Процесс выветривания


 

Под выветриванием понимается совокупность физических, химических и биохимических процессов преобразования горных пород и слагающих их минералов в приповерхностной части земной коры.

Это преобразование зависит от ряда факторов: колебаний температуры, химического воздействия воды и газов  - углекислоты и кислорода (находящихся в атмосфере и в растворенном состоянии в воде); воздействия органических веществ, образующихся при жизни растений и животных и при их отмирании и разложении. Т.е. процессы выветривания тесно связаны с взаимодействием приповерхностной части земной коры с атмосферой, гидросферой и биосферой. Именно граничная область разных фаз обладает высокой реактивной способностью. Приповерхностная часть земной коры, в которой происходит преобразование минерального вещества, называется зоной выветривания или зоной гипергенеза.

Процесс выветривания зависит от климата, рельефа, органического мира и времени. Сочетания перечисленных факторов обуславливает многообразие процессов выветривания. Особенно велика роль климата, являющегося одной из главных причин и движущей силой выветривания.  Из совокупности климатических элементов наибольшее значние имеет тепло (приходно-расходный баланс лучистой энергии) и степень увлажнения (водный режим).

В зависимости от преобладания какого-либо фактора в процессе выветривания выделяют два его типа:

1. Физическое выветривание.

2. Химическое выветривание.

Физическое выветривание

В этом типе небольшое значение имеет температурное выветривание, связанное с суточными и сезонными колебаниями температуры, что вызывает то нагревание, то охлаждение поверхностной части горных пород. Вследствие резкого различия теплопроводности, коэффициентов теплового расширения и сжатия и антизатропии тепловых свойств минералов, слагающих горные породы, в последних возникают напряжения. Особенно неустойчивы в приповерхностных условиях магматические и метаморфические породы, возникающие в иных, чем зона гипергенеза, термодинамических условиях. Например, породообразующие минералы гранита: ортоклаз, альбит и кварц. Коэффициент объемного расширения ортоклаза в три раза меньше, чем у альбита, и в два раза меньше, чем у кварца.

Большие различия коэффициента «расширение – сжатие» породообразующих минералов при длительном воздействии колебаний температуры приводит к тому, что сцепление отдельных минеральных зерен нарушается, образуются трещины, а потом происходит распад горных пород на обломки (глыбы, щебень, песок и др.). Очень интенсивно идут процессы физического выветривания в пустынях, где мало выпадает осадков и высокие перепады (суточные) температур.

На горных склонах наряду с выветриванием развиваются гравитационные процессы: обвалы, камнепады, осыпи, оползни. Накопившиеся в основании склонов продукты гравитационных процессов (осыпей, обвалов) представляют своеобразный генетический тип континентальных отложений, называемый коллювием.

В полярных и субполярных странах, где имеется вечная мерзлота и избыточное поверхностное увлажнение, выветривание всязано с расклинивающим действием замерзающей воды в трещинах. При замерзании воды (объем льда на 9% выше замерзшей воды), возникают напряжения в трещинах, раздробление горных пород и образование глыбового материала. Такое выветривание называют морозным.

Расклинивающее действие на горные породы оказывают корни растений, особенно деревьев. Механическую работу производят и разнообразные роющие животные.

Чисто физическое выветривание приводит только к механическому раздроблению горных пород без изменения их минерального и химического состава.

Химическое выветривание

Одновременно с физическим выветриванием происходят процессы химического выветривания – химического разложения горных пород и образование новых минералов.

При механическом разрушении горных пород в последних образуются трещины, по которым проникает вода и газы. Проникновение воды обуславливает миграцию с ней различных химических соединений. Минералы изменяются в результате гидролиза, гидратации, карбонитизации, растворения и окисления.

