Гипергенез и коры выветривания

На поверхности континентов горные породы попадают в обстановку, ко­торая резко отличается от условий их образования.

Дневная поверхность характеризуется невысокими температурами и дав­лением - в сотни и тысячи раз меньшими, при которых возникают магмати­ческие и метаморфические породы. Давление и особенно температура на по­верхности суши испытывают значительные колебания в течение суток и года. Мощным фактором воздействия является жидкая вода, содержащая химиче­ски активные соединения, живые организмы и продукты их жизнедеятельности, процессы почвообразования. Все это обусловливает неустойчивость ми­нералов, возникших в иных условиях, и возникновение новых минералов.

Выветриваниемназывается сумма физических, химических и физико-химических процессов преобразования горных пород и слагающих их мине­ралов на поверхности суши под влиянием факторов и условий географиче­ской среды (Добровольский, 2001). Иначе говоря, выветривание - это меха­ническое разрушение и химическое изменение горных пород и их минералов. Наружные горизонты горных пород, где протекают процессы выветривания называются корой выветривания или зоной гипергенеза.

В зависимости от характера выветривания и причин разрушения горных пород различают физическое, химическое и биологическое выветривание.

Физическое выветривание протекает под воздействием колебаний темпе­ратур, действием замерзающей воды, ветра и других факторов. В связи с тем, что горные породы состоят из различных минералов, разные части нород на­греваются неодинаково: одни из них нагреваются быстрее, другие медленнее, одни способны при нагревании расширяться больше, другие меньше. Поэто­му массивная горная порода при нагревании солнцем начинает давать тре­щины, отдельные кристаллы начинают обособляться друг от друга, расшаты­ваться, выпадать, образуя рыхлую раздробленную массу. Дальнейшее вывет­ривание приводит к еще большему дроблению и измельчению каменистой массы. Таким путем горная порода может распадаться на очень мелкие час­тички.

В такой же степени процессу физического выветривания подвергаются и породы однородного минералогического состава. Большую роль в этом про­цессе играет малая теплопроводность горных пород. В связи с этим различ­ные части горных пород под влиянием солнечных лучей разогреваются не­равномерно: наружные слои нагреваются больше, внутренние меньше. При неравномерном же нагревании происходит и неравномерное расширение, а это неизбежно приводит к постепенному растрескиванию горной породы.

Химическое выветривание - это процессы химического изменения и раз­рушения горных пород и составляющих их минералов с образованием новых минералов и соединений.

Наиболее энергично химическому выветриванию подвергаются магмати­ческие породы, которые образовались в условиях высоких температур и дав­ления при недостатке газообразного кислорода и воды. На земной поверхно­сти эти породы попадают в совершенно иные термодинамические условия: низкие температуры и давление, большие количества кислорода и воды в жидкой форме, что делает породы химически неустойчивыми. Важнейшими факторами химического выветривания является вода, углекислый газ и ки­слород. Вода является энергичным растворителем горных пород и минера­лов. Разложение минералов водой значительно усиливается с повышением температуры и насыщением ее углекислым газом. Последний придает воде кислую реакцию, что увеличивает разрушающее действие на минералы.

Большую роль в процессах химического выветривания играет кислород, который, проникая в горные породы на значительную глубину, обуславлива­ет процессы окисления. При химическом выветривании различают ряд про­цессов, среди которых наиболее важными являются растворение, гидролиз, гидратация и окисление.

Процессы растворения горных пород водой и особенно водой, содержа­щей различные соединения, играют большую роль при выветривании неко­торых осадочных пород, например известняков и гипсоносных пород. Рас­творимость кальцита при температуре 25° - 0,0145 г в литре воды, но в воде, содержащей углекислоту, растворимость его резко повышается вследствие перехода СаСО₃ в значительно более растворимый бикарбонат:

СаСОз + СО₂ + Н₂О <-> Са(НСО₃)₂.

Основной формой химического выветривания является гидролиз, состоя­щий в замещении в кристаллической решетке алюмосиликатов ионов щело­чей водородным ионом воды вследствие ее частичной диссоциации. Раство­ренная в воде СО₂ повышает концентрацию водородного иона и усиливает гидролитическое действие. Примером может служить выветривание полевых шпатов - калиевый полевой шпат, или ортоклаз, - существенная составная часть гранита. Во влажном климате в присутствии углекислоты и достаточ­ного количества воды он разлагается:

К₂О Al₂Oy6SiO₂ + СО₂ + 31ЬО = К₂СО₃ + Al₂Oy2SiO₂-2H₂O + 4SiO₂nll₂O
Ортоклаз поташ каолинит

Хорошо растворимый в воде поташ уносится в водном растворе. Выно­сится в виде коллоидного раствора и водный кремнезем (SiO₂'nH₂O), кото­рый в дальнейшем переотлагается на новом месте в виде опала, цементи­рующего рыхлые породы или выполняющего полости в горных породах. На месте разрушения гранита, остается нерастворимый осадок - каолин (Al₂O₃-2SiO₂'2H₂O).

