Устойчивость минералов к процессам выветривания

ных пустынь. Процессам биохимического выветривания пород и минералов способствуют высокие температуры и влажность, а так­же обилие органических остатков. Наиболее быстро породы и ми­нералы химически изменяются во влажных субтропиках и тропи­ках, к умеренным и полярным областям скорость биохимического процесса выветривания уменьшается.

Более быстрому протеканию процессов биохимического вывет­ривания способствует удаление подвижных продуктов распада из выветривающихся пород и почвенной толщи. Поэтому в условиях хорошо дренированного рельефа при обилии осадков выветривание идет быстрее, чем в условиях затрудненного дренажа или аридного климата.

Физическое выветривание горных пород и минералов. Термин «вы­ветривание» не совсем удачен; можно подумать, что в разрушении пород повинен только ветер.

Действительно, местами его роль велика. В пустынях ветром поднимаются и несутся мелкие песчинки, с силой ударяясь о по­верхность скал и высверливая в камне маленькие, а затем все более расширяющиеся ячейки; стенки ячеек постепенно истончаются и разрушаются, идет так называемый процесс коррозии. Но наряду с ветром повсеместно действуют и другие мощные агенты физичес­кого выветривания. Первый из них связан со свойствами самой породы и проявляется как следствие суточных и сезонных колебаний температуры. Наибольшие амплитуды температур создаются на поверхности породы, с глубиной они уменьшаются: суточные колебания сказываются до глубины нескольких дециметров, а го­дичные — до 10 и даже 20 м. В местностях с морским климатом суточные и сезонные колебания температур невелики; в местнос­тях, лежащих внутри континентов; вдали от моря они наибольшие и достигают десятков градусов.

Горные породы, как и все тела, при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются; их теплопроводность невелика, поэто­му верхние слои прогреваются, а следовательно, и расширяются сильнее, чем более глубокие; в результате создаются механические напряжения, появляются трещины между поверхностными и более глубокими слоями; скалы начинают «шелушиться». Кроме того, дей­ствует и еще один фактор — горные породы состоят из зерен раз­личных минералов (гранит, например, состоит из прочно скреплен­ных друг с другом кристаллов кварца, полевого шпата, слюды и других минеральных зерен), которые при нагревании расширяются неодинаково (например, коэффициент теплового расширения ор­токлаза почти в три раза больше, чем кварца). Кристаллы многих минералов расширяются неодинаково по разным кристаллическим направлениям. Если минеральные зерна с неодинаковыми коэффи­циентами теплового расширения и сжатия оказываются рядом, это приводит к возникновению напряжения между ними, при частых колебаниях температур приводит к «расшатыванию», нарушению целостности породы и появлению сети тонких трещин. Эти тре­щинки играют большую роль в дальнейшем разрушении горной породы. Попадающая в них вода оказывает на стенки давление, достаточное для разрушения даже самых твердых пород. Так, со­гласно данным Ребиндера, при обычной температуре в трещин­ках толщиной в 1 мк капиллярное давление воды составляет око­ло 1,5 кг/см²; в трещинках с диаметром в 1 мкм — до 1500 кг/см².

При понижении температуры ниже нуля вода в трещинах замер­зает, лед занимает больший объем, чем жидкая влага, он давит на стенки трещин и еще более расширяет их. В трещины проникают корни растений, которые при росте также оказывают давление на стенки.

В жарких пустынных областях действие, аналогичное замерзаю­щей воде, производят соли. Они попадают в трещины горной поро­ды в растворенном виде с проникающей влагой. При нагревании поверхности скал влага испаряется, соли кристаллизуются. При ро­сте кристаллов их объем увеличивается, они оказывают давление на стенки трещин и расширяют последние.

Физическое разрушение пород приводит к образованию обломоч­ной, хрящевато-щебневатой коры выветривания. Полярные пустыни и вершины гор, если они не покрыты снегом и льдом, представляют собой «каменные моря», где вся поверхность покрыта крупными, беспорядочно нагроможденными остроугольными камнями — про­дуктами разрушения массивных пород.

Ярким примером господства процессов физического выветрива­ния являются выровненные поверхности гольцов на Северном Ура­ле, в горах Таймыра, Средней и Восточной Сибири, где среди ка­менных россыпей возвышаются лишь отдельные скалы — «свидете­ли» былого состояния вершинной поверхности. Другой пример господства физического выветривания — «каменные моря» — скоп­ления крупных обломков скал, щебня и гравия, в которых «тонут» горные сооружения в жарких пустынях мира.

