Выветривание пород

Возможность химического выветривания определяется рядом свойств самих горных пород, влияющих на их подверженность химическому изменению. Более 98% земной коры слагают 8 химических элементов, самый распространенный из которых - кислород, составляет более половину общего веса земной коры. Далее следуют кремний (менее четверти общего веса земной коры), алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний. По объему почти вся земная кора состоит из анионов кислорода, соединенных с катионами металлов в форме окислов. Наиболее важным из них являются кремнезем (SiO2), образующий минерал кварц и окислы алюминия (Al2O3) и железа (Fe2O3). Значительная часть минералов образована силикатными тетраэдрами (Si2O4), выступающими в роли «строительных кирпичиков». Благодаря различному типу химических связей между этими тетраэдрами и соединяющими их катионами и замещению части ионов кремния в тетраэдрах алюминием возникает огромное разнообразие силикатных минералов. Основные процессы химического выветривания выражаются в нарушении тетраэдральной решетки и выносе скрепляющих их катионов.

Существенную роль в процессах  химического выветривания играет дождевая вода, имеющая сложный химический состав. Она содержит, кроме растворенного  атмосферного кислорода и двуокиси углерода, морские соли, окись азота, растворенную азотную кислоту, двуокись серы и растворенную серную кислоту. Эти постоянные компоненты дождевой воды дают ей возможность бесконечно разнообразного воздействия на горные породы. Как только вода просачивается, ее состав испытывает дальнейшие изменения благодаря реакциям с минеральными и органическими фракциями почвы и грунта. [12]

Главными реакциями, обуславливающими химическое выветривание, являются окисление, гидратация, растворение и гидролиз. Но в природе эти процессы протекают совместно, и их суммарный результат сильно изменяет результаты воздействия каждого из них.

Окисление – это переход элементов с низкой валентностью в высоковалентное за счет присоединения кислорода. Окислению подвержены в первую очередь минералы, содержащие железо, серу, ванадий, марганец, никель, кобальт и другие легко соединяющиеся с кислородом элементы. Факторами окисления являются кислород воздуха и вода. В присутствии влаги закиси металлов, входящие в состав горных пород и минералов, легко переходят в окиси, сульфиды — в сульфаты и т. д.

Например: лимонит – это самая устойчивая форма существования железа в поверхностных условиях. Все ржавые пленки и ржаво-бурая окраска пород обусловлена присутствием гидроокислов железа. Так как железо постоянно входит в химический состав многих породообразующих минералов – значит при химическом выветривании этих минералов 
 
Fe⁺⁺ перейдет в Fe⁺⁺⁺, т.е. лимонит. 
 
Окисляется не только Fe, но и другие металлы.

В условиях недостатка кислорода  протекает процесс восстановления, при котором металлы с высокой  валентностью переходят в соединения с более низкой валентностью. Подобный процесс наиболее ярко протекает в зонах окисления сульфидных месторождений.

Рис.2. Зона окисления и  восстановления сульфидных руд

Выше уровня (зеркало) грунтовых  вод располагается зона обогащения O₂, и в ней интенсивно протекают процессы окисления, в результате чего сульфиды металлов переходят в сульфаты, которые хорошо растворимы и просачивающимися водами перемещаются вниз до уровня грунтовых вод в зону обедненную кислородом. В этой зоне сульфаты восстанавливаются и переходят во вторичные сульфиды в результате чего возникает зона богатых руд (зона вторичного обогащения). На поверхности же рудного тела в результате окисления и выщелачивания образуется так называемая железная шляпа, которая представляет собой каркас кварца пропитанного лимонитом. Процессы окисления и восстановления можно представить в виде схемы: 
 

Гидратация – это химическое присоединение воды к минералам горных пород с образованием новых минералов (гидросиликатов и гидроокислов) с другими свойствами. 
 
Fe₂O₃ + nH₂O ® Fe₂O₃ ´ nH₂O 
 
гематит лимонит 
 
 
CaSO₄ + 2H₂O ® CaSO₄ ´ 2H₂O 
 
ангидрит гипс 
 
          Превращение ангидрита в гипс всегда сопровождается значительным увеличением объема породы, что приводит к механическому разрушению всей гипс-ангидритовой толщи.

          Растворение – способность молекул одного вещества распространяться вследствие диффузии в другом веществе. Оно происходит с различной скоростью для разных пород и минералов. Наибольшей растворимостью обладают хлориды (галит NaCl, сильвин KCl и др.). Сульфаты и карбонаты растворяются хуже. [18]

Гидролиз – наиболее важный процесс химического выветривания, т.к. путем гидролиза разрушаются силикаты и алюмосиликаты, которые слагают половину объема внешней части континентальной коры.

