Выветривание горных пород - Выветривание горных пород и минералов - это процесс разрушения и химического изменения горных пород под влиянием температуры, химического и механического воздействия на них атмосферы, воды и организмов.
Различают три типа выветривания: физическое, химическое, биологическое.
Физическое выветривание - это процесс механического раздробления горных пород без изменения химического состава образующих их минералов.
Физическое выветривание активно протекает при больших колебаниях суточных и сезонных температур, например в жарких пустынях, где поверхность почвы иногда нагревается до 60 - 70°С, а ночью охлаждается почти до 0°С. Процесс разрушения усиливается при конденсации и замерзании воды в трещинах горных пород, поскольку, замерзая, вода расширяется на своего объема и с огромной силой давит на стенки. В сухом климате аналогичную роль играют соли, кристаллизующиеся в трещинах горных пород. Так, соль кальция CaSO4, превращаясь в гипс (CaSO4 - 2H2O), увеличивается в объеме на 33%. В результате от породы, разбитой сетью трещин, начинают отпадать отдельные обломки, и с течением времени ее поверхность может подвергнуться полному механическому разрушению, что благоприятствует химическому выветриванию.
Химическое выветривание - это процесс химического изменения горных пород и минералов и образования новых, более простых соединений в результате реакций растворения, гидролиза, гидратации и окисления.
Важнейшими факторами химического выветривания являются вода, углекислый газ и кислород. Вода выступает в роли активного растворителя горных пород и минералов, а растворенный в воде углекислый газ усиливает разрушающее действие воды.
С деятельностью воды связана также гидратация - химический процесс присоединения воды к минералам. В результате реакции происходит разрушение поверхности минералов, что в свою очередь усиливает их взаимодействие с окружающим водным раствором, газами и другими факторами выветривания.
Биологическое выветривание - это процесс химического разрушения и химического изменения горных пород и минералов под влиянием организмов и продуктов их жизнедеятельности.
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.
При биологическом выветривании организмы извлекают из породы необходимые для построения своего тела минеральные вещества и аккумулируют их в поверхностном горизонте породы, создавая условия для формирования почвы. Корни растений и микроорганизмы выделяют во внешнюю среду углекислый газ и различные кислоты (щавелевую, яблочную, янтарную, плавиковую, азотную, серную и др.), которые разрушают минералы и усиливают процесс выветривания.
Большая роль в биологическом выветривании монолитных пород принадлежит лишайникам, которые разрушают породы как химически, выделяя углекислоту и кислоты, так и механически, проникая гифами внутрь минералов и трещин горных пород.
Животные в меньшей степени, чем растения, влияют на горные породы. Однако и они разрушают их путем механического разрыхления и выделения продуктов жизнедеятельности.