Гидролиз. Гидролиз разрушает атомную структуру минералов, особенно силикатов, благодаря действию воды и растворенных в ней ионов. Молекула воды имеет полярное строение: один ее конец несет слабый положительный заряд за счет двух атомов водорода, а другой – отрицательный за счет атома кислорода. Каждый конец молекулы может присоединяться к противоположно заряженному иону в решетке минерала и «вырвать» последний из структуры. Кроме того, вода слабо диссоциирует на ионы водорода (Н+) и гидроксильной группы (ОН-), которые при диссоциации приобретают свободу и могут вступать в реакцию с ионами кристаллической структуры. Природные воды обычно содержат растворенные ионы некоторых веществ, особенно НСО3-, SO42-, Cl-, Mg2+, Na+, K+.  Эти ионы также могут замещать заряженные атомы в структуре, нарушая т.о. первичную решетку минерала. Ca2+,Mg2+,Na+ и K+ имеют тенденцию расворяться во вступающих с ними в контакт растворах и образовывать биокарбонаты. Соединения Al и Fe обычно гидролизуются с образованием нерастворимых гидроокислов. Кварц выносится из силикатов в виде коллоидной суспензии в воде или в виде растворимой кремниевой кислоты (H4SiO4). Многие минералы, особенно уязвимы для гидролиза из-за слабых атомных связей, прежде всего кислородных связей в силикатах. Т.к. силикаты составляют около половины объема внешней части континентальной зеленой коры, их выветривание под действием гидролиза особенно важно. Для гидролиза силикатов характерны следующие реакции

2 KАlSi3O8 + 3H2O + 2CO2 → Al2Si2O5 (OH)4 + H4SiO4 +2KHCO3

ортоклаз,    каолинит кремнекислота бикарбонат калия микроклин

2 NaАlSi3O8 + 3H2O + 2CO2 → Al2Si2O5 (OH)4 + H4SiO4 +2NaHCO3

альбит   двуокись каолинит кремнекислота бикарбонат Na углерода

СaАl2Si2O8 + 3H2O + 2CO2 → Al2Si2O5 (OH)4 + Са(HCO3)+ H4SiO4

аноритт каолинит бикарбонат Сa

При этих реакциях одновременно происходит несколько превращений: образуется, в результате гидролиза, каолинит, в результате карбонитизации – биокарбонаты K, Na и Ca, которые все раствроримы в воде, а кварц выносится из силикатов, становясь растворимым в виде слабой кремнекислоты или в каллоидной форме в растворах биокарбонатов Са, Na и К.

Гидратация – под воздействием воды происходит закрепление молекул воды в кристаллической структуре минерала. При этом образуются новые минералы, например, переход ангидрита в гипс:

CaSO4 + 2H2O→CaSO4 ∙ 2H2O

Или переход гетита в гидрогетит

FeOOH +nH2O →FeOH ∙ nH2O

Путем гидратации образуются хлорит, тальк, серпентин, цеолиты и др.

Карбонатизация. Минералы, содержащие ионы Ca, Mg, Na и K вступают в реакцию с природными водами, насыщенными углекислотой. При этом образуется карбонаты и бикарбонаты этих минералов. Такой процесс называется карбонатизацией. Все поверхностные воды содержат углекислый газ, поступающий из атмосферы или из разлагающегося в почве органического вещества. Растворенный углекислый газ реагирует с водой, при этом образуется углекислота:

Н2О + СО2 = Н2 СО3

Углекислота диссоциирует на ионы водорода (Н+) и биокарбоната (НСО3-) и ионы карбоната (СО32-). Поэтому насыщенная углекислой вода растворяет многие минералы легче, чем чистая вода, т.е. является активным агентом выветривания.

Растворение. Многие минералы растворяются под действием воды, стекающей по поверхности горных пород и просачивающейся по трещинам и порам на глубину. Ускорению процессов растворения способствует высокая концентрация водородных ионов, кислорода, углекислоты и органических кислот.

Из минералов наилучшей растворимостью обладают хлориды – галит, сильвин и др. На втором месте – сульфаты – ангидрит, гипс. На третьем месте – карбонаты – известняки и доломиты. За счет растворения указанных пород могут образовываться карстовые формы как на поверхности, так и на глубине.

Окисление – это присоединение к минералам кислорода, особенно к тем, что содержат в своем составе железо. Кислород воздуха и воды разрушает сульфиды и железистые силикаты – такие как оливин, пироксены и амфиболы, и превращают двухвалентное железо в трехвалентное:

2(MgFe)[SiO4] + 2H2O + 1/2O2 + 4H2CO3→Fe2O3 + 2Mg(HCO3)2 + H4SiO4

оливин растворимый растворимая

биокарбонатный Mg кремнекислота

Окисление пирита и др. сульфидов ведет к образованию серной кислоты:

FeS2 + H2O + 7/2O2→FeSO4 +H2SO4

FeS2 + mO2 + nH2O→FeSO4→ Fe2 (SO4)3→Fe2O3∙nH2O

лимонит (бурый железняк)

На некоторых месторождениях сульфидов и др. железных руд наблюдаются «бурожелезняковые» шляпы, состоящие из окисленных и гидратированных продуктов выветривания.