Гидролиз – это обменное разложение вещества под влиянием гидролитической диссоциации воды, сопровождающееся разрушением одних и образованием других минералов. Наиболее характерен пример гидролиза полевых шпатов: 
 
K[AlSi₃O₈] + nH₂O + CO₂ ® K₂CO₃ + Al₄ [Si₄O₁₀](OH)₈ + SiO₂ ´ nH₂O 
 
ортоклаз в раствор каолинит опал 
 
 
Дальнейший гидролиз каолинита приводит к его разложению и образованию латерита:  
 
Al₄ [Si₄ O₁₀](OH)₈ ® H₂Al₂O₄ + SiO₂ ´nH₂O  
 
Латерит

Интенсивность процесса гидролиза, которому сопутствуют растворение и гидратация, зависит от климатических условий: - в умеренном климате гидролиз протекает до стадии образования гидрослюд; - во влажном теплом климате – до стадии образования каолинита; - в субтропическом климате – до стадии образования латерита. 

Таким образом, при гидролизе  разрушаются силикаты, алюмосиликаты; на их месте накапливаются глинистые минералы, а за счет вытеснения катионов образуются свободные окислы и гидроокислы алюминия, железа, кремния, марганца.

Латериты являются ценными рудами на алюминий. При перемыве латеритной коры выветривания и переотложении гидроокислов алюминия формируются месторождения бокситов.

В соответствии с приведенной  последовательностью выделяются 4 стадии химического выветривания:

• Обломочная, при которой породы превращаются в рыхлые продукты физического выветривания;
• Обизвесткованного элювия (сиаллитная), когда начинается разложение силикатов, сопровождаемое удалением хлора, серы и обогащение пород карбонатами;
• Глин (кислая сиаллитная стадия), когда продолжается разложение силикатов и происходит отщепление и вынос оснований (Ca, Mg, Na,K), а также образование каолиновых глин на кислых породах и нонтронитовых – на основных;
• Латеритов (аллитная), завершающая стадия химического выветривание, на которой идет дальнейшее разложение минералов (отщепляются и выносятся окислы и гидроокислы алюминия и железа – гетит, гидрогетит и гиббсит, гидроаргиллит).

Как было сказано выше, выветривание неразрывно связано с климатом. Взаимосвязь  между климатическими параметрами  и характером и типом выветривания хорошо передают схемы Пельтье. Эти схемы построены исходя из следующих упрощений:

механическое выветривание почти полностью обусловлено  попеременным замерзанием и оттаиванием,

химическое выветривание в такой степени зависит от наличия воды, что его интенсивность  должна прямо соответствовать количеству осадков.

Таким образом, районы, в  которых циклы замерзания - протаивания наиболее действенны и температура часто переходит через точку замерзания, являются ареной наиболее активного проявления физического выветривания. Считая, что химическое выветривание ускоряется при высоких температурах и плотном растительном покрове, Пельтье установил районы, где такие условия преобладают. Исходя из сказанного, Пельтье были определены климатические режимы, характеризующиеся разным сочетанием механического и химического выветривания и составлены схемы, дают общее представление об относительной роли каждого из этих процессов в разных природных зонах.

Кроме климата на ход процессов  выветривания оказывает влияние  рельеф, вернее интенсивность тектонических движений, о чем указывал Н.М. Страхов. Он предполагал, что обычно химическое выветривание преобладает над механическим. Особенно действенно оно в тропической зоне. Территория вторичного максимума приурочена к влажным районам умеренных широт, хотя скорость выветривания здесь в 20 раз ниже, чем в тропиках. Относительно мощному механическому выветриванию климат благоприятствует только в пустынях и на крайнем севере. Однако Н.М.Страхов подчеркивал, что с увеличением амплитуды рельефа, механическая денудация в форме поверхностного смыва становится настолько интенсивной, что она в итоге совершенно подавляет химическое выветривание. Для достижения такого состояния в гумидных районах тропической зоны необходимо исключительно быстрое тектоническое поднятие, тогда как в умеренных широтах условия для механической денудации гораздо лучше и преобладать она может и при относительно небольших тектонических поднятиях.

Арктическая зона характеризуется преобладанием физического выветривания, особенно морозного, обусловленного низкими температурами. Коры выветривания представлены малоизмененными обломочными отложениями малой мощности. Процессы химического выветривания не выражены, вторичных глинистых минералов не образуется. Перенос водными потоками продуктов разложения ослаблен, органических соединений очень мало, почвы практически отсутствуют.