Физическое разрушение пород и минералов замедляется по мере уменьшения размеров образующихся частиц и практически оста­навливается по достижении ими состояния крупной пыли — час­тиц, диаметр которых лежит в пределах 0,05—0,01 мм. Еще более дисперсного состояния выветривающиеся минералы достигают в результате химического и биохимического выветривания.

Химическое и биохимическое выветривание минералов. Одновре­менно с физическим разрушением горных пород начинается и их химическое изменение. Атмосферная вода, насыщенная кислоро­дом, соприкасаясь с породой, производит гидратацию, окисление и растворение ряда минералов.

Попадающая вместе с водой на поверхность породы и в ее тре­щины разнообразная микрофлора (синезеленые и диатомовые во­доросли, грибы, бактерии), а также поселяющаяся на поверхности породы литофильная растительность (лишайники, мхи) также весь­ма активно участвуют в химическом изменении минералов.

В процессе жизнедеятельности организмы выделяют углекислый газ СО2 В больших количествах СО2 образуется и при разложении органических остатков. Поэтому вода, циркулирующая в мельчай­ших трещинах породы, всегда насыщена углекислотой. При раство­рении СО2 в воде образуется Н2СО3, которая при диссоциации дает ионы Н+ и НСО₃^-. Увеличение концентрации ионов водорода в воде за счет растворения С02 сильно повышает растворяющее и разлага­ющее действие на минералы.

Живые организмы выделяют различные органические соедине­ния, способствующие разложению минералов: лишайники — особые органические кислоты; силикатные бактерии — разъедающую мине­ралы слизь; диатомовые водоросли — слизь, разлагающую даже такой устойчивый минерал, как каолин. Наконец, при разложении орга­нических остатков образуются специфические органические кисло­ты, близкие к кислотам, характерным для органического вещества почв, которые также участвуют в биохимическом выветривании.

Таким образом, агентами химического выветривания минералов являются: вода, кислород, углекислота и различные органические соединения преимущественно кислотного типа.

При воздействии воды, кислорода, углекислоты и органических кислот в поверхностных горизонтах литосферы и в почвах идут ре­акции растворения, окисления, гидратации и гидролиза минералов. Одновременно происходит синтез вторичных минералов. Некото­рые из них, как, например, многие глинистые минералы, диаметр частиц которых <0,001 мм, устойчивы и сохраняются в выветрива­ющейся толще пород; другие, как, например, простые соли (хлори­ды, сульфаты, карбонаты), малоустойчивы, растворяются и выно­сятся с грунтовыми и поверхностными водами.

Растворение. Все минералы, и первичные и вторичные, подвер­жены в той или иной мере процессам растворения, что проявляется в химическом составе природных вод. Наибольшей растворимос­тью обладают хлориды, сульфаты и карбонаты щелочных металлов, менее растворимы карбонаты кальция и магния. Их растворение и выщелачивание из толщ карбонатных, гипсоносных и засоленных пород приводит к формированию карста — солевого, гипсового и карбонатного. Растворение и выщелачивание солей из почв сопро­вождается образованием особого просадочного микрорельефа.

Значительно меньшей растворимостью обладают фосфаты каль­ция и кремнезем, освобождающийся при выветривании первичных минералов или осадочных кремнистых пород. Первичные алюмо­силикаты и кварц в чистой дистиллированной воде малораствори­мы. Однако в природных водах, насыщенных углекислотой или со­держащих органическое вещество, или имеющих высокую ще­лочность, растворение усиливается, но здесь этот процесс идет параллельно с разложением минералов.

Гидратация. Процесс гидратации заключается в присоединении молекул воды к безводным минералам, что приводит к трансформа­ции их кристаллической решетки и образованию новых минералов. Так, присоединение молекул воды к безводному минералу гематиту дает серию минералов-гидроксидов различной степени гидратиро- ванности:

Fe₂О₃ + Н₂О -> FeO(OH)+ Н₂О -> FeO(OH), + иН₂О -> Fe(OH), • nН₂О

гематит гетит гадрогетит лимонит

Окисление химических элементов с переменной зарядностью идет в присутствии кислорода и воды. Оно касается прежде всего такого распространенного элемента, как железо. В первичных силикатах и алюмосиликатах присутствует преимущественно двухзарядное же­лезо. Если при дроблении минералов, содержащих двухзарядное же­лезо, отдельные ионы его оказываются на поверхности, начинаются процессы окисления и гидратации. На поверхности обломков по­род и минеральных зерен появляются охристые, оранжевые пятна и пленки гидроксидов железа Fe₂О₃ • nН₂О. Они особенно обильны при большом содержании в породах темноцветных минералов: оли­вина, пироксенов и биотита. В случае наличия в породах минералов двухзарядного марганца при его окислении и гидратации образуют­ся гидроксиды трех- и четырехзарядного марганца — манганит МпО(ОН), пиролюзит МпO₂ и др. Гидроксиды марганца выделяют­ся в форме черных, сажистых скоплений, иссиня-черных пленок на поверхности пород и минеральных зерен.