Органика. Растения и животные помогают не только физическому, но и химическому выветриванию. Лишайники, которые одними из первых начинают расти на недавно обнажившейся породе, поглощают из нее некоторые химические соединения и «разъедают» породу. Корни других растений удаляют новые порции неорганического материала.

При отмирании и последующим разложении органического вещества выделяются некоторые органические кислоты (одна из них – гуминовая) и углекислый газ. И кислоты, и углекислый газ увеличивают растворяющую способность воды. Например, в присутствии органических кислот заметно повышается растворимость кварца, железа и алюминия.

Химическая активность многочисленных и вездесущих бактерий приводит к образованию аммиака, азотной кислоты, углекислого газа и др. химически активных веществ – еще один фактор, влияющий на изменение пород. В то же время растения задерживают влагу, замедляют эрозионные процессы, т.е. продлевают химическое выветривание.

Коры выветривания

В результате единого сложного взаимосвязанного физического, химического и хемобиогенного процесса разрушения горных пород образуются различные продукты выветривания. Продукты выветривания, оставшиеся на месте разрушения материнских (коренных) горных пород, называют элювием.

Кора выветривания – это совокупность различных элювиальных образований. Такая остаточная кора выветривания называется автоморфной.

В истории геологического развития земной коры неоднократно возникали благоприятные условия для образования мощных автоморфных кор выветривании. К их числу относятся: высокая температура и влажность, относительно выровненный рельеф, обилие растительности и продолжительность периода выветривания.

При длительном выветривании и соответствующих условиях образуются хорошо выраженные зоны коры выветривания, имеющие свои текстурно-структурные особенности и минеральный состав.

Значительная мощность и наиболее полный профиль коры выветривания формировался в тропической лесной области, где выделяются следующие зоны:

1.  Дезинтегрированния;

2.  Гидрослюдисто-монтмориллонит-бейделитовая;

3.  Каолинитовая;

4.  Гиббсит-гематит-гетитовая.

Схема полного профиля коры выветривания в тропической лесной области

Рис. 5. Схема полного профиля коры выветривания в тропической лесной области:

1 – неизмененная порода, зоны: 2 – дезинтегрированная, 3 – гидрослюдисто-монтмориллонитово-бейделитовая, 4 – каолинитовая, 5 – гиббсит-геманит-гетитовая

Благодаря присутствию окислов и гидроокислов Al и Fe, элювий верхней части коры выветривания в сухом состоянии напоминает обожженный кирпич, часто образующий панцири и окрашенный в красный цвет. Поэтому такие коры выветривания называются латеритными (латинское –латер -кирпич).

Приведенная зональность представляет собой идеализированную схему, иллюстрирующую общую направленность процесса выветривания. Конкретные климатические условия и состав материнских пород на отдельных участках земной поверхности в различные промежутки геологического времени могли ускорять или задерживать процесс выветривания, в результате чего формировались сокращенные или неполные профили вплоть до образования однозонального профиля коры выветривания. Например, в пустынях и полупустынях элювий состоит преимущественно из различных обломков, щебня, дресвы, образующихся при физическом выветривании. Сокращенные и неполные профили известны в районах с высокими температурами и интенсивного водообмена, где некоторые зоны выпадают вплоть до образования однозонального профиля, состоящего из свободных окислов и гидроокислов Fe и Al, располагающегося на неизмененных породах.

Среди кор выветривания выделено два основных морфогенетических типа: площадной и линейный.

Площадные коры выветривания развиваются в виде покрова или плаща, занимают обширные площади до десятков и сотен квадратных километров на сравнительно выровненных поверхностях рельефа.

Линейные коры выветривания имеют линейные (вытянутые) очертания в плане и приурочены к зонам повышенной трещиноватости, к разломам и контактам различных по составу пород. В этих условиях происходит более свободное проникновение воды и содержащихся в них активных компонентов, что вызывает интенсивный процесс химического выветривания.

Процесс формирования кор выветривания представляет собой несколько последовательных и взаимосвязанных явлений:

1.  Разрушение и химическое разложение горных пород с образованием продуктов выветривания;

2.  Частичный вынос и перераспределение продуктов выветривания;

3.  Синтез новых минералов в результате взаимодействия продуктов выветривания в ходе их миграции;

4.  Метасоматическое замещение минералов материнских пород.

С корами выветривания различного возраста связано много ценных месторождений полезных ископаемых – бокситов, железных руд, марганца, никеля, кобальта и др.



Реклама