Виды выветривания горных пород

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.