Окисление двухзарядных железа и серы сульфидов (пирита, мар­казита и др.) сопровождается образованием наряду с сульфатами и гидроксидами железа свободной серной кислоты:

2FeS₂+7O₂+2H₂O = 2FeSO₄ +2H₂SO₄

2FeSO₄+0+5H₂P = 2Fe(OH)₃+2H₂SO₄

Образующаяся серная кислота активно разрушает минералы; во­дород вытесняет основания из кристаллических решеток, в результа­те образуются сульфаты кальция CaSO₄, магния MgSO₄, натрия Na₂SO₄ и калия K₂SO₄. Наиболее легкорастворимые из них в условиях сво­бодного дренажа выщелачиваются; менее растворимые, как, напри­мер, гипс CaSO₄^- • 2Н₂O,вопределенных условиях могут накапли­ваться; происходит загипсование выветривающейся породы.

Гидролиз. Постоянно присутствующая в большинстве природ­ных вод растворенная углекислота, а также продуцируемые орга­низмами органические кислоты являются источниками водородно­го иона Н⁺ (протона) — активного реагента, способного вытеснять основания из кристаллических решеток минералов (Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺, К⁺). Процесс замещения оснований на водородный ион в кристал­лической решетке силикатов и алюмосиликатов и их гидратации называется гидролизом. С процессами гидролиза и вторичного син­теза минералов из продуктов распада связано образование обшир­ной группы глинистых минералов, диаметр кристаллов которых из­меряется микронами и долями микронов. Высокая степень диспер­сности обусловливает появление у глинистых минералов свойств коллоидов: они имеют на поверхности заряд, преимущественно от­рицательный, обладают сорбционными свойствами по отношению к катионам, могут переходить, подобно коллоидам, в состояние золя и коагулировать; некоторые из них при увлажнении сильно набуха­ют как истинные коллоиды. Все они принадлежат к группе слоис­тых силикатов (двух-, трех- и четырехслойных) с варьирующим от­ношением SiО₂/Al₂О₃ от 2 до 5; все глинистые минералы в той или иной степени гидратированы.

В двухслойных глинистых минералах элементарный слой крис­таллической решетки состоит из одного тетраэдрического кремне- кислородного слоя и одного октаэдрического алюмогидроксильного (рис. 6.3, а). Молекулярное отношение SiО₂/Al₂О₃ = 2.

В трехслойных глинистых минералах на один октаэдрический алюмогидроксильный слой приходится два тетраэдрических крем- некислородных (рис. 6.3, б, в). Между трехслойными пакетами рас­полагаются ионы калия, кальция, магния и гидроксония. Молеку­лярные отношения SiО₂/Al₂О₃ варьируют от 3 до 4, так как в части тетраэдров кремний может быть замещен алюминием.

К двухслойным глинистым минералам относятся каолинит, гал- луазит, дикит и накрит. В кристаллической решетке этих минералов почти все основания замещены водородом. Наиболее распространен­ные среди них — каолинит и галлуазит — образуются при условии быстрого удаления оснований, вытесняемых из кристаллических ре­шеток первичных минералов (см. рис. 6.3, а).

Рис. 6.3. Строение глинистых минералов и обменные катионы. Минералы:

а — каолинит (двухслойный); б — монтмориллонит (трехслойный с расширяющейся ре­шеткой); в — иллит (трехслойный со стабильной решеткой); 1 — кремнекислородные тет­раэдры; 2 — алюмогидроксильные октаэдры; 3 — необменные катионы; 4 — обменные катионы.

В гидротермических условиях поверхности земли это достаточ­но устойчивые минералы. Они накапливаются наряду с гидрокси- дами алюминия и железа в качестве остаточных продуктов в древ­них корах выветривания и сформированных на этих корах почвах.

Трехслойные глинистые минералы представлены группой монт­мориллонита, включающей монтмориллонит, нонтронит и бейделит (см. рис. 6.3, б). Эти минералы образуются в нейтральной или щелочной среде, где присутствуют кальций и магний. Монтморил­лонит часто образуется при выветривании основных пород, богатых щелочноземельными основаниями. Кристаллическая решетка монт­мориллонита при увлажнении способна расширяться, вода прони­кает в межплоскостные промежутки и минерал сильно разбухает, что облегчает проникновение различных оснований в межслоевое пространство, увеличивая сорбционную способность этой группы минералов. В кислой среде монтмориллонит неустойчив.