Тундра. Так же как в предыдущей зоне преобладают процессы физического выветривания с очень незначительной активностью химического. Из-за низких температур, несмотря на обилие воды, деятельность микроорганизмов подавлена. Следствием этого является медленный биологический круговорот атомов, малая продуктивность растительной массы, ослабленная минерализация органических остатков. Типоморфными и вместе с тем самыми подвижными элементами являются, ион водорода и двухвалентное железо (Н+, Fe2+).

В лесной зоне с умеренно теплым климатом морозное выветривание ослабляется, и активизируются процессы химического выветривания. Активно протекают процессы гидратации, в меньшей степени гидролиза и карбонатизации. С влагой вниз перемещаются (выщелачиваются) растворимые продукты химического выветривания и, прежде всего, щелочи и щелочные земли. В разложении и переносе минеральных веществ существенную роль играют гумусовые соединения (фульвокислоты и их соли) почвы и микроорганизмы (преимущественно грибы). Кора выветривания в этих условиях представляет собой комплекс продуктов выветривания сиаллитно-глиногенного состава (смесь гидратов алюминия, железа и кремния). Типоморфные элементы - ион водорода, алюминий, железо, кремний. В большом дефиците кальций, и многие редкие элементы - кобальт, фтор, молибден, йод.

В степной зоне с умеренно теплым климатом и непромывным режимом формируется сиаллитно-карбонатная кора выветривания, лессовидная, обогащенная карбонатами кальция и магния и калия. Вымытые Cl- SO42- и частично Na, Mg и K входят в состав образующихся глинистых минералов – сиаллитов, содержащих Si и Al2O3 – монтмориллонита, бейделлита и др. В почвах и коре выветривания существуют как нисходящие, так и восходящие потоки, что приводит к формированию горизонтов, обогащенных солями (хлоридами и сульфатами). Благодаря содержанию кальция грунтовые и почвенные воды имеют слабощелочную реакцию и отличаются высокой прозрачность: коллоиды не вымываются, фиксируясь в коре выветривания. Типоморфными элементами являютсякальций, магний, натрий.

В полупустынях умеренного пояса химическое выветривание и водная миграция химических элементов ослаблены и образование глинистых минералов происходит замедленными темпами. В аридных пустынях(субтропических и тропических) господствует физическое выветривание, стимулированное резкими суточными колебаниями температуры. В этих ландшафтных зонах миграция растворов преимущественно восходящая, они нейтральные или слабощелочные. Подъем грунтовых вод приводит к формированию горизонтов, обогащенных легко растворимыми солями (хлоридами и сульфатами щелочных и щелочноземельных металлов и содой). Типоморфными являются кальций, магний, калий, частично натрий и хлор. На солончаках к типоморфным элементам относится также сера.

Во влажных тропиках и субтропиках химическое выветривание охватывает слои земной коры в десятки метров и завершается полным разложением минералов, так как почвенные воды, обогащенные углекислым газом и большим количеством органических кислот, образующихся при быстром разложении обильных растительных остатков, обладают большой разрушительной силой. Из почв вымываются и переходят в раствор большая часть оснований и почти вся окись кремния. Накапливаются наименее подвижные продукты разложения гидроокислыжелеза и алюминия, которые образуют коллоидные осадки, сохраняются в почве и придают ей красный цвет. Тропические коры выветривания имеют сиаллитно-ферралитный и аллитный состав, типоморфными элементами являются - Н+, алюминий, железо, типоморфными соединениями - гидраты алюминия, железа, латериты, бокситы, каолины.

Зональность почвенного покрова и процессов почвообразования. Под почвой понимают поверхностные рыхлые накопления состоящие из минеральной части (мелкораздробленных горных пород в различной стадии выветривания) и органических масс образующихся от разложения преимущественно растительных остатков.Минеральная часть почв является источником легко растворимых (подвижных) минеральных солей, необходимых для жизнедеятельности растений. Органические остатки после своего распада, образуют специфическиеорганические соединения (гумусовые кислоты), в том числе и растворимые в воде. Между продуктами распада неорганических и органической части происходят обменные реакции, приводящие к образованию новообразований, сохраняющихся в почве в виде твердых веществ, растворов и коллоидных смесей (органо-минеральные комплексы). Процессы разрушения как минеральной так и органической частей и обменные реакции происходят только в воде и их интенсивность определяется количеством, температурой и интенсивностью циркуляции воды. Поэтому характер почв в плакорных (водораздельных) условиях определяется средним количеством атмосферных осадков при определенных температурных условиях, т.е. является зональным. При дополнительном увлажнении (поступлении грунтовых вод вследствие их близкого залегания) возникают интразональные почвы. [3]