых организмов.

Различают три типа выветривания: физическое, химическое и органическое, которые тесно связаны друг с другом, действуют совместно и одновременно. Интенсивность проявления каждого из этих процессов неодинакова, она зависит от климатических, гидрогеологических и геоморфологических условий, состава, состояния и условий залегания горной породы и ряда других факторов.

Физическое выветривание обусловлено главным образом суточными и сезонными колебаниями температур. Различают температурное и морозное выветривание.

Температурное выветривание – это разрушение породы под воздействием колебаний температуры, обусловленное различиями теплофизических свойств минералов, входящих в состав горной породы. При морозном выветривании разрушение горной породы происходит под действием механических усилий, возникающих при образовании кристаллов льда из воды, заключенной в пустотах горной породы.

Механическое разрушение горных пород происходит также за счет объемных деформаций некоторых минералов при их гидратации (кристаллизационное растрескивание), при росте корневой системы растений и деятельности роющих животных.

В результате физического выветривания происходит раздробление горных пород и образование отчлененных массивов, глыб щебня и дресвы. Мощность зоны механического дробления изменяется главным образом в зависимости от континентальности климата и составляет от 1 до 10 м.

Из всех свойств и особенностей горных пород, влияющих на скорость физического выветривания, наибольшее значение имеют следующие:

1) минералогический состав – полиминеральные горные породы разрушаются легче, чем мономинеральные;

2) строение горной породы – плотно сложенные породы мелкозернистого строения более стойки против физического выветривания, чем породы пористые, крупно-и неравномернозернистые;

3) сложение горной породы – породы массивного сложения более стойки против выветривания, чем сланцеватые;

4) трещиноватость – с увеличением трещиноватости скорость выветривания возрастает;

5)  водно-физические свойства горной породы – породы с высокой влагоемкостью и слабой водотдачей легче подвергаются интенсивной десквамации (шелушению) и морозному выветриванию.

Скорость выветривания, как правило, возрастает по мере того, как увеличиваются различия между термодинамическими условиями образования горной породы и теми условиями, в которых протекают процессы выветривания. Поэтому осадочные породы разрушаются медленнее, чем магматические, и в особенности метаморфические.

Химическое выветривание как результат взаимодействия горных пород с химически активными элементами атмосферы и гидросферы включает процессы окисления, гидратации, растворения и гидролиза.

Окисление происходит наиболее интенсивно под действием инфильтрационных вод, содержащих заимствованные из воздуха, растворенные кислород и углекислый газ, а также органические кислоты, приобретенные в результате взаимодействия с почвенно-растительным покровом. Характерным примером окислительных процессов является взаимодействие кислорода и воды с сульфидом железа, в результате которого появляется наиболее устойчивое соединение железа в окислительной зоне – лимонит и другие минералы из группы гидроокисей железа.

Гидратация – явление поглощения минералами воды. При гидратации вода входит в структуру минерала, вследствие чего в минералах возникают значительные микронапряжения и деформации, сопровождающиеся развитием интенсивной трещиноватости. Примером гидратации является превращение ангидрита в гипс.

Растворение в гидролиз протекают при совместном воздействии на породу воды и углекислоты, при растворении минеральное вещество переходит в раствор.

Повышение температуры, насыщение воды углекислотой и появление в составе воды сильных кислот (серной, фтористоводородистой) увеличивают концентрацию водородных ионов и усиливают растворяющую способность воды. По степени растворимости минералов различают:

1) легкорастворимые – каменная соль, гипс, сильвинит, карналлит;

2) растворимые – кальцит, доломит;

3) слаборастворимые – силикаты.

Большое влияние на скорость растворения оказывает трещиноватость, структура и текстура пород, а также скорость циркуляции подземных вод. Процессы растворения способствуют увеличению общей скважности пород, а в соленосных, гипсоносных и карбонатных породах вызывают образование карстовых пустот.

Интенсивность химического выветривания зависит от климата, рельефа и типа пород. В тропических областях она в 2 – 4 раза энергичнее, чем в сухих и холодных. Для продуктов химического выветривания характерен пелитовый состав.

Органическое выветривание – это процесс изменения пород при воздействии низших (бактерии, водоросли, грибки, мхи, лишайники) и высших растений и животных. Главным продуктом органического выветривания являются почвы.

В верхней зоне земной коры, где горные породы и минералы в той или иной степени изменены процессами выветривания, образуется кора выветривания, мощность которой определяется условиями проникновения агентов выветривания и может достигать 50 – 100 м и более. Степень выветривания горных пород ослабевает с глубиной.

Основная часть продуктов выветривания уносится с территории их образования водой, ветром, ледниками и другими факторами переноса. Небольшая часть продуктов выветривания остается на месте и в результате диагенеза образует комплекс грунтов, залегающий непосредственно на материнской породе и называемый элювием, или элювиальными отложениями. Они различны по размеру частиц – от крупных обломков пород до глинистых фракций.

Как уже отмечалось, процесс выветривания начинается с поверхности земли и протекает менее интенсивно с приблжением к кровле материнской породы. Поэтому степень выветрелости материнской породы уменьшается с глубиной, а переход элювия в материнскую породу обычно постепенный. Условия залегания и мощность элювия различны: нередко мощность существенно изменяется на расстоянии нескольких метров. Минимальная мощность элювия наблюдается на склонах, где он легко разрушается в процессе формирования, максимальная – в понижениях рельефа.

В толщах грубообломочных и некоторых песчаных отложений породы элювия очень мало отличаются от материнских как по внешнему виду, так и по физико-механическим свойствам. В глинистых же породах элювий обычно легко выделяется по окраске, а также по включениям гипса, кальцита и других продуктов выветривания, порой заметно ухудшая инженерно-геологические свойства пород.