К группе трехслойных глинистых минералов, но со стабильной решеткой относятся иллит и гидрослюды (рис. 6.3, в). Иллит — ка­лийная гидрослюда — образуется на первых стадиях выветривания полевых шпатов. Внешне это проявляется в образовании на повер­хности минеральных зерен и по трещинам спайности мелких слю­доподобных светлых чешуек.

При длительном течении процесса выветривания происходит пол­ное метосоматическое (без изменения первоначальной формы мине­ралов) замещение гидрослюдами зерен первичных полевых шпатов. Дальнейший гидролиз гидрослюд и полное замещение калия водо­родным ионом преобразует иллит в каолинит или галлуазит.

При выветривании слюд и хлорита образующиеся на первых ста­диях выветривания гидромусковит, гидробиотит, гидрохлорит при дальнейшем выветривании переходят в вермикулит, железисто-маг­незиальный алюмосиликат, подобно монтмориллониту имеющий подвижную кристаллическую решетку.

В процессе преобразования первичных и синтеза вторичных алю­мосиликатов образуется большая группа промежуточных смешан- нослойных минералов — смектитов. Это трех- и четырехслойные глинистые минералы, в кристаллической решетке которых в каче­стве элементарных структурных элементов выступают кристалли­ческие решетки различных глинистых минералов, например, монт- мориллонит-иллита, монтмориллонита-вермикулита-хлорита и др.

Наряду с глинистыми алюмосиликатами при выветривании и разрушении кристаллических решеток как первичных, так и вто­ричных минералов освобождаются оксиды кремния (кремнезем SiО₂) и алюминия (глинозем А1₂О₃). Гидроксиды кремнезема частично растворяются и выносятся с подземными и поверхностными вода­ми в речной сток, а частично осаждаются в виде аморфных сильно гидратированных осадков SiО₂ • nН₂О, которые при высыхании и некоторой потере воды превращаются в опал, а по мере частичной кристаллизации переходят в халцедон.

Белые порошковидные новообразования аморфного кремнезе­ма на поверхности минералов и структурных отдельностей в вывет- релых породах и почвах получили название «кремнеземистой при­сыпки».

Гидроксиды алюминия менее растворимы, чем гидроксид крем­незема. В нейтральной и слабокислой среде они накапливаются как остаточные продукты выветривания. При кристаллизации гидрокси- дов алюминия образуются минералы: боксит А1₂О₃ • nН₂О, гидраргил- лит, или гиббсит А1(ОН)₃, бёмит АlO(ОН). Это типичные минералы коры выветривания и почв влажных субтропиков и тропиков.

При выветривании железосодержащих силикатов — авгитов, роговых обманок, оливина — освобождаются гидроксиды железа. По мере кристаллизации и потери воды они превращаются в лимо­нит, гидрогетит, гетит и вторичный гематит. Все эти минералы ярко окрашены, они имеют охристый, оранжевый или кирпично- красный цвет и присутствие их хорошо заметно.

Первичные минералы, содержащие марганец, при выветрива­нии являются источником в коре выветривания и почвах оксидов марганца — пиролюзита Мп0₂ и псиломелана mМпО • МпO₂ •nН₂O.

При быстром течении процессов выветривания и полном разло­жении алюмосиликатов на составляющие оксиды кремния и алю­миния происходит их совместное осаждение в виде аморфных гид­ратированных осадков — аллофанов с варьирующим отношением SiO₂/Al₂O₃.

По мере старения и кристаллизации они переходят в глинистые слоистые алюмосиликаты: каолинит, а в присутствии Са и Mg — в

монтмориллон ит.

Освобождающиеся при выветривании первичных минералов каль­ций, магний, калий, натрий соединяются с анионом угольной кис­лоты и образуют углекислые соли — карбонаты. Например:

CaAl₂Si₂O₈+ Н₂СO₃ + Н₂O -> H,Al₂Si₂O₈- 2Н₂O + CaCO₃

анортит каолинит кальцит

При выветривании калиевых полевых шпатов и кислых плаги­оклазов образуется много соды Na₂CO₃ • 10Н₂O, выделяется поташ К,СО Н₂O, при выветривании кальций- и магнийсодержащих ми­нералов - доломит (Са, Mg)CO₃.

Остаточные коры выветривания и коррелятивные им типы аккумулятивных отложений

В теплых и влажных областях Земли при слаборасчлененном рельефе химическое выветривание опережает физическое разруше­ние пород и снос рыхлого материала; в этих условиях поверхность горных пород одевается мощной глинистой корой выветривания.