С деятельностью воды связана также гидратация, т.е. химический про­цесс присоединения воды к частицам минерала, например:

2Fe₂O₃ + ЗН₂О = 2Fe₂O₃3H₂O
гематит лимонит

Окислительным процессам 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.

Процессы растворения, гидратации, окисления при выветривании всегда сопровождаются противоположными процессами - выпадения осадка, дегидратации, восстановления. При образовании осадков значительную роль игра­ет углекислота, дающая с основаниями раствора карбонаты, например:

Са(ОН)₂ + СО₂ = СаСОз + Н₂О

Этот процесс называется карбонитизацией.

Выпадение карбонатов может произойти также вследствие уменьшения содержания углекислоты в растворе, например при повышении температуры, при биологическом поглощении СО₂ растениями. В результате бикарбонат переходит в карбонат:

Са(НСО₃)₂ «-> СаСОз + Н₂О + О₂

Всякое увеличение содержания СО₂ в растворе вызывает повышение рас­творимости карбонатов, т.е. декарбонитизацию породы.

Перечисленные противоположные процессы самым разнообразным обра­зом сочетаются друг с другом, давая сложное химическое выветривание. В результате химического выветривания горная порода превращается в порис­тое тело, обладающее капиллярными свойствами, влагоемкостью, поглоти­тельной способностью и т.д.

Биологическое выветривание вызывается деятельностью растительных и животных организмов. Так, древесная растительность в районах выхода на дневную поверхность твердых каменистых пород действует на них, прежде всего механически, расклинивая корнями трещины. Растительный покров за­держивает влагу на поверхности и тем самым увеличивает продолжитель­ность действия ее на горные породы. В этом отношении растительность иг­рает роль косвенного фактора в разрушении минералов и горных пород. В то же время корни всех растений выделяют различные органические кислоты, которые растворяют минеральные соединения, усиливая процесс их разру­шения. При разложении растительных и животных остатков также выделя­ются органические кислоты, оказывающие аналогичное воздействие.

Значительную роль в биологическом выветривании играют всевозмож­ные микроорганизмы, лишайники, роющие и копающие животные, дождевые черви, кроты, множественная группа почвенных беспозвоночных - моллю­ски, пауки, многоножки, жуки, клещи и прочие организмы. Все они прямо -путем выделения кислотных соединений или косвенно - путем усиления дос­тупа углекислого газа и воды в поверхностные слои горной породы также участвуют в изменении и разрушении минеральных соединений и горных пород.

Таковы главные факторы, под влиянием которых происходят непрерыв­ные процессы выветривания горных пород. Однако надо иметь в виду, что в чистом виде перечисленные формы выветривания в природе вряд ли присут­ствуют, их трудно, если не невозможно, отделить друг от друга, т.к. они про­текают совместно.

Типы выветривания. Процессы выветривания зависят не только от харак­тера и состава горных пород, но и от среды, в которой они протекают. Боль­шое значение имеют концентрация и состав растворов, реакция среды (рН). окислительно-восстановительные условия и т.д. Процессы выветривания в

значительной степени обусловлены климатом. Интенсивность выветривания определяется, главным образом, температурой и количеством атмосферных осадков. В условиях засушливого климата растворимые продукты выветри­вания накапливаются, в условиях влажного климата - вымываются. По ин­тенсивности процессов выветривания различают два основных типа - сиал-литный и аллитный.

Сиаллитный тип выветривания в условиях умеренного климата со сред­ним количеством осадков, при котором образуются алюмосиликаты и ферро-силикаты.

Аллитный тип выветривания получает развитие в условиях влажного тропического климата, где интенсивно протекают процессы гидролиза и об­разование гидратов окисей кремния, железа и алюминия.

Заканчивая обзор процессов выветривания, подведем итоги. Под влияни­ем солнечной энергии, атмосферных факторов, жизнедеятельности организ­мов, выветривание непрерывно преобразует, разрушает верхнюю часть зем­ной коры. Продукты разрушения в дальнейшем перемещаются водными по­токами, ветром, льдом и становятся материалом для образования новых по­род с качественными признаками, отличными от ранее существовавших.

Процессы выветривания горных пород и денудации тесно взаимосвязаны и взаимно способствуют друг другу. При накоплении коры выветривания значительной мощности процесс дальнейшего ее мог бы прекратиться, если бы не происходило сноса разрушенного материала.

Продукты выветривания горных пород, остающиеся на месте их образо­вания, носят название элювия, а продукты выветривания, которые под дейст­вием силы тяжести и дождевых потоков перемещаются вниз по склонам, на­капливаясь в нижних частях склонов, называют делювием.

Различают древние коры выветривания, обычно погребенные под более молодыми отложениями и современные коры выветривания.