Устойчивость минералов к процессам выветривания

Степень устойчивости	Минералы первичные	Минералы вторичные
Очень неустой­чивые	Оливин, апатит, анортит	Галит, мирабилит, гипс и органические соли
Неустойчивые	Авгит, роговая обманка, Лабрадор	Кальцит, арагонит, доломит
Сред неустойчивые	Биотит, андезин, гранат, эпидот	Хлорит, нонтронит, иллит, серицит
Устойчивые	Ортоклаз, микроклин, аль­бит, олигоклаз	Вермикулит, монтморилло­нит, бейделлит
Наиболее устой­чивые	Кварц, мусковит, циркон, турмалин, рутил, ильменит, анатаз, кианит, титанит, маг­нетит	Каолинит, галлуазит, бемит, гиббент, гематит, гетит, ли­монит

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,в определенных 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.