Так, если во влажных субтропиках Аджарии проехать или еще лучше пройти пешком по шоссе от Чаквы до Зеленого мыса и далее до Батуми, то в местах, где дорога проходит в глубоких выемках, высокие 10—20 м вертикальные стенки имеют красный, оранжевый и охристый цвета. Если смотреть издали, кажется, что это массив­ные пестроокрашенные горные породы. Хорошо видна свойствен­ная массивным породам текстура (общее строение), отчетливо выс­тупают диаклазы — плоскости скольжения относительно друг друга блоков массивной породы при тектонических движениях. Но если подойти поближе, можно легко убедиться, что это не каменный, а глинистый материал. Хотя он и сохранил структуру исходной поро­ды, но, как масло, режется ножом или лопатой. Лишь в наиболее глубоких выемках и в береговых обрывах рек видно, как эта красно- цветная глина постепенно сменяется сначала сильно измененными, а затем плотными и свежими диабазовыми порфиритами — вулка­ническими породами, имеющими здесь широкое распространение. Время образования подобной мощной глинистой коры выветрива­ния очень велико и составляет сотни тысяч и миллионы лет, в тече­ние которых вода и растворенные в ней углекислота, кислород и органические кислоты — продукты жизни и разложения организ­мов — коренным образом изменяют минералогический, химичес­кий состав и физические свойства исходной породы.

Из коры выветривания в процессе распада первичных минералов и образования вторичных вымываются легкорастворимые продук­ты выветривания; в первую очередь выносятся различные простые соли — хлориды, сульфаты и карбонаты натрия, затем сульфаты и карбонаты кальция и магния, вслед за ними выносится и некоторая часть кремнезема. На месте остаются малоподвижные оксиды желе­за (кроваво-красный гематит, охристый лимонит и др.), оксиды алю­миния и в их числе наиболее широко известный боксит, а также часть кремнезема, связанного с алюминием во вторичный очень ус­тойчивый глинистый минерал — каолинит.

Коры выветривания, обогащенные оксидами железа и алюминия, называются ферраллитными, менее обогащенные алюминием — ферсиаллитными. Если рельеф расчленен слабо, а осадков выпадает много, просачивающиеся сверху в выветрелую толщу воды време­нами застаиваются, аэрация ухудшается и в нижней переувлажнен­ной части коры выветривания создается восстановительный режим: окисное железо переходит в закисное, красный цвет исчезает, появ­ляется сизовато-голубой; этот процесс и его внешнее проявление называется оглеением. Соединения закисного железа в отличие от окисного хорошо растворимы и поэтому с общим потоком воды выносятся из оглеенного горизонта; на месте остается белый као­линит. Подобные отбеленные горизонты достигают большой мощ­ности и лишь у поверхности, где аэрация улучшается, сменяются пестроокрашенной, а затем кирпично-красной, хорошо окислен­ной зоной.

Поток грунтовых вод, обогащенных закисным железом, прибли­жается в депрессиях рельефа и речных долинах к поверхности и попадает в условия более хорошей аэрации; при наличии кислорода закисное железо снова переходит в окисное, теряет подвижность и выпадает в осадок. Вблизи поверхности в почвах и в рыхлых нано­сах образуются ожелезненные прослои, часто состоящие из слив­шихся друг с другом плотных округлых железистых конкреций. Мощность таких ожелезненных прослоев достигает 1 — 1,5 м. Эти образования получили название латеритов (от лат. later — кирпич). Если в результате эрозии (смыва) верхних горизонтов почв подоб­ные латеритные прослои оказываются на поверхности и просыха­ют, то они превращаются в массивный непробиваемый железистый панцирь, предохраняющий поверхность от дальнейшего размыва. Поэтому часто латеритные панцири, бронирующие рельеф, оказы­ваются не в депрессиях (где они первоначально образовались), а на плоских вершинах останцов, уцелевших от размывающей деятель­ности вод. Латеритные панцири, так же как и ферраллитные коры выветривания с отбеленными каолинитовыми горизонтами, широ­ко распространены на древних пенепленизированных равнинах тро­пической Африки, Австралии, Юго-Восточной Азии и Южной Аме­рики.

Древние ферраллитные и ферсиаллитные коры можно встре­тить не только во влажных тропиках и субтропиках на древних элементах рельефа. Так, мощные древние коры выветривания рас­пространены вдоль всего восточного подножия Урала, на равни­нах Центрального Казахстана, в Забайкалье, на Дальнем Востоке и в других местах, где сохранились древние денудационные равни­ны, не покрывавшиеся в последние геологические эпохи морем и потому сохранившие на своей поверхности эти реликты влажного и жаркого климата, господствовавшего здесь в далекие геологи­ческие времена — около 180 млн лет назад, в конце триасового и начале юрского периодов.

Древние коры выветривания изучаются геологами и географа­ми, так как с ними связан ряд полезных ископаемых и главным образом месторождения бокситов — ценного сырья для алюминие­вой промышленности. Отбеленные древние коры выветривания, обогащенные каолинитом, служат сырьем для фарфоровой промыш­ленности; местами в Африке латеритные панцири разрабатываются как железные руды.

Наряду с корами выветривания, имеющими широкое плошад- ное распространение, встречаются так называемые линейные коры выветривания. Они тянутся вдоль тектонических разломов — нару­шений земной коры, по которым из глубин земли поднимаются горячие растворы, часто обогащенные тяжелыми металлами: медью, свинцом, никелем, кобальтом, цинком, железом и многими други­ми. При понижении температуры и давления сульфиды тяжелых металлов осаждаются — образуются гидротермальные месторожде­ния. Породы вдоль разломов не только раздроблены при тектони­ческих сдвигах, под воздействием термальных вод они изменены: первичные минералы, например полевые шпаты, замещаются вто­ричными — серицитом, гидрослюдами. Все это облегчает и ускоря­ет их дальнейшее выветривание и образование линейной коры.

Кроме того, если в пределах данного разлома имеются суль­фидные месторождения и они вследствие тектоники или эрозии оказываются в зоне, куда проникают кислород и атмосферная вла­га, начинается процесс окисления, сопровождающийся образова­нием серной кислоты. Особенно много ее образуется при окисле­нии пирита — сульфида железа.

Серная кислота — очень сильный реагент и производит исклю­чительное разрушающее действие на окружающие породы: идет сер­нокислое выветривание. Многие рудные металлы — железо, цинк, медь, кадмий и другие — хорошо растворяются в серной кислоте и вместе с потоком кислых вод «рассеиваются» в зоне окисления суль­фидных месторождений. Вокруг месторождения, находящегося час­то глубоко от поверхности (на 50—100 м и более), создается ореол рассеяния рудных металлов; в пределах ореола кора выветривания, почвы, воды и растения обогащены рудными элементами по срав­нению с обычным «фоновым» содержанием.

Геохимические поиски полезных ископаемых, широко приме­няющиеся в нашей стране и во всем мире, основаны на выявлении подобных геохимических аномалий.

Разработка методики геохимических поисков применительно к различным географическим и геологическим условиям и сами по­исковые работы проводятся при активном участии географов — спе­циалистов в области геохимии ландшафта.

Геохимия ландшафта — это отрасль географии, изучающая ис­торию и закономерности рассеяния и концентрации химических элементов в ландшафтах, различных географических зонах (в тунд­ре, тайге, степях, пустынях) и геоморфологических областях: моло­дые горы, древние горные сооружения, денудационные и аккумуля­тивные равнины.

При геохимических поисках на древних денудационных равни­нах с сохранившимися древними площадными и линейными корами выветривания особое значение приобретает анализ геохимической истории ландшафта — основы для выбора наиболее эффективных и экономически выгодных в данных условиях конкретных методов опоискования.

Ранее были рассмотрены особенности кор выветривания, обра­зующихся на древних элементах рельефа во влажных субтропиках и тропиках, а также в исключительной обстановке вблизи сульфид­ных месторождений.

Коры выветривания образуются и в других климатических об- становках, но их состав и мощность существенно иные.

Крупнейший российский ученый, основатель геохимии ландшаф­та академик Б.Б. Полынов теоретически обосновал и показал на ряде географических примеров стадийный характер развития коры выветривания, связанный с неравномерностью вымывания из нее растворимых продуктов выветривания. Он выделил четыре фазы раз­вития коры выветривания: обломочную, обызвесткованную, кислую сиаллитную и аллитную.

В обломочной коре выветривания еще сохраняются все химичес­кие элементы, присутствующие в исходной горной породе, вторич­ных минералов практически нет.

Из обызвесткованной коры выветривания вынесены освобождаю­щиеся при выветривании хлориды и сульфаты, но сохраняются кар­бонаты кальция. Для этого типа коры выветривания, широко рас­пространенного в степях и пустынях, уже характерно образование ряда глинистых минералов, гидрослюд, иллита, а главное — присут­ствие кальцита-карбоната кальция, скопления которого в виде белых мучнистых конкреций, прожилок, корочек на поверхности щебня — характерный признак обызвесткованной коры выветривания. Обыз- весткованные коры широко распространены в степях Забайкалья, в степях и пустынях Казахстана и Средней Азии, в Армении и многих других местах.

Кислая сиаллитная кора выветривания в отличие от обызвестко­ванной распространена во влажном климате умеренных широт и на молодых элементах рельефа во влажных субтропиках и тропи­ках, преимущественно в лесной зоне. Сиаллитная остаточная кора оглинена, обогащена гидроксидами железа, но содержит еще мно­го первичных минералов. Глинистые минералы представлены гид­рослюдами, смектитом, хлоритом. Все легкорастворимые соли и карбонаты кальция из нее вымыты, поэтому она обеднена по срав­нению с исходными породами не только хлором и натрием, но и кальцием.

Аллитная кора выветривания представляет наиболее зрелую ста­дию, в ней не сохранилось первичных минералов, они замещены каолинитом и гидроксидами железа и алюминия. До такой стадии выветривания породы доходят только во влажном климате субтро­пических и тропических поясов, где в тектонически спокойных об­ластях процессы выветривания обгоняют денудацию.

Однако процессы размыва, сноса и переотложения рыхлых про­дуктов выветривания действуют повсеместно, хотя и с различной скоростью. Верхние горизонты коры выветривания и сформиро­вавшихся на ней почв смываются, а в понижениях рельефа накапли­ваются различные континентальные отложения (делювий, аллювий и др.). В этих отложениях накапливается часть растворенных и вы­несенных из коры выветривания химических соединений.

Вещества, которые вымываются из коры выветривания данного типа, накапливаются в рыхлых отложениях. Поэтому между элюви­альными образованиями — корой выветривания — и аккумулятив­ными образованиями (рыхлыми отложениями) существует геохи­мическое сопряжение (рис. 6.4). Например, из обызвесткованной коры выносятся только хлориды и сульфаты, именно эти соли на­капливаются в наносах и почвах соседних депрессий рельефа и зам­кнутых водоемов.

Если из коры выветривания вымываются и хлориды, и карбона­ты, и кремнезем, то в процессе миграции и испарения растворов они разделяются: наименее растворимый кремнезем осаждается в первую очередь, затем следует карбонат кальция, а хлориды натрия, магния и кальция достигают бессточных впадин или выносятся ре­ками в моря и океаны.

Вынос больших количеств кремнезема и оснований из феррал- литных кор выветривания сопровождается образованием на акку­мулятивных равнинах монтмориллонитовых глин; синтез монтмо­риллонита идет из растворов, обогащенных SiO₂, кальцием и маг­нием. Особенно типичны подобные аккумуляции для жарких ^ПеРеменно-влажных областей, тропических редколесий и саванн.

Рис. 6.4. Типы сочетаний (а—в) остаточных и аккумулятивных кор выветривания (по Б.Б. Полынову): 1 — обызвесткованный ортоэлювий; 2 — сиаллитный ортоэлювий; 3 — аллитный ортоэлювий; 4 — хлоридно-сульфатный нанос; 5 — карбонатный нанос; 6 — сиаллитный нанос; 7 — первичная коренная порода

Изучение геохимических сопряжений, остаточных кор выветри­вания и коррелятивных им рыхлых отложений имеет большое прак­тическое значение, в частности при мелиоративном проектировании и прогнозе геохимического солевого баланса крупных территорий. Большое значение имеет изучение закономерностей распростране­ния и состава остаточных кор выветривания и коррелятивных им рыхлых отложений для почвоведения, так как именно эти образова­ния являются наиболее широко распространенными почвообразу- ющими породами.

Почвы, образовавшиеся на коре выветривания того или иного типа, в той или иной мере наследуют их минеральный состав. Од­нако в процессе почвообразования многие минералы почвообразу- ющих пород подвергаются дальнейшим изменениям. В почвах, об­ладающих по сравнению с корой выветривания более высоким энер­гетическим потенциалом, и процессы разрушения минералов, и процессы вторичного синтеза идут с большой скоростью; эти про­цессы объединяются понятием внутрипочвенного выветривания.

Глава 7

ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИЙ (МЕХАНИЧЕСКИЙ) СОСТАВ ПОЧВООБРАЗУЮЩИХ ПОРОД И ПОЧВ

Гранулометрические фракции и методы их определения

Обломки плотных пород и минералы, образующие твердую фазу почв, различаются не только по типу кристаллической структуры и химическому составу, но и по размерам. В почвообразующих поро­дах и почвах могут присутствовать обломки плотных пород, разме­ры которых измеряются сантиметрами и даже десятками сантимет­ров (так называемый скелет почвы). Размеры отдельных зерен пер­вичных минералов лежат в пределах от 1,00 до 0,01 мм, хотя весьма часто диаметр некоторых зерен кварца, полевых шпатов и других минералов превышает 1 мм. Размеры частиц различных слюдистых минералов (серицита, гидрослюд и др.) обычно колеблются от 0,01 до 0,001 мм. Наиболее распространенные глинистые минералы еще более дисперсны, размеры их частиц — 0,005—0,0001 мм. И нако­нец, в почвах присутствуют коллоидно-дисперсные минеральные и органические вещества, диаметр частиц которых обычно меньше 0,0001 мм.

