ВЫВЕТРИВАНИЕ ГОРНЫХ ПОРОД И МИНЕРАЛОВ

Выветривание – это совокупность сложных процессов качественного и количественного преобразования горных пород и слагающих их минералов, приводящих к образованию продуктов выветривания. Выветривание происходит за счёт действия на литосферу гидросферы, атмосферы и биосферы. Если горные породы длительное время находятся на поверхности, то в результате их преобразований образуется кора выветривания. Процессы выветривания относят к экзогенным процессам – процессам разрушения, переноса и отложения горных пород и минералов, происходящие на по­верхности Земли под влиянием сил денудации – тепла, воздуха, ветра, воды и льда, силы тяжести. Различают три вида выветривания: физическое (лёд, вода и ветер), химическое и биологическое.

Физическое выветривание – это процесс раздробления кристаллических горных пород и минералов на более мелкие обломки без изменения химического состава. При физическом выветривании наибольшее значение имеют сезонная и годовая разницы температур. Так, в средних широтах суточная разница температур летом равна 10–15 °С, зимой 20–25 °С, в течение года 40–50 °С. Разница температур в пустынях достигает 70–80 °С.

Горные породы на поверхности суши остывают и нагрева­ются быстрее, чем на глубине. При нагревании горные породы расширяются, при остывании сжимаются, причем в верхних слоях – больше, чем в нижних, вызывая появление вертикальных и горизонтальных микротрещин. Процесс разрушения усилива­ется при конденсации и замерзании воды в трещинах, поскольку при замерзании объем воды увеличивается на 10%. Глыбы или массивы, состоящие из многих минеральных зерен, распа­даются, так как величина коэффициента линейного расширения этих минералов различна. В результате горная порода покры­вается трещинами и с течением времени рассыпается на более мелкие обломки, причем на поверхности процесс физического выветривания происходит быстрее, чем на глубине, поэтому сна­чала наблюдается «отшелушивание» каменных слоев и глыб, а затем и отдельных камней. В результате физического вывет­ривания образуются обломки самых различных размеров, обла­дающих способностью пропускать воду и воздух, а при сильном измельчении – задерживать их. Большое физическое разруше­ние пород производит ветер (рис. 3.1)

Химическое выветривание – это процесс, протекающий под влиянием химического воздействия на породы главным об­разом кислорода, воды и углекислоты, и приводящий к измене­нию размеров и химического состава отдельных частиц вывет­ривающихся пород.

Все минералы, образующиеся в земной коре, представлены химическими соединениями разной степени сложности. Про­цессы физического выветривания, вызывая измельчение горных пород и минералов, увеличивают площадь соприкосновения их с водой и воздухом. Причем увеличение площади соприкоснове­ния происходит очень быстро. Так, если кубик со стороной 1 см, общей поверхностью 6 см² раздробить на частицы со стороной 1 мк (1микрон = 10^-6 м), то суммарная поверхность составит 60000 см².

Известно, что скорость химических реакций увеличивается прямо пропорционально площади соприкосновения. Поэтому по границам соприкосновения горных пород и минералов с водой, воздухом и углекислотой протекают химические реакции и тем интенсивнее, чем больше площадь соприкосновения.

При химическом выветривании наиболее распространен­ными являются реакции окисления, гидратации и дегидратации, гидролиза, растворения и обмена. В результате окисления про­исходит присоединение кислорода.

Чаще всего окисляются соли металлов, особенно железа. На­пример, пирит при взаимодействии с кислородом и водой пре­терпевает следующие изменения:

1. Окисление:

2FeS₂ + 7O₂ + 2H₂O = 2FeSO₄ + 2H₂SO₄;

Пирит

12FeSO₄ + 6H₂O+3O₂ = 4Fe₂(SO₄)₃ + 4Fe(OH)₃

2Fe₂(SO₄)₃ + 9H₂O = 2Fe₂O₈·3H₂O + 6H₂SO₄.

лимонит

В результате реакций образуются лимонит (минерал крас­ного цвета) и серная кислота. Лимонит обладает способностью впитывать воду.

2. Гидратация – реакция, протекающая с присоединением воды. Например, окись железа – гематит (красная железная руда), взаимодействуя с водой

2FeO₃+ ЗН₂О = 2Fe₂O₃ ·ЗН₂О

гематит лимонит

образует гидроокись или тот же лимонит.

2. Дегидратация – процесс обратной гидратации, протекающий обычно в сухих условиях.

3. Гидролиз – реакция взаимо­действия алюмосиликатов с водой и углекислотой, сопровож­дающаяся отщеплением катионов Са²⁺, Mg²⁺- или К⁺ из мине­ралов с одновременным замещением их водородом.

В земной коре наиболее распространены полевые шпаты, ко­торые в условиях влажного климата, взаимодействуя с водой и углекислотой, превращаются в каолинит по схеме:

К₂О ·А1₂О₃. ·6 Si O₂ ·+ 2HOH → Н₂О ·А1₂О₃ ·6Si O₂ + 2KOH.

Ортоклаз Алюмокремниевая кислота

В приведенном примере диссоциированная часть воды, взаимо­действуя с ортоклазом, отщепляет от него калий, который за­мещается водородом и одновременно образуется щелочь КОН. Образующаяся щелочь растворяет часть кремнезема, а затем взаимодействует с углекислотой по схеме:

Н₂О ·А1₂О₃ ·6Si О₂ + 2KOH + Н₂СО₃ + nН₂О → Н₂О ·А1₂О₃ ·2Si O₂ + 4SiO₂·nН₂О + К₂СО₃ + 2Н₂О

Каолин Поташ

В результате реакции образуются каолин, водные растворы кремнезема и углекислого калия. Каолин – глина белого цвета, состоящая из мелких чешуек размером менее 0,001 мм, обла­дает способностью впитывать воду и удерживать в поглощен­ном состоянии катионы К⁺, Са²*, Mg²⁺ и Н⁺. При дальнейшем выветривании в условиях жаркого климата каолин распадается на гидроокиси железа, алюминия и водорастворимую кремнекислоту.

