ВЫВЕТРИВАНИЕ

ВЫВЕТРИВАНИЕ
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,
микроклин
каолинит
кремнекислота бикарбонат калия
2 NaАlSi3O8 + 3H2O + 2CO2 → Al2Si2O5 (OH)4 + H4SiO4 +2NaHCO3
альбит
двуокись
углерода
каолинит
кремнекислота бикарбонат Na
СaАl2Si2O8 + 3H2O + 2CO2 → Al2Si2O5 (OH)4 + Са(HCO3)2 + 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.
Рис. 5. Схема полного профиля коры выветривания в
тропической лесной области:
1 – неизмененная порода, зоны:
2 – дезинтегрированная, 3 – гидрослюдистомонтмориллонитово-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.