ГЕОЛОГИЯ. ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

ХИМИЧЕСКОЕ ВЫВЕТРИВАНИЕ. Роль биосферы в геологических процессах, биогеохимические реакции в породах

Одновременно с физическим выветриванием в областях с промывным типом режима увлажнения происходят и процессы химического изменения с образованием новых минералов. При механической дезинтеграции плотных горных пород образуются макротрещины, что способствует проникновению в них воды и газа и, кроме того, увеличивает реакционную поверхность выветривающихся пород. Это создает условия для активизации химических и биогеохимических реакций.

Проникновение воды или степень увлажненности не только определяют преобразование горных пород, но и обусловливают миграцию наиболее подвижных химических компонентов. Это находит особенно яркое отражение во влажных тропических зонах, где сочетаются высокая увлажненность, высокотермические условия и богатая лесная растительность. Последняя обладает огромной биомассой и значительным спадом.

Эта масса отмирающего органического вещества преобразуется, перерабатывается микроорганизмами, в результате в большом количестве возникают агрессивные органические кислоты (растворы). Высокая концентрация ионов водорода в кислых растворах способствует наиболее интенсивному химическому преобразованию горных пород, извлечению из кристаллических решеток минералов катионов и вовлечению их в миграцию.

Особая роль биосферы в геологических процессах была отмечена в работах крупнейшего русского ученого В. И. Вернадского. Он ввел понятие о "живом веществе" как перманентном геологическом деятеле, как аккумуляторе и перераспределителе Солнечной энергии.

Он писал: "Захватывая энергию Солнца, живое вещество создает химические соединения, при распадении которых эта энергия освобождается в форме, могущей производить химическую работу"; "живое вещество есть форма активизированной материи и эта энергия тем больше, чем больше масса живого вещества" . К процессам химического выветривания относятся окисление, гидратация, растворение и гидролиз.

Окисление особенно интенсивно протекает в минералах, содержащих железо. В качестве примера можно привести окисление магнетита, который переходит в более устойчивую форму - гематит (Fe₂0₄ Fе₂0₃). Такие преобразования констатированы в древней коре выветривания КМА, где разрабатываются богатые гематитовые руды. Интенсивному окислению (часто совместно с гидратацией) подвергаются сульфиды железа. Так, например, можно представить выветривание пирита:

FeS₂ + mO₂ + nН₂О FeS0₄ Fе₂(SО₄) Fе₂O₃^.nН₂О

Лимонит (бурый железняк)

На некоторых месторождениях сульфидных и других железных руд наблюдаются "бурожелезняковые шляпы", состоящие из окисленных и гидратированных продуктов выветривания. Воздух и вода в ионизированной форме разрушают железистые силикаты и превращают двухвалентное железо в трехвалентное.

Гидратация

 Под воздействием воды происходит гидратация минералов, т.е. закрепление молекул воды на поверхности отдельных участков кристаллической структуры минерала. Примером гидратации является переход ангидрита в гипс: ангидрит-CaSO₄+2H₂O CaSO₄^.2H₂0 - гипс. Гидратированной разновидностью является также гидрогётит: гётит - FeOOH + nH₂O FeOH^.nH₂O - гидрогётит.

Процесс гидратации наблюдается и в более сложных минералах - силикатах.

Растворение

 Многие соединения характеризуются определенной степенью растворимости. Их растворение происходит под действием воды, стекающей по поверхности горных пород и просачивающейся через трещины и поры в глубину. Ускорению процессов растворения способствуют высокая концентрация водородных ионов и содержание в воде О₂, СО₂ и органических кислот. Из химических соединений наилучшей растворимостью обладают хлориды - галит (поваренная соль), сильвин и др. На втором месте - сульфаты - ангидрит и гипс. На третьем месте карбонаты - известняки и доломиты. В процессе растворения указанных пород в ряде мест происходит образование различных карстовых форм на поверхности и в глубине.

Гидролиз

 При выветривании силикатов и алюмосиликатов важное значение имеет гидролиз, при котором структура кристаллических минералов разрушается благодаря действию воды и растворенных в ней ионов и заменяется новой существенно отличной от первоначальной и присущей вновь образованным гипергенным минералам. В этом процессе происходят: 1) каркасная структура полевых шпатов превращается в слоевую, свойственную вновь образованным глинистым гипергенным минералам; 2) вынос из кристаллической решетки полевых шпатов растворимых соединений сильных оснований (К, Na, Ca), которые, взаимодействуя с СО₂ , образуют истинные растворы бикарбонатов и карбонатов (К₂СО₃, Na₂СО₃, СаСО₃). В условиях промывного режима карбонаты и бикарбонаты выносятся за пределы места их образования. В условиях же сухого климата они остаются на месте, образуют местами пленки различной толщины, или выпадают на небольшой глубине от поверхности (происходит карбонатизация); 3) частичный вынос кремнезема; 4) присоединение гидроксильных ионов.

Процесс гидролиза протекает стадийно с последовательным возникновением нескольких минералов. Так, при гипергенном преобразовании полевых шпатов возникают гидрослюды, которые затем превращаются в минералы группы каолинита или галуазита:

K[AlSi₃O₈] (К,Н₃О)А1₂(ОН)₂[А1Si₃О₁₀]^. Н₂O Аl₄(ОН)₈[Si₄O₁₀]

ортоклаз гидрослюда каолинит

В умеренных климатических зонах каолинит достаточно устойчив и в результате накопления его в процессах выветривания образуются месторождения каолина. Но в условиях влажного тропического климата может происходить дальнейшее разложение каолинита до свободных окислов и гидроокислов:

Al₄(OH)₈[Si₄O₁₀] Al(OH)₃+SiO₂^. nH₂O

  гидраргиллит

Таким образом, формируются окислы и гидроокислы алюминия, являющиеся составной частью алюминиевой руды - бокситов.

При выветривании основных пород и особенно вулканических туфов среди образующихся глинистых гипергенных минералов наряду с гидрослюдами широко развиты монтмориллониты (Al₂Mg₃) [Si₄O₁₀](OH)_2*nH₂O и входящий в эту группу высокоглиноземистый минерал бейделлит А1₂(ОН)₂[А1Si₃О₁₀]nН₂O. При выветривании ультраосновных пород (ультрабазитов) образуются нонтрониты, или железистые монтмориллониты (FeAl₂)[Si₄O₁₀](OH)₂^. nН₂О. В условиях значительного атмосферного увлажнения происходит разрушение нонтронита, при этом образуются окислы и гидроокислы железа (явление обохривания нонтронитов) и алюминия.