Продукты выветривания пород, смываемые со склонов (плоскостной смыв) и накапливающиеся у их подножья, называются делювием. Эти отложения различны по крупности и в большинстве случаев характеризуются неотсортированностью. Делювиальными могут быть суглинки, щебень, пески и другие отложения. На склонах процессы образования элювия и делювия нередко идут параллельно, и разделить эти два вида отложений подчас невозможно. Такие комплексные отложения называются элювиально-делювиальными.

Процессы выветривания – важнейший фактор формирования инженерно-геологических свойств пород самой верхней части земной коры, с которой больше всего связана инженерно-строительная деятельность человека. Все изменения, которые претерпевают породы в процессе выветривания, можно объединить в следующие группы: а) дробление, б) цементация, в) разложение первичных материалов, г) образование вторичных минералов, д) увлажнение или высушивание.

Изменение породы сопровождается существенным изменением физико-механических свойств. Как правило, выветривание снижает прочность пород. Однако в отдельных случаях в коре выветривания может происходить увеличение прочности пород за счет цементации рыхлых продуктов выветривания.

Выветривание существенно увеличивает трещиноватость пород. В результате они становятся водопроницаемыми. Поскольку интенсивность выветривания пород уменьшается сверху вниз, основания инженерных сооружений приходится иногда заглублять, причем выветрелые элювиальные породы удаляют. Для повышения прочности и уменьшения водопроницаемости  группы элювиальных пород в зависимости от степени трещиноватости применяют искусственную цементацию оснований сооружений.

При выборе материала для инженерных сооружений следует учитывать степень устойчивости пород против выветривания. С этой точки зрения магматические породы крупнозернистой и особенно порфировой структуры, а также метаморфические сланцы менее благоприятны, чем магматические породы мелкозернистой и скрытокристаллической структуры, кварциты и мраморы.

Для делювиальных пород (суглинков и супесей) характерно прежде всего то, что отложенные продукты генетически не связаны с подстилающими породами, так как являются наносными, принесенными с верхних частей склона. Отсортированность и слоистость делювиальных наносов незначительна, причем сверху склона залегают более крупные частицы, а снизу более мелкие. Просачивание дождевых вод через толщу отложений делювия до коренных подстилающих пород вызывает появление характерной вертикальной пористости, напоминающее вертикальную пористость лесов. Поэтому глинистые делювиальные отложения часто относят к группе лесовых пород. Отсутствие генетической связи между делювием и подстилающими породами, а также наличие водной смазки на поверхности контакта между ними снижает сцепление грунтов на данной границе, что может явиться причиной смещения отложенных пород.

Комплекс рыхлых образований, накапливающийся у подножья гор в результате смыва временными горными потоками (безрусловые потоки со склонов) обломочного материала, возникающего при выветривании слагающих эти горы коренных пород, называют пролювием. Пролювий характеризуется плохой сортированностью и слабой окатонностью обломков; он образует конусы выноса, которые могут сливаться в одну полосу, окаймляющую подошву гор.

Различия в мощности, времени действия и направлении водных потоков определяют различие в свойствах отложенных ими пород. При достаточно близком минералогическом составе различные типы отложений текучих поверхностных вод обладают различными инженерно-геологическими свойствами, что в определенной мере присуще и делювию. Это следует учитывать при проектировании и возведении сооружений.

Огромное влияние на инженерно-геологические свойства пород оказывает трещиноватость, образовавшаяся в результате происходивших процессов выветривания. Данный вид трещиноватости следует отнести к группе экзогенной естественной трещиноватости. Наиболее активно она проявилась в корах выветривания.

Вследствие изменения условий выветривания с глубиной наблюдается вертикальноя зональность коры выветривания. Отдельные зоны коры выветривания отличаются друг от друга по степени трещиноватости, раздробленности и интенсивности химического изменения горных пород. Н.В. Коломенский рекомендует выделять в коре выветривания четыре зоны (начиная с грунтов, залегающих на материнском основании): монолитная зона; глыбовая зона; мелкообломочная или щебнистая зона; зона полного дробления. Наиболее активно трещиноватость выветривания сохранилась в глыбовой зоне.

Для глыбовой зоны характерны трещины выветривания, разбивающие массив на отдельные глыбы. Химико-минералогический состав пород этой зоны почти не отличается от состава материнских пород, но физико-механические свойства их различаются существенно. Особенно изменяются водопроводящие свойства; коэффициенты фильтрации достигают сотен метров в сутки. Сопротивление сдвигу и сжатию, с удалением от материнских пород, продолжают уменьшаться. На стенках трещин имеются примазки, а сами трещины зачастую заполнены занесенными сверху продуктами выветривания. Снизу вверх размер глыб постепенно уменьшается от нескольких метров до 10 сантиметров.

Наличие трещин в нижней части коры выветривания является важным фактором, определяющим состояние породы и ее свойства в массиве. Как мы уже отмечали, трещины нарушают монолитность породы, расчленяют ее на различные отдельности, определяют направления ослабленных зон, пути движения подземных вод, наиболее вероятные подвижки массивов выветрелых пород и отдельных блоков породы в откосах и горных выработках. Трещины влияют на устойчивость пород, их газопроницаемость, водопроницаемость, степень обводненности и разрабатываемости пород, на проходку буровых скважин, вынос керна. Степень и характер трещиноватости определяют организацию производства строительных работ. Поэтому изучение трещиноватости выветрелых горных пород является важной составной частью общего комплекса полевых и лабораторных исследований для оценки физико-механических свойств породы, прогноза возникновения инженерно-геологических процессов при взаимодействии пород с сооружениями, для разработки мероприятий по улучшению свойств породы и составления проектов организации инженерно-строительных работ.