Кремнезем при незначительной концентрации в воде осаж­дается, образуя фракцию пыли, а раствор К₂СО₃ в воде диссоциирует на ионы К⁺ и СО₃²⁺| , причем К⁺ частично вымывается (в форме К₂СО₃), а частично поглощается образовавшимся каолином. При взаимодействии воды и углекислоты с другими алюмосиликатными минералами освобождаются Са²⁺, Mg²⁺, K⁺, Na⁺ и другие катионы.

Минералы, подвергающиеся химическому выветриванию, на­зываются первичными. К ним относятся как простые соли, так и основная часть минералов магматических пород: кварц, полевые шпаты, роговые обманки и т. д. Вторичные мине­ралы – продукты химического выветривания первичных мине­ралов. Они могут быть как простыми, так и сложными соеди­нениями.

Особое значение имеют вторичные глинистые минералы – каолинит, монтмориллонит, гидрослюды. Это чаще всего глины с мелкими плоскими кристаллами, имеющими размер около 0,001 мм и обладающими отрицательным зарядом. Малый размер частиц обусловливает возникновение таких свойств, как вязкость, липкость, набухание и способность к обменным ре­акциям.

При химическом выветривании одновременно образуются во­дорастворимые соединения, в частности, углекислые соли К₂СО₃, СаСО₃, MgCO₃.

В водном растворе минералов NaCl, MgCl₂ и др. возникают обменные реакции с образованием вторичных водорастворимых минералов. Поэтому такие минералы, как кальцит, гипс, сода, галит, могут быть и первичного и вторичного происхождения.

К наиболее распространенным вторичным минералам отно­сятся: 1) минералы простых солей: кальцит, магнезит, галит, гипс, сода и др.; 2) минералы окислов и гидроокислов – аморф­ный кремнезем (SiO₂·nH₂O), гидроокислы алюминия (А1₂О₃·nН₂О), железа (Fе₂О₃·nН₂О лимонит, гетит), гидроокиси марганца (Мn₂О·nН₂О – пиролюзит, псиломелан и др.); 3) гли­нистые минералы – каолин, галлуазит, монтмориллонит, гидро­слюды (иллит) и др.

Биологическое выветривание – это процесс изменения горных пород под влиянием организмов, продуктов их жизне­деятельности и продуктов разложения органических веществ.

При физическом и химическом выветриваниях все простые соли вымываются водой и уносятся сначала в реки, а затем в моря и океаны. При биологическом выветривании растения и микроорганизмы избирательно поглощают часть водораство­римых солей, закрепляя их в форме органического вещества.

Разрушение горных пород происходит под влиянием различ­ных ферментов, имеющих кислую или щелочную реакцию, орга­нических кислот и оснований. Так, некоторые силикатные бак­терии, выделяя слизистые образования, разрушают полевые шпаты. Нитрифицирующие бактерии способны выделять азот­ную кислоту, серобактерии – серную. Диатомовые водоросли извлекают из алюмосиликатов кремнезем для построения ске­лета своего тела. Лишайники воздействуют на горные породы с помощью сильных органических кислот. Корни древесных и кустарниковых растений оказывают существенное физическое расклинивающее действие на горные породы. При разложении растительных остатков образуется значительное количество кис­лот и солей, также вступающих в различные реакции с гор­ными породами.

Таким образом, при биологическом выветривании проис­ходит физическое разрушение и дробление горных пород и минералов, а также их химическое преобразование, т.е. осу­ществляется их биохимическое разложение с образованием вторичных минералов и комплексных органо-минеральных сое­динений, большая часть которых закрепляется в верхних слоях почв. Биологическое выветривание относится к поч­вообразовательным процессам.

Под влиянием всех процессов выветривания образуется более или менее мощный слой коры выветривания, или рухляк вывет­ривания, который может состоять из крупных обломков первич­ных минералов и горных пород, очень мелких частиц вторичных глинистых минералов, окислов и гидроокисей, минералов, нахо­дящихся в промежуточных стадиях разложения. Наиболее ус­тойчив из них кварц, наименее устойчивы — простые соли.

В результате выветривания из кислых, насыщенных кварцем пород (кварциты, кварц, вулканическое стекло) образуются пески, из алюмосиликатов (слюд, полевых шпатов, авгитов и ро­говых обманок) – глины. Поэтому при выветривании гранитов образуется смесь песка и глины – суглинки. Часть продуктов выветривания переносится водой и ветром.

Продукты выветривания, не подвергшиеся переносу и оставшиеся на ме­сте своего образования, называют элювием (от лат. eluo – «вымываю»). Элювиальные отложения формируются на горизонтальных или слабонаклонных поверхностях. В геологии, элювиальные отложения – это то, что осталось на месте в результате выветривания, а унесенный материал рассматривается как часть другого процесса

По сравнению с твердыми породами в рухляке выветривания появляются новые свойства: водо- и воздухопроницаемость, спо­собность удерживать воду и некоторые элементы питания, а глины, кроме того, способны обменивать свои катионы К⁺, Са²+, Mg²⁺, F³⁺, H¹⁺ на катионы водного раствора. Под влия­нием биологических процессов выветривания накапливаются ор­ганические и органо-минеральные соединения, которые обеспе­чивают минимальное первичное плодородие рухляка.