Такое же механическое воздействие на горные породы оказывают корневая система деревьев и роющие животные. По мере разрастания деревьев увеличиваются в размерах их корни. Они давят с большой силой на стенки трещин и раздвигают их как клинья и тем самым вызывают раскалывание породы на отдельные глыбы и обломки. Часть таких глыб выталкивается вверх. Механическое воздействие оказывают и различные роющие животные, такие, как земляные черви, муравьи, грызуны и др.
Дезинтеграцию пород вызывает также рост кристаллов в капиллярных трещинах и порах. Это хорошо проявляется в условиях сухого климата, где днем при сильном нагревании капиллярная вода подтягивается к поверхности и испаряется, а соли, содержащиеся в ней, кристаллизуются. Под давлением растущих кристаллов капиллярные трещины расширяются, что и приводит к нарушению монолитности горной породы и ее разрушению.
Разрушению горных пород под влиянием физического выветривания всегда в той или иной степени сопутствует химическое выветривание, а в ряде случаев последнее играет решающую роль. Это отражает тесную взаимосвязь различных форм единого процесса выветривания. Физическая дезинтеграция резко увеличивает реакционную поверхность выветривающихся пород. Главными факторами химического выветривания являются вода, кислород, углекислота и органические кислоты, под влиянием которых существенно изменяются структура и состав минералов и образуются новые минералы, соответствующие определенным физико-химическим условиям. Важнейший фактор химического выветривания — вода, которая в той или иной степени диссоциирована на положительно заряженные водородные ионы (Н+) и отрицательно заряженные гидроксильные ионы (ОН-). Это определяет ее возможность вступать в реакцию с кристаллическим веществом. Высокая концентрация водородных ионов в растворах способствует ускорению процессов выветривания.
Особенно возрастает интенсивность химического выветривания, когда в водном растворе присутствуют кислород, углекислота и органические кислоты, которые обладают большой активностью и во много раз повышают диссоциацию воды. В зависимости от реакции среды в процессе выветривания возникают те или иные характерные ассоциации минералов. Наиболее благоприятные условия для химического выветривания существуют в гумидных областях и особенно в тропических и субтропических зонах, где имеет место сочетание большой влажности, высокой температуры, пышной растительности и огромного ежегодного отпада органической массы (в тропических лесах), в результате чего значительно возрастает концентрация углекислоты и органических кислот, а следовательно, возрастает и концентрация водородных ионов. Химическое воздействие на горные породы оказывают находящиеся в воде растворенные ионы, такие, как НСО3—. SO-4, С1-, Са+, Mg+, Na+, К+. Эти ионы также могут замещать. заряженные атомы в кристаллах или взаимодействовать с ними,. что может приводить к нарушению первичной кристаллической структуры минералов. Процессы, протекающие при химическом выветривании, заключаются в следующих основных химических реакциях: окислении, гидратации, растворении, гидролизе.
Окисление. Процессы окисления наиболее интенсивно протекают в минералах, содержащих закисные соединения железа, марганца и других элементов. Так, сульфиды в кислой среде становятся неустойчивыми и постепенно замещаются сульфатами, окислами и гидроокислами. Направленность этого процесса можно схематически изобразить следующим образом:
FeS2+nO2+mH2О®FeSO4®Fe2(SO4)3 ®Fe2O3žnH2O.
пирит сульфат сульфат бурый железняк
закиси окиси (лимонит)
железа железа
На первой стадии получаются сульфат закиси железа и серная кислота (1^2804). Наличие серной кислоты значительно усиливает интенсивность выветривания, способствует дальнейшему разложению минералов. На второй стадии сульфат закиси железа переходит в сульфат окиси железа. Последний в свою очередь оказывается неустойчивым и под действием кислорода и воды -переходит в водную окись железа — бурый железняк. Бурый железняк фактически представляет собой сложный минеральный агрегат близких по составу минералов гётита (FeO·OH) и гидрогётита (FeO·OH·nH2O). На поверхности ряда месторождений сульфидных руд и других железосодержащих минералов наблюдается “бурожелезняковая шляпа”, возникшая в результате одновременных окисления и гидратации. Местами при недостаточном количестве влаги образуются бедная водой окись железа, гидрогематит (Fe2O3·H2O). В результате процессов окисления магнетит переходит в гематит, как это имеет место в районе КМА. Гематит образуется и при окислении таких минералов, как оливин, пироксены, амфиболы, под действием воды, кислорода и углекислоты. Направленность реакции следующая:
(Mg, Fe)2[SiO4]®Fe2O3+nMg(HCO3)2+mH4SiO4.
оливин гематит растворимый растворимая
бикарбонат кремнекислота
магния
Дальнейший процесс окисления и гидратации может привести к образованию гидроокислов железа (Fе2O3·nН2O).
Гидратация — это процесс, заключающийся в присоединении воды к первичным минералам горных пород и образовании новых минералов. Можно привести следующие примеры гидратации: 1. Переход ангидрита в гипс по реакции СаSO4+2H2OÛCaSO4-2H2O (реакция обратима при изменении условий). 2. Переход гематита в гидроокислы железа: Fе2О3+nН2ОÛFе2О3·nН2О. При гидратации объем породы увеличивается и покрывающие отложения деформируются.
Растворение. Под влиянием воды, содержащей углекислоту, происходит растворение горных пород. Растворение особенно интенсивно проявляется в осадочных горных породах — хлоридных, сульфатных и карбонатных. Наибольшей растворимостью отличаются хлориды: соли натрия, калия и др. За хлоридами по степени растворимости стоят сульфаты, в частности гипс, за которыми следуют карбонатные породы: известняки, доломиты, мергели. В результате растворяющей деятельности поверхностных и подземных вод на поверхности растворимых пород образуются карстовые формы рельефа.
Гидролиз. Сложный процесс гидролиза особенно большое значение имеет при выветривании силикатов и алюмосиликатов. Он заключается в разложении минералов, выносе отдельных элементов, а также в присоединении гидроксильных ионов и гидратации. В ходе гидролиза первичная кристаллическая структура минерала нарушается и перестраивается и может оказаться полностью разрушенной и заменена новой, существенно отличной от первоначальной и соответствующей вновь образованным гипергенным минералам. В ряде случаев гипергенное преобразование силикатов и алюмосиликатов под влиянием воды, углекислоты и органических кислот протекает стадийно с образованием различных глинистых минералов. В качестве примера можно привести схему разложения полевых шпатов (полевой шпат®промежуточный минерал®каолинит):
K[AlSi3O8]®(К, Н20) А12 (ОН)2[A1Si4O10]·nH20®A14 (ОН)8[A1Si4O10]
ортоклаз гидрослюда каолинит.
каолинит
При образовании из полевых шпатов каолинита происходит несколько превращений и реакций: 1. Все катионы К, Na, Са при взаимодействии с углекислотой образуют истинные растворы карбонатов (СаСО3, Na2CО3, К2СОз) и бикарбонатов. В условиях влажного и теплого климата карбонаты выносятся за пределы; места их образования. В условиях сухого климата и недостатка влаги карбонаты остаются на месте, образуя твердую корку, или выпадают из раствора на некоторой глубине от поверхности. Такой процесс образования карбонатов называется карбонатизацией.
2. Каркасная структура полевых шпатов превращается в слоевую, свойственную каолиниту и другим глинистым минералам.
3. Часть растворенного кремнезема выносится водой, что подтверждается наличием в твердом стоке речных вод в среднею около 11% SiO2. Значительная часть выносимого кремнезема быстро переходит в коллоидальное состояние и выпадает в виде аморфного гидратированного осадка SiO2·nН2O, который при высыхании и частичной потере воды превращается в опал. Часть SiO2 остается прочно связанной в каолините.
4. Присоединение гидроксильных ионов в каолините. В результате выветривания магматических и метаморфических горных .пород, богатых алюмосиликатами (гранитов, гранодиоритов, гнейсов и др.), образуются месторождения каолина. Каолинит в условиях земной поверхности достаточно устойчивый минерал. Но при благоприятных условиях — высокой температуре, большом количестве атмосферных осадков и огромном растительном отпаде—происходит дальнейшее разложение и образуются наиболее устойчивые соединения — гидроокислы алюминия, такие, как гиббсит, или гидраргиллят, А10(ОН)з—один из рудоносных минералов основной алюминиевой руды — боксита. Иногда гидроокислы алюминия распространены в виде пятен в каолинитах.
При выветривании полиминеральных горных пород наряду с гидроокислами алюминия на конечных стадиях образуются гидроокислы железа, иногда марганца, титана. Наибольшая интенсивность химического выветривания проявляется в железисто-магнезиальных минералах (оливин, пироксены, амфиболы) и основных плагиоклазах.
В сложных процессах химического разложения минералов и горных пород велика роль биосферы. Биогеохимическое воздействие на горные породы начинается уже с первых поселенцев на скальных поверхностях горных пород — различных микроорганизмов, лишайников и мхов. В результате такого воздействия на скальной поверхности породы после их отмирания появляются углубления, заполненные cyхим органическим веществом (биомасса микробных и других тел). Все это подготавливает условия для последующего заселения скал высшими растениями и сопутствующей им фауной. Роль организмов в химическом выветривании определяется тем, что они поглощают из разрушаемой породы химические элементы в соответствии со своими биологическими потребностями (как питательные вещества). К числу таких элементов относятся Р, S, С1, К, Са, Mg, Na, Sr, В, в меньшей степени Si и Al, Fe и др.
Анализ золы растений показывает, что содержание и соотношение элементов в ней вследствие различной интенсивности их биологического поглощения существенно иные, чем в исходных породах, В золе содержится в десятки раз больше Р, S, в несколько раз больше К, Са, Mg, а также микроэлементов, меньше Si, Al и Fe. Вместе с тем наличие в золе Si и Al свидетельствует о том, что уже первичная камнелюбивая растительность разрушает прочные связи между кремнеземом и глиноземом в кристаллической решетке алюмосиликатов. Следует отметить, что организмы участвуют не только в разложении первичных минералов и усвоении их элементов, но и в построении из этих элементов, которые после отмирания и минерализации органического вещества сохраняются в виде особых биогенных соединений. Таким образом, биологический круговорот веществ, свойственный верхней части коры выветривания и особенно почвенного покрова, характеризуется определенной цикличностью и направленностью развития — от поглощения живыми организмами элементов из разрушаемых пород до отмирания организмов, минерализации органических веществ и возврата элементов в окружающую среду в новом качестве. Этот процесс протекает многоступенчато. Иногда имеет место ряд различных по продолжительности циклов, связанных с разной продолжительностью жизни организмов, включая самые короткие — микробиологические.
Таким образом, воздействие органического мира на горные породы сводится или к физическому разрушению их, или к химическому разложению. Следует подчеркнуть условность подразделения процессов выветривания на физические и химические. Это единые сложно взаимосвязанные процессы, действующие одновременно, особенно в верхнем слое почвы и материнских пород. Можно говорить лишь о преобладании физического или химического процесса в зависимости от климата, рельефа, состава горных пород и других факторов.
Избирательный характер выветривания. В природных условиях отмечается неравномерность выветривания горных пород. Это связано с различной степенью трещиноватости горных пород. По трещиноватым зонам легче всего проникают вода и другие компоненты атмосферы и протекает интенсивный процесс выветривания в глубину, в результате которого образуются крупные, иногда с вертикальными склонами отрицательные формы рельефа (в случае выноса разрушенных частей). В слоистых и неоднородных по составу и твердости горных породах легче всего выветриваются менее прочные или более растворимые породы.
1. .Оллиер К. Выветривание: Пер. с англ. — М. Недра, 1987.
2. Соловов А. П. Геохимические методы поисков месторождений полезных ископаемых: — М. Недра, 1988 г.
3. Якушова А. Ф., Хаин В. Е., Славин В. И. Общая геология: М. МГУ, 1988 г.
Страницы: 1, 2