Преобладание частиц того или иного размера в почвообразую­щих породах и почвах определяет в значительной мере многие фи­зические свойства почвенной массы.

Процентное содержание в почве частиц различного размера и их соотношение называется гранулометрическим (или механическим) составом почв. Когда говорят о соотношении частиц различного размера, имеют в виду группы частиц, диаметр которых лежит в определенных пределах. Каждая из таких групп называется грануло­метрической (механической) фракцией (табл. 7.1).

В основу разделения гранулометрических фракций положены различия главным образом в водно-физических свойствах. Так, ка­менистая часть почвы или почвенный скелет почти не обладает спо­собностью удерживать влагу, просачивающуюся в почву, а также под­нимать ее вверх, например, от уровня грунтовых вод по капиллярам. Песок (3,0—0,05 мм) имеет лишь очень слабую водоудерживающую и водоподъемную способность. Напротив, пыль (0,05—0,001 мм) очень хорошо удерживает воду и обладает хорошей водоподъемной спо­собностью. В пылеватых почвах вода по капиллярам может подни­маться вверх на 4—5 м от уровня фунтовых вод. Ил (<0,001 мм) имеет плохую водопроницаемость и меньшую, чем у пылеватых ча-

Таблица 7.1

Классификация гранулометрических элементов почвенной массы (по Н.А. Качинскому)

стиц, водоподъемную способность. В последнем случае капилляр­ные промежутки между частицами очень малы, а при увлажнении они еще более уменьшаются за счет образования вокруг каждой частицы пленки воды, удерживаемой силами молекулярного притя­жения. Во влажном состоянии фракция ила сильно набухает, а при высыхании — сжимается.

Таким образом, названные четыре фракции — каменистая часть почв, песок, пыль и ил — помимо того, что они обычно отличаются друг от друга по минералогическому составу, различны также и по физическим свойствам.

В большинстве стран мира, согласно Международной шкале, принятой еще в 1926 г., почвоведы пользуются несколько иными градациями размеров частиц при выделении гранулометрических фракций. Граница между крупно- и мелкоземом проводится по раз­меру частиц 2 мм. К фракции песка, который подразделяется на круп­ный, средний и мелкий, относятся частицы размером 2—0,074 мм, к фракции пыли — частицы, размеры которых лежат в пределах 0,074-0,002 мм.

В большинстве стран мира в соответствии с международным соглашением при выделении фракций действует следующая шка­ла размеров гранулометрических элементов: крупнозем (гравелис- тая и каменистая часть почвенной массы) > 2 мм, мелкозем < 2 мм. В мелкоземе выделяются фракции: песка крупного и среднего — 2—0,2 мм, мелкого — 0,2—0,074 мм, пыли — 0,074—0,002 мм, глины (ила) — <0,002 мм.

Существуют различные методы гранулометрического анализа рыхлых отложений и почв, причем, поскольку в состав почв могут входить и крупные и мелкие частицы, способы их разделения также несколько различны.

Перед производством анализа образцы почвы растираются в ступ­ке резиновым пестиком, чтобы разрушить агрегаты. Крупные фрак­ции — каменистая часть и крупный песок — обычно разделяются на ситах с отверстиями 0,25; 1; 2; 5; 7 и 10 мм. Разделение частиц, диаметр которых меньше 1 мм, производится обычно методом гид­равлического анализа или отмучивания. При таком анализе образ­цы почв, пропущенные через сито с отверстиями диаметром в 1 мм, взмучиваются в воде. При спокойном отстаивании частицы начина­ют оседать на дно с различной скоростью.

Зависимость между радиусом частиц и скоростью их падения выражается формулой Стокса

где V — скорость падения частиц, см/с; g — ускорение силы тяжес­ти, равное 981 см/с; г — радиус частицы, см; d_l — удельная масса частицы; d₂ — удельная масса жидкости (воды), в которой ведется анализ; г| — вязкость жидкости.

Исходя из этой формулы были рассчитаны скорости падения частиц различного диаметра, которыми и пользуются при проведе­нии анализа (табл. 7.2).

Таблица